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Rührer für die metallurgische Behandlung von flüssigem Metall, insbesondere
für die Entschwefelung von Roheisen Die Erfindung betrifft einen Rührer für die
metallurgische Behandlung von flüssigem Metall, insbesondere für die Entschwefelung
von Roheisen. Ein solcher Rührer ist in die Schmelze eintauchbar und drehangetrieben.
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Die metallurgische Behandlung von flüssigem Metall reicht vom Entschwefeln,
Entsilizieren, also Reinigen des Metalls von unerwünschten Begleitern bis zum Aufkohlen
und Zugeben von Legierungselementen, um eine gewünschte Analyse der einzelnen Stoffe
nach Menge und Verteilung herbeizuführen.
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Der Stoffübergang von der einen zur anderen Phase spielt sich in einer
großen Anzahl der Fälle zwischen flüssigem Metall und Schlacke ab. Es ist möglich,
den Phasenkontakt auf dreierlei Arten herzustellen. Man unterscheidet den Phasenkontakt
ohne Relativbewegung der Phasen gegeneinander und den Kontakt mit Relativbewegung.
Der erste Fall entspricht einem permanenten Phasenkontakt oder dem Gleichstrom ohne
Voreilung. Im zweiten Fall kann eine Relativbewegung transitorisch sowie umgekehrt
transitorisch ablaufen und weiterhin im dritten Fall im Gegenstromverfahren ausgeübt
werden. Bei allen Phasenverschiebungen findet optimaler Stoffaustausch nur bei bestimmten
Temperauren, einer bestimmten Zusammensetzung der Schlacke (Basengrad) und in Abhängigkeit
der Gehalte an Legierungselementen statt. Die mechanischen Rührmittel steigern die
Neigung zum Stoffaustausch, weil unterschiedliche Strömungen von Metall und Schlacke
die Kontaktflächen und Kontaktzeiten beeinflussen.
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Je nach Eigenheit eines Rührers finden entsprechende Vorzwänge statt.
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Es ist ein Rührer bekannt, der aus einem rotierenden zentralen Rohr
und einem pumpenartigen Kopf besteht.
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Die Pumpe wird durch ein Ansaugrohr und mindestens ein über dem Ansaugrohr
seitlich angeordnetes, horizontales Auslaufrohr gebildet. Naturgemäß arbeitet die
Rührpumpe im Flüssigmetall. Sie ist innen und außen von Metall gleichmäßig umspült
und daher gleichmäßig wärmebeansprucht.
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Die Pumpwirkung beruht auf der Zentrifugalkraft des aus dem Auslaufrohr
bei jeder Umdrehung geschleuderten Metalls. Je nach Umlaufgeschwindigkeit strömt
das Metall verschieden weit nach außen. Im allgemeinen findet die Metallbehandlung
in runden Gefäßen wie zum Beispiel in Gießpfannen statt. Es entsteht unter dem Badspiegel
eine ringförmige Druckwelle, die nach außen gegen die Wandung des Gefäßes läuft
und sich nach unten und teilweise nach oben verzweigt. Die Pumpe fördert Metall
ohne Schwierigkeiten aus großer Tiefe in die oberen Bereiche des Schmelzbades und
wälzt das gesamte Schmelzbad in kurzer Zeit ein Mal um.
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Es ist auch möglich, die Arbeitstiefe der Auslaufrohre sehr gering
einzustellen, nämlich knapp bis unter die Oberfläche des Metallbades.
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Zur Behandlung von Metallschmelzen, zum Bespiel zur Herstellung von
Kugelgraphit-Gußeisen verwendet man auch balken- oder plattenförmige Rührer. Naturgemäß
bewirken diese hinter sich einen Sog und an der Stirnkante eine Druckwelle, die
mehr an der Oberfläche des Bades verläuft.
