DE202007013385U1

DE202007013385U1 - Rotierende Rührvorrichtung für schmelzflüssiges Metall

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Publication number: DE202007013385U1
Application number: DE202007013385U
Authority: DE
Original assignee: Foseco International Ltd
Current assignee: Foseco International Ltd
Priority date: 2007-07-05
Filing date: 2007-09-25
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2017-09-26
Also published as: BRPI0813524A2; EA016954B1; CN101730828A; DE602007003586D1; ATE450767T1; JP2010532427A; PT2017560E; CA2691591C; JP5351150B2; AU2008270072A1; WO2009004283A9; CA2691591A1; AU2008270072B2; SI2017560T1; CN101730828B; ES2337515T3; US20100101371A1; EP2017560B1; RS51225B; EA201070103A1

Abstract

Rotierende Vorrichtung zur Behandlung von schmelzflüssigem Metall, mit einer Hohlwelle (30, 176, 180), an deren einem Ende sich ein Rotor (40, 174) befindet, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (40, 174)
ein Dach (42) und einen Boden (44) aufweist, die voneinander beabstandet und durch eine Mehrzahl von Unterteilungen (50) miteinander verbunden sind,
einen Durchgang (52) zwischen jedem benachbarten Paar der Unterteilungen (50) sowie dem Dach (42) und dem Boden (44) aufweist, wobei jeder Durchgang (52) einen Einlaß (54) in einer inneren Oberfläche des Rotors (40, 174) und einen Auslass (56) in einer peripheren Oberfläche des Rotors (40, 174) hat sowie jeder Auslass (56) eine größere Querschnittsfläche als der jeweilige Einlass (54) aufweist und von dort aus radial nach außen angeordnet ist,
einen Strömungsweg aufweist, der durch die Hohlwelle (30, 176, 180) in die Einlässe (54) der Durchgänge (52) und aus den Auslässen (56) heraus führt, und...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine rotierende Rührvorrichtung zur Behandlung eines schmelzflüssigen Metalls und auf eine Metallbehandlungsanlage, die eine derartige Vorrichtung umfaßt.
Es ist wohlbekannt, dass schmelzflüssiges Metall, insbesondere schmelzflüssige Nichteisenmetalle, wie z. B. Aluminiumlegierungen, vor dem Gießen behandelt werden müssen, typischerweise durch eines oder mehrere der folgenden Verfahren:

i) Entgasen – Die Gegenwart von gelöstem Gas in schmelzflüssigem Metall kann Mängel in das erstarrte Produkt einbringen und möglicherweise seine mechanischen Eigenschaften reduzieren. Beispielsweise werden Mängel in aus Aluminium oder seinen Legierungen hergestellte Gussteile und Schmiedeprodukte eingebracht. Wasserstoff hat eine hohe Löslichkeit in flüssigem Aluminium, die mit der Temperatur der Schmelze zunimmt; die Löslichkeit in festem Aluminium ist aber sehr gering, so dass – bei erstarrendem Aluminium – Wasserstoffgas ausgestoßen wird und dadurch Gasporen im Gussteil verursacht werden. Die Erstarrungsgeschwindigkeit beeinflusst die Menge und Größe der Blasen, und bei bestimmten Anwendungen kann die Nadelstichporosität ernsthaft die mechanische Festigkeit und die Druckdichtheit des Metallgussteils beeinträchtigen. Außerdem kann Gas in Hohlräume und Lockerstellen (z. B. Oxideinschlüsse) diffundieren, was in Blasenbildung während der Produktion von Platten, Blechen und Bändern aus Aluminiumlegierung resultieren kann.
ii) Kornfeinen – Mechanische Eigenschaften des Gussteils können durch Steuern der Korngröße des erstarrenden Metalls verbessert werden. Die Korngröße einer Gusslegierung hängt von der Anzahl der vorhandenen Kerne im flüssigen Metall, wenn es zu erstarren beginnt, und von der Abkühlgeschwindigkeit ab. Eine höhere Abkühlgeschwindigkeit fördert generell eine kleinere Korngröße, und die Zugabe bestimmter Elemente zur Schmelze kann Kerne für das Kornwachstum bereitstellen.
iii) Modifizieren – Das Mikrogefüge und die Eigenschaften von Legierungen können durch die Zugabe geringer Mengen bestimmter "modifizierender" Elemente, wie z. B. Natrium oder Strontium, verbessert werden. Modifikation erhöht die Wärmerissbeständigkeit und verbessert Legierungsbeschickungseigenschaften, wodurch die Schwindungsporosität verringert wird.
iv) Reinigen und Entziehen von Alkalien – Bestimmte Mengen von Alkalielementen können nachteilige Wirkungen auf Legierungseigenschaften haben und müssen deshalb entzogen/verringert werden. Die Gegenwart von Calcium in Gusslegierungen wirkt sich störend auf andere Verfahren, wie z. B. eine Modifikation, aus, wogegen Natrium eine schädliche Wirkung auf die duktilen Eigenschaften von Aluminium-Schmiedelegierungen hat. Die Gegenwart von nichtmetallischen Einschlüssen, wie z. B. Oxiden, Carbiden und Boriden, die im erstarrten Metall mitgerissen werden, beeinflusst nachteilig die physikalischen und mechanischen Eigenschaften des Metalls, und deshalb müssen sie entzogen werden.

