DE19839670A1 - Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Metall-Legierungen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von Metall-Legierungen, bei dem in einem Schmelzofen das Basismetall erschmolzen und in einem Legierungsofen dem Basismetall metallische Legierungszuschläge beigegeben werden, die vermischt, ggf. reduziert und vergossen werden. DOLLAR A Erfindungsgemäß werden die metallischen Legierungszuschläge in einem Lichtbogen erschmolzen und in flüssiger Form dem Basismetall zugegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Her­ stellung von Metall-Legierungen, wobei einem flüssigen Basisme­ tall gewünschte metallische Legierungszuschläge aus mindestens einem weiteren Metall oder aus einer Vorlegierung zugeführt, zu einer homogenen Schmelze vermischt, ggf. reduziert und abschließend vergossen werden.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur kontinuier­ lichen Herstellung von Metall-Legierungen, mit einem Schmelz­ ofen für das Basismetall, einem Legierungsofen mit einer Zufüh­ rung der metallischen Legierungszuschläge, einem Homogenisie­ rungsofen sowie einer Gießvorrichtung.

Um den stets wachsenden Qualitätsanforderungen, die an Metall- Legierungen gestellt werden, entsprechen zu können, wird in nach dem Stand der Technik bekannten Produktionsanlagen zunächst das Basismetall in einem ersten Ofen erschmolzen, wonach in einem Legierungsofen, in den die Basismetallschmelze überführt wird, die metallischen Zuschläge in fester Form zuge­ geben, erschmolzen und zusammen mit dem Basismetall homogeni­ siert werden. Dieser Homogenisierung schließt sich ggf. noch eine Desoxidationsbehandlung sowie eine völlige oder zumindest teilweise Entfernung unerwünschter Begleitstoffe (Phosphor, Schwefel) durch entsprechende Entgasungsvorgänge an, bis die Metall-Legierungsschmelze mit entsprechend verbessertem Rein­ heitsgrad vergossen wird. Die Integration eines Legierungsofens in die beschriebene Produktionslinie sorgt für eine erhebliche Qualitätsverbesserung der Metall-Legierung, da die Dosierung der metallischen Legierungszuschläge sowie die Temperaturfüh­ rung und schließlich die Misch- und Pufferfunktion eines Legie­ rungsofens eine gute Homogenisierung erlaubt.

Besondere Probleme ergeben sich, wenn einer Schmelze aus einem Metall mit niedrigem Schmelzpunkt ein zweites Metall hinzule­ giert werden soll, dessen Schmelzpunkt erheblich höher liegt, wie dies z. B. bei der Herstellung von Zn-Al-Legierungen oder Cu-Fe-Legierungen der Fall ist. Auch bei entsprechender Über­ hitzung der Basismetall-Legierung sind zur Überführung des Festzustandes des bei höherer Temperatur schmelzenden Metalles in den Flüssigzustand erhebliche Zeiträume notwendig. Gibt man den metallischen Zuschlag in Stückform auf die Schmelze auf bzw. läßt man ein entsprechendes Legierungspulver von oben auf die Badoberfläche rieseln, kann wegen der bestehenden Badbewe­ gungen, die auf der Schmelzbadoberfläche radial nach außen gerichtet sind, das nur angelöste Legierungsmittel an den Ofen­ rand gespült werden, wo es in Form von Krätze oder als Schlackeablagerung am Ofenmantel haften bleibt. Da diese Abla­ gerungen von den unterschiedlichen, zum Teil unkontrollierbaren Badbewegungen abhängt, entspricht die Legierungszusammensetzung der Schmelze nicht mehr dem Verhältnis, das sich aus der Menge der metallischen Zuschläge relativ zur Menge des Basismetalles ergeben sollte.