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Bei Plattenrührern ist die Wirkung in erheblichem Maß vom Verhältnis
ihrer Länge zum Durchmesser des Behandlungsgefäßes abhängig. Während die Tauchpumpe
große Mengen fördert und deshalb beim übergang von einem kleineren Gefäß auf ein
größeres nicht an Wert einbüßt, läßt die Wirkung des Platten-Rührers bei größeren
Gefäßen nach. Dle Stoßwelie tritt außerdem nur bei einer bestimmten Drehzahl auf.
Bei höherer Drehzahl tritt an die Ste11e der Stoßwelle eine verstärkte Mschwirkung
innerhalb es Metalls. Zu einem Bestwert der Stoßwelle gehört eine auf die jeweiligen
Pfanendurchmesser abgestimmte Rührerlänge.
Die Stoßwelle bis zum
Rand des Gefäßes wird durch die Rührpumpe in geringerem Umfang erzeugt. Die Rührpumpe
wälzt daher eine größere Menge Flüssigmetall in den oberen Bereich, wo sich die
Schlackeschicht befindet.
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Demgegenüber fibt die Stoßwelle des Plattenrührers auf die Ausmauerung
des Gefäßes eine stärkere erodierende Wirkung aus. Besonders stark ist die Gefäßausmauerung
durch Verwendung aggressiver Schlacke beansprucht. Nachteilig ist auch, daß die
Stoßwelle das Behandlungsmittel, zum Beispiel Entschwefelungsmittel, zum Pfannenrand
spült und dasselbe nach dem Durchgang des Plattenrührers durch dessen Sog vom Rand
nach innen getrieben wird. Die zwischen den Phasen auftretenden Kontakte sind nur
schwierig definierbar und bestehen erzwungenermaßen aus einer unkontrollierten Mischung
relativer, transitorischer und anteilmäßigaich im Gegenstrom verlaufender Phasenverschiebungen.
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Eine'besondere Schwierigkeit entsteht beim Plattenrührer, wenn Rührerlänge
und Rührerdrehzahl nicht zum Pfannendurchmesser passend gewählt sind oder wegcrwechselnder
Pfannendurchmesser nicht angepaßt gewählt werden können. Alle Rührerarten sind außerdem
einer großen Beanspruchung durch die Wärme und das spezifische Gewicht des Metalles
ausgesetzt, so daß das Problem der Haltbarkeit die Wirtschaftlichkeit in Frage stellt.
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Die metallurgische Wirksamkeit des Rührens mit dem einen oder dem
anderen Rührer schließt eine Verbesserungsfähigkeit nicht aus. Im Hinblick auf die
Schwierigkeit, die wirkliche Größe der Reaktionsflächen zwischen den Phasen zu ermitteln,
ist eine Änderung der bisherigen Wirkungsweise ebenfalls, zweckmäßig.
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Die vorliegende Erfindung verfolgt als Ziel die Verbesserung der metallurgischen
Wirkung und der mechanischen Eigenschaften beider bekannter Rührerarten.
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Die Lösung der gestellten Aufgabe liegt in einer Kombination beider
bekannter Rührer und ist gekennzeichnet durch einen außen prismatischen und innen
hohlen, mit unten vorgesehenem Ansaugkanal und seitlich mündenden, schräg nach oben
gerichteten Ausstoßkanälen ausgestatteten Preßkörper aus einer plastisch verformbaren,
durch Erhitzen härtbaren Keramikmasse.