Diese Maßnahmen können individuell oder zusammen anhand einer Vielzahl von Verfahren und Anlagen durchgeführt werden. Ein Ansatz bei der Zugabe von Metallbehandlungssubstanzen ist, sie direkt dem schmelzflüssigen Metall als Pulver, Granulat oder gekapselt in einer (Aluminium- oder Kupfer-)Metalldose zuzusetzen, während das schmelzflüssige Metall mechanisch gerührt wird, um eine wirksame Verteilung in der gesamten Schmelze zu gewährleisten. Als Partikel vorliegende Metallbehandlungsmittel können auch anhand einer Lanze eingebracht werden, wobei ein offener Ausfluss unter der Oberfläche des schmelzflüssigen Metalls platziert wird. Additive in Pulver- oder Granulatform werden dann unter Druck mit Hilfe eines Trägergases durch die Lanze injiziert. Die Lanze ist typischerweise ein Hohlrohr aus Graphit oder Siliciumcarbid mit einem dünnwandigen Stahleinsatzrohr, durch das die Additive und das Gas gelangen.
Das Entgasen von schmelzflüssigem Metall erfolgt typischerweise mittels einer rotierenden Entgasungsanlage ("REA") durch Spülen des schmelzflüssigen Metalls mit feinen Blasen eines trockenen Inertgases, wie z. B. Chlor, Argon, Stickstoff oder eines Gemisches davon. Häufig erfolgt dies mittels einer Hohlwelle, an der ein Rotor angebracht ist. Bei Verwendung werden die Welle und der Rotor gedreht und es wird Gas die Welle entlang geschickt und über den Rotor im schmelzflüssigen Metall dispergiert. Die Verwendung eines Rotors anstelle einer Lanze ist effizienter, weil dadurch viele sehr feine Blasen unten in der Schmelze entstehen. Diese Blasen steigen durch die Schmelze auf, und Wasserstoff diffundiert in sie hinein, bevor sie in die Atmosphäre ausgestoßen werden, wenn die Blasen die Oberfläche erreichen. Die aufsteigenden Blasen sammeln auch Einschlüsse und tragen sie zur Oberseite der Schmelze, wo sie abgeschöpft werden können.
Neben der Einbringung von Gas zum Entziehen von Wasserstoff (und Oxideinschlüssen) kann die rotierende Entgasungsanlage auch zur Injektion von Metallbehandlungssubstanzen (auch als Behandlungsmittel bekannt) zusammen mit dem Gas über die Welle in die Schmelze benutzt werden. Dieses Injektionsverfahren hat ähnliche Nachteile wie die Lanzeninjektion, weil die Metallbehandlungssubstanzen zum teilweisen Schmelzen in der Welle neigen und dabei Verstopfungen verursachen, insbesondere bei Verwendung von pulverförmigem Material. Die Einbringung und Verwendung von Granulat-Flussmittel baute viele dieser Schwierigkeiten ab, was auch für Veränderungen der Anlagenkonzeption gilt.
Ein diesbezügliches Beispiel für Anlagen sowohl zum Entgasen als auch zur Metallbehandlung ist die Metallbehandlungsstation (Metal Treatment Station, MTS), die unter demselben Handelsnamen von Foseco entwickelt wurde und verkauft wird. Die erste "MTS"-Anlage beinhaltete eine präzise Dosieranlage, um die Zugabe von Behandlungssubstanzen über die Welle und die anschließende Verteilung über den Rotor in der gesamten Schmelze zu ermöglichen.