Um hier Abhilfe zu schaffen, wird in der Praxis häufig mit einem hohlkörperförmigen Draht gearbeitet, in dessen Innenraum die Zuschläge, wie Metalle in pulvriger Form, eingepreßt ange­ ordnet sind. Dieser Draht wird mittels einer Einspulmaschine unmittelbar in das Bad des Legierungsofens abgewickelt, wo der Draht schmilzt und die Legierungselemente freigibt. Ggf. kann das Füllmaterial dieses Drahtes auch noch Desoxidationsmittel in pulvriger Form enthalten. Abgesehen davon, daß die Herstel­ lung solcher mit pulverförmigen Legierungszuschlägen gefüllten Drähten aufwendig und teuer ist, besitzt das Drahteinspulver­ fahren nach wie vor den Nachteil, daß erhebliche Zeiten zum Erschmelzen der Legierungszuschläge erforderlich sind. Hierin liegt auch der Grund, weshalb zum Teil sogenannte Vorlegierun­ gen verwendet werden, die in fester Form der Basisschmelze zugegeben werden. Unter einer Vorlegierung werden Legierungen aus einem Basismetall und einem erheblich höheren Prozentsatz des Legierungsmetalles verstanden. Zur Herstellung einer Zink- Aluminium-Legierung ist bereits vorgeschlagen worden, das Legierungsmetall separat vom Basismetall in einem eigenen Ofert zu verflüssigen und dann anschließend in flüssiger Form dem Basismetall zuzumischen.

Alle bisher bekannt gewordenen Verfahren haben den Nachteil, daß entweder lange Homogenisierungszeiten oder mehrere Ofenan­ lagen erforderlich sind. So dauert beispielsweise der Homogeni­ sierungsprozeß bei der Cu-Fe-Legierung eine Stunde oder länger. Bei der Zn-Al-Legierungsherstellung ist in jedem Fall ein zwei­ ter Ofen erforderlich, um zu praktikablen Prozeßzeiten zu kom­ men. Die langen Lösungszeiten des bei höherer Temperatur schmelzenden Metalles machen sich insbesondere negativ bemerk­ bar, wenn die Legierungen kontinuierlich, z. B. in einem Strang­ gießverfahren vergossen werden sollen. In solchen Fällen kann Abhilfe nur mittels zweier Schmelzöfen geschaffen werden, von denen einer schmilzt und der andere parallel für die Legie­ rungsarbeit und das Gießen verfügbar ist. Diese Öfen werden jeweils im Wechsel für die genannten Funktionen betrieben. Das Drahteinspulverfahren kann im Rahmen einer Produktionslinie für ein kontinuierliche Gießverfahren nur bei solchen Legierungs­ elementen angewendet werden, die relativ schnell löslich sind.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das eingangs genannte Verfahren und die nach dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung dahingehend weiterzuentwickeln, daß unter geringst­ möglichem verfahrenstechnischen und apparativen Aufwand eine beschleunigte Einstellung einer homogenisierten Legierungs­ schmelze möglich ist, die kontinuierlich vergossen werden kann.

Diese Aufgabe wird verfahrenstechnisch durch die Maßnahmen nach Anspruch 1 gelöst.

Erfindungsgemäß werden die metallischen Legierungszuschläge in einem Lichtbogen erschmolzen und in flüssiger Form dem Basisme­ tall zugegeben. Vorzugsweise verwendet man eine selbstverzeh­ rende Lichtbogenelektrode, die selbst zumindest teilweise aus den metallischen Legierungszuschlägen besteht. Die Lichtbogen- Leistung ist so eingestellt, daß das abtropfende Legierungs­ metall in der der gewünschten Legierungseinstellung entspre­ chenden erforderlichen Rate dem kontinuierlich durch den Ofen fließenden Basismetall zugeführt wird. Die geschilderte erfin­ dungsgemäße Maßnahme erspart einen separaten Schmelzofen für die metallischen Legierungszuschläge. Die für das Erschmelzen der metallischen Zuschläge erforderliche Energie muß nicht durch das Schmelzbad aufgebracht werden, so daß kürzere Lösungszeiten erreicht werden.

Grundsätzlich ist es möglich, den Lichtbogen offen innerhalb der Legierungskammer bzw. dem Legierungsofen zu betreiben, vor­ zugsweise werden die metallischen Legierungszuschläge jedoch unter einer Schutzgasatmosphäre, insbesondere aus Stickstoff oder Argon erschmolzen, womit Reaktionen mit gasförmigen Ele­ menten in der Ofenatmosphäre verhindert werden.