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Dessen Wirkung weicht überraschenderweise von jeder Wirkung der bekannten
Rührer ab. Der neue Rührer mischt mit seiner prismatischen Außenform die Schlacke
um und pumpt gleichzeitig Flüssigmetall zwischen Schlacketeile. Dadurch wird eine
bisher zwar angestrebte jedoch nicht erreichte Verteilung des Flüssigmetalls in
Tropfenform zustandegebracht. Die Verteilung der Schlacke in Tropfen oder kleinen
Mengen führt zu einem wesentlich verbesserten Verhältnis der Berührungsfläche zwischen
Metall und Schlacke zur Metallmenge. Dieses Verhältnis Fläche/Menge ist bedeutsamer
für den metallurgischen Stoffaustausch als ein einfaches, mechanisches Rühren. Es
ist daher besonders vorteilhaft, die Wirkung der Pumpe und der großen Fördermenge
zum Verteilen der Schmelze in der Schlacke zu nutzen. Ein solcher Rührer ist aber
auch nicht mehr stark von dem Pfannen-Durchmesser abhängig. Bei großen Rührer-Drehzahlen
tritt ein erwünschtes Mischen des Flüssigmetalls in der Schlackenzone ein. Dadurch
steigt wiederum der Ausnutzungsgrad der Schlacke. Die Wirkung der Erfindung ist
aber auch nicht im höchsten Grad auf die erwähnte Stoßwelle abgestellt,und das Mauerwerk
der Gefäße unterliegt einer verminderten Beanspruchung.
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Erfindungswesentliche Vorteile ergeben sich für den Rührer selbst.
Die Herstellung und Haltbarkeit sind durch die kompaktere Form begünstigt. Alle
Wandstärken können dicker als bei einem Rohrrührer sein, ohne mehr Keramikmasse
verwenden zu müssen.
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Für große Mengen und dicke Schlackenschichten und auch zur Verteilung
der Schlacke auf dem Flüssigmetall ist es auch günstig, eine über die obere Austrittskante
der Ausstoßkanäle reichende Verlängerung der prismatischen Querschnittsform des
Rührers vorzusehen.
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Die Bewegung im Flüssigmetall bedarf eines möglichst geringen Strömungswiderstandes,
um Antriebsenergie zu sparen und eine Abnützung des Rührers zu vermindern. Der Rührer
ist deshalb mit zwischen den seitlichen und der unteren Mündung der Kanäle verlaufenden
Abschrägungen versehen.
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Die Haltbarkeit des Rührers während des Betriebes und während der
Herstellung wird ferner verbessert durch die Kanäle umgebende, endlos geführte,
in die Keramikpreßform einlegbare Kühlrohre mit in die Antriebswelle geführten Anschlüssen
für Kühlluft, Kühlwasser oder dergleichen.
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Die Herstellung des Rührers erfolgt mit einer besonders wirkungsvollen
Maßnahme zur Formung der plastischen Keramikmasse. In die Keramikpreßform als Kerne
einlegbare, die Kanäle bildende Metallrohre werden einfach während des Brennens
des Rührers im Brennofen belassen und auch später vor dem ersten Einsatz nicht entfernt.
Das Flüssigmetall schmilzt diese Rohre weg.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch
dargestellt und im folgenden näher erläutert.
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Figur 1 zeigt den Rührer im Einsatz in einer Gießpfanne von der Seite
her, Figur 2 ist die zu Figur 1 gehörende Stirnansicht des Rührers, ebenfalls während
des Betriebsvorganges, Figur 3 stellt einen waagerechten Schnitt durch den größer
gezeichneten Rührer in Höhe der Ausstoßkanäle dar, Figur 4 bildet einen senkrechten
Schnitt durch den vergrößert gezeichneten Rührer mit allen Einzelheiten seines Aufbaues.
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In Figur 1 ist eine in Stahlwerken übliche Gießpfanne 1 mit einer
Ausmauerung 2 dargestellt. Sie ist mit Roheisen 3 gefüllt, auf dem eine Schlackenschicht
4 schwimmt. In beide Phasen (Roheisen und Schlacke) taucht der Rührer 5 ein. Dieser
ist
mittels eines weiter nicht gezeigten Antriebsmotors in eine durch den Pfeil 6 angedeutete
Drehbewegung um die Achse 7 versetzbar. Die Gießpfanne 1 kann auch durch einen nicht
dargestellten Deckel am oberen Pfannenrand 8 gegen Wärmeverluste geschützt werden.