Vorzugsweise wird zur Beschleunigung der Homogenisierung die gemeinsame flüssige Mischung aus dem Basismetall und den metal­ lischen Zuschlägen Rinnenkanälen eines Induktionsofens zuge­ führt. Dieser Zwangsdurchlauf der noch nicht homogenisierten Mischung der flüssigen Legierungsbestandteile durch die Rinnen­ kanäle eines Induktionsofens führt zu einer erheblichen inten­ siven Mischung, womit die Vorbereitungszeit für die Legierungs­ einstellung weiterhin erheblich gekürzt wird.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird die homogenisierte Mischung einer Reduktionsbehandlung und/oder einer Entgasung unterzogen, bevor die derart in ihrer Zusammensetzung opti­ mierte Schmelze kontinuierlich über eine Gießkammer z. B. in eine Kokille einer Stranggießanlage überführt wird.

Apparativ wird die gestellte Aufgabe mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 6 gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Legierungsofen ein Lichtbogenofen ist, in dem oberhalb der Badschmelze die metallischen Legierungszuschläge erschmolzen werden und kontinuierlich in flüssiger Form der Badschmelze zuführbar sind. Der Legierungsofen ist hierbei in die Produktions­ linie integriert, die von der Schmelze kontinuierlich durch­ laufen wird.

Wie bereits vorstehend erwähnt, wird bevorzugt mit selbstver­ zehrenden Lichtbogenelektroden gearbeitet, die zumindest teil­ weise aus den metallischen Legierungszuschlägen bestehen. Falls erforderlich, werden Badreaktionen mit der Ofenatmosphäre im Bereich des Legierungsofens durch eine in die Badschmelze ragende Schutzwand, welche die Lichtbogenelektroden umgibt, wirksam verhindert. Der durch die Schutzwand gebildete abge­ schlossene Raum ist nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung mit Schutzgas spülbar und verfügt demgemäß über ent­ sprechende Zuführungsleitungen mit Druck- und Dosierventilen.

Der im Rahmen einer durchgehenden Produktionslinie hinter dem Legierungsofen folgende Homogenisierungsofen ist bevorzugt ein Induktionsofen mit Rinnenkanälen, durch die die gemeinsame Mischung aus dem Basismetall und den Legierungszuschlägen zwangsführbar ist und der sich die kontinuierlich arbeitende Gießvorrichtung, die vorzugsweise eine Stranggießvorrichtung ist, anschließt.

Die beschriebene Vorrichtung ist als einheitliche Ofenanlage konzipiert, bei der das aus einem Schmelzofen zugeführte flüs­ sige Basismetall kontinuierlich hineinfließt, die metallischen Legierungszuschläge in flüssiger Form aufnimmt und die hierbei entstehende zunächst inhomogene Mischung zwangsweise in Rinnen­ kanäle eines Induktionsofens strömt, in denen eine intensive Durchmischung stattfindet. Soweit je nach dem Reinheitsgrad der Basislegierung und den metallischen Zuschlägen noch weitere Maßnahmen, wie eine Homogenisierung von Temperatur und Zusam­ mensetzung, Entkohlungen, Entschwefelungen, eine Entphosphorung, Entfernungen von Spurenelementen, eine Entgasung bzw. eine Desoxidation oder sonstige Legierungsoptimierungen erforderlich sind, werden diese in einer weiteren Homogenisierungskammer in nach dem Stand der Technik bekannter Weise vorgenommen, bevor die optimierte Schmelze in die Kokille der Stranggießanlage fließt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet somit konti­ nuierlich im Durchlauf in erheblich kürzeren Zeiträumen bzw. mit einem deutlich gesteigerten Durchsatz.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dar­ gestellt, die eine schematische Querschnittsansicht zeigt.