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Der Rührkörper 5 besitzt von der Seite (Figur 1) betrachtet Rechteckform
9. Diese ist nur durch die Abschrägungen 10 zwischen den Mündungen 11 und 12 des
Ansaugkanals 13 und der Ausstoßkanäle 14 korrigiert. Die Kanäle 13 und 14 können
geradlinig oder gebogen ausgeführt sein. Es ist jedoch darauf zu achten, daß die
obere Austrittskante 15 etwa unterhalb der Unterseite 16 der Schlackenschicht 4
zu liegen kommt. Die Austrittskante 15 kann jedoch auch in der Schlackenschicht
4 oder knapp darüber liegen. Je nach Drehzahl des Rührers bzw.
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nach dem Durchmesser der Gießpfanne 1 wird der Rührer 5 auf die richtige
Höhe eingestellt.
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Gemäß Figur 2 besitzt der Rührer 5 prismatische Form 17. Das verhindert
jedoch nicht, daß der Ansaugkanal 13 als kurzes Rohrstück ausgeführt werden könnte.
In den tieferen Bereichen des Roheisens 3 bedarf es keiner Rührwirkung, weil die
Pumpwirkung der Kanäle 13 und 14 genügt.
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Die Figuren 3 und 4 zeigen den genauen Aufbau des Rührers 5.
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Die Keramikmasse 18 wird zur Herstellung des Rührers bei 200 (plastischer
Zustand) in eine Form gebracht, die der prismatischen Form 17 bzw. der Rechteckform
9 entspricht.
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Zuvor wurde ein Skelett aus den Kühlrohren 19, dem Antriebsrohr 20,
dem Kühlmittelführungsrohr 21, den Ringrippen 22 und dem Schraubflansch 23 gebildet
und in die nicht gezeigte Preßform eingelegt. Ebenfalls vor dem Einbringen der Keramikmasse
18 wurden die Medilrohre 24,25 und 26 als Kern in die Preßform gebracht. I)le Keramikmasse
18 umschließt in plastischem oder flüssigem Zustand alle eingelegten Teile und erhärtet
bei normaler lemperatur so weit, daß der gesamte Rührer aus der Preßform in einen
Brennofen gebracht werden kann. Die eingelegten Teile stützen während des gatlzen
Herstellungsvorganges die Keramikmasse 18. Die prismatische
Querschnittsform
17 kann je nach Höhe des Rührers 5 eine durch die eingelegten Kühlrohre 19 gestützte
Verlängerung 27 erhalten wie dies die vorgesehene Dicke der Schlackenschicht 4 erfordert.
Die Kühlrohre 19 sind dick ausgezogen gezeichnet, so daß der Fachmann aus den Figuren
3 und 4 ohne weiteres die Formgebung entnehmen kann. An dem Antriebsrohr 20 und
dem Kühlmittelführungsrohr 21 weisen die Enden der Kühlrohre 19 Anschlüsse 28 bzw.
29 auf. Der Kühlmittelstrom verläuft durch die Offnung 30, den Ringraum 31, die
Anschlüsse 28, die Rohre 19 zurück zu den Anschlüssen 29 und von dort durch cis
Innere 32 des Kühlmittelführungsrohres 21 durch den Schraubflansch 23 zu einem weiter
nicht gezeigten Rohranschluß. An den mit der Zahl 33 bezeichneten Stellen sind die
Kühlrohre 19 aneinandergeschweißt.
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In Betracht gezogene Druckschriften: 1) schwedische Patentschrift
Nr. 144 093 2) deutsche Patentschrift Nr. 750 404 3) deutsche Patentschrift Nr.
1 190 479 4) Aufsatz "Die Nachentschwefelung von kohlenstoffreichem Eisen mit einer
Rührvorrichtung" aus "Stahl und Eisen 88 (1968) Nr. 7 4.April, Seiten 321 ff.