Das von einem nicht dargestellten Schmelzofen kontinuierlich in Richtung des Pfeiles zugeführte flüssige Basismetall (siehe Pfeil 1) fließt eine Legierungskammer 2 unter Bildung eines Bades mit einem Badspiegel 3. Umrahmt von einem Schutzrohr 4, das unterhalb des genannten Badspiegels 3 endet, befindet sich eine selbstverzehrende Elektrode 5 eines Lichtbogens, der über die mit 6 bezeichnete Energiezufuhr gesteuert wird. Der gezün­ dete Lichtbogen 7 ist auf die Badoberfläche 3 gerichtet und dient sowohl zur Erwärmung des Bades als auch zur Steuerung der Zugabe der metallischen Zuschläge in flüssiger Form, die von der selbstverzehrenden Elektrode tropfenweise abfallen. Über geeignete Nachführeinrichtungen wird die Elektrode 5 in Rich­ tung des Pfeiles 8 nachgeschoben, so daß der Lichtbogen mit konstanter Höhe brennt. Durch das Schutzrohr 4 entsteht ein abgeschlossener Raum, der über eine Zuführleitung 9 mit Schutz­ gas, z. B. Argon, gespült werden kann. Die noch inhomogene Mischung aus dem Basismetall und den flüssigen metallischen Zuschlägen fließt durch Induktorkanäle 10, bevor die Mischung in eine Homogenisierungskammer 11 gelangt, in der abschließende Behandlungen, wie Desoxidationen, Entgasungen etc., durchge­ führt werden können. Von der Homogenisierungskammer 11 gelangt die fertiggestellte Legierungsmischung in die Gießkammer 12, von wo aus sie kontinuierlich über den Auslaß 13 in eine Stranggießanlage abgegeben wird. Die Rinnenkanäle 10 liegen stets unterhalb der Badoberfläche 3. Ebenso werden die Homoge­ nisierungskammer 11 und die Gießkammer 12 durch eine unterhalb der Badoberfläche 3 endende Wand 14 voneinander getrennt. Die dargestellte Vorrichtung stellt eine kompakte, im kontinuierli­ chen Durchlauf bei kurzen Durchlaufzeiten betreibbare Anlage dar, mit der eine optimale Legierungseinstellung möglich ist.

Claims (10)

1. Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Metall- Legierungen, wobei einem flüssigen Basismetall gewünschte metallische Legierungszuschläge aus mindestens einem wei­ teren Metall oder aus einer Vorlegierung zugeführt, zu einer homogenen Schmelze vermischt, ggf. reduziert und abschließend vergossen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Legierungszuschläge in einem Lichtbo­ gen erschmolzen und in flüssiger Form dem Basismetall zugegeben werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine selbstverzehrende Lichtbogenelektrode (5), die selbst zumindest teilweise aus den metallischen Legierungszu­ schlägen besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Legierungszuschläge in einem Lichtbo­ gen (7) unter einer Schutzgasatmosphäre, insbesondere aus Stickstoff oder Argon erschmolzen werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame flüssige Mischung aus dem Basismetall und den metallischen Legierungszuschlägen Rinnenkanälen (10) eines Induktionsofens zur Homogenisie­ rung zugeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die homogenisierte Mischung einer Reduktionsbehandlung und/oder Entgasung unterzogen wird, bevor die Schmelze kontinuierlich über eine Gießkam­ mer (12) in eine Kokille einer Stranggießanlage überführt wird.

6. Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von Metall- Legierungen, mit einem Schmelzofen für das Basismetall, einem Legierungsofen (2) mit einer Zuführung der metalli­ schen Legierungszuschläge, einer Homogenisierungskam­ mer (11) sowie einer Gießvorrichtung (12), dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Legierungsofen ein Lichtbogenofen (2) ist, in dem oberhalb der Badschmelze die metallischen Legierungszuschläge erschmolzen und kontinuierlich in flüssiger Form der Badschmelze zuführbar sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtbogenelektrode(n) (5) selbstverzehrend ist/sind und zumindest teilweise aus den Legierungszuschlägen besteht/bestehen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtbogenelektroden (5) von einer in die Badschmelze ragenden Schutzwand (4) umgeben sind, die einen abgeschlossenen Raum bildet.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der abgeschlossene Raum mit Schutzgas spülbar ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, gekennzeich­ net durch einen Induktionsofen mit Rinnenkanälen (10), durch die die gemeinsame Mischung aus dem Basismetall und den Legierungszuschlägen zwangsführbar ist, und dem die kontinuierlich arbeitende Gießvorrichtung, vorzugsweise Stranggießvorrichtung nachgeschaltet ist.