Als Alternative zur Verwendung der Welle zur Einbringung der Metallbehandlungsmittel setzt eine spätere Ausrüstung (die von Foseco verkaufte Anlage "MTS 1500") die Behandlungssubstanzen direkt der Oberfläche der Schmelze statt über die Welle und den Rotor zu. Bei der Anlage MTS 1500 dient die Drehung von Rotor und Welle, innerhalb bestimmter Parameter, zur Bildung eines Wirbels um die Welle herum. Die Metallbehandlungsmittel werden dann in den Wirbel gegeben und schnell in der gesamten Schmelze dispergiert. Jegliche Turbulenz in der Schmelze führt zur Einbringung von Luft und folglich zur Entstehung von Oxiden im Metall. Deshalb wird der Wirbel nur für einen kurzen Teil des Behandlungszyklus benutzt, und sobald die Mischphase abgeschlossen ist, wird sie gestoppt (z. B. durch Anwendung eines Prallblechs). Ein effizienter Rotor erzeugt einen Wirbel und dispergiert die Behandlungsmittel so schnell wie möglich, um die Turbulenz in der Schmelze auf ein Minimum beschränkt zu halten. Anschließend erfolgt das Entgasen und Entfernen der Reaktionsprodukte aus der Schmelze. Die intensive Mischwirkung des anfänglichen Wirbels, auf den der Ruheteil des Zyklus folgt (z. B. nachdem das Prallblech herabgelassen wurde), führt zu effizienter Verwendung der Behandlungsmittel und optimaler Qualität der Schmelze.
Ein Beispiel für eine rotierende Vorrichtung zur Verwendung in einer rotierenden Entgasungsanlage entweder mit einem oder ohne einen zusätzlichen Verfahrensschritt, wie z. B. in einer Metallbehandlungsstation, ist der "XSR-Rotor" (vorbekannter Rotor 1), der in WO2004/057045 (die in ihrer Gesamtheit hierin als Referenz enthalten ist) beschrieben und in 1 dargestellt ist. Die rotierende Vorrichtung 2 umfaßt eine Welle 4, die ein Loch 4a aufweist, wodurch an einem Ende eine Verbindung mit einem Rotor 6 über ein rohrförmiges Verbindungsstück (nicht dargestellt) hergestellt wird. Der Rotor 6 ist generell scheibenförmig und umfaßt ein ringförmiges Oberteil (Dach 8) und davon beabstandet ein ringförmiges Unterteil (Boden 10). Eine offene Kammer 12 ist mittig im Boden 10 vorhanden und erstreckt sich aufwärts zum Dach 8. Dach 8 und Boden 10 sind durch vier Unterteilungen 14 verbunden, die sich auswärts von der Peripherie der Kammer 12 zur Peripherie des Rotors 6 erstrecken. Eine Kammer 16 liegt zwischen jedem Paar benachbarter Unterteilungen 14, dem Dach 8 und dem Boden 10. Die periphere Kante 8a des Daches 8 ist mit einer Mehrzahl (acht bei dieser Ausführungsform) von teilweise runden Aussparungen 18 versehen. Jede Aussparung 18 dient als zweiter Auslass für ihre jeweilige Kammer 16.
Ein weiterer vorbekannter Rotor ist der Rotor, der primär nur für das Entgasen von Vesuvius unter dem Handelsnamen Diamant^® (vorbekannter Rotor 2) verkauft wird und in 2 in Draufsicht dargestellt ist. Er ist generell scheibenförmig und umfaßt vier radiale Löcher 22, die gleichwinklig voneinander beabstandet um den Rotor 20 herum angeordnet sind. Jedes Loch 22 erstreckt sich von der inneren Oberfläche des Rotors 20 zu seiner peripheren Oberfläche 20a, wodurch ein Auslass 24 für das Gas bereitgestellt wird. Der Rotor hat vier Aussparungen 26, die sich von der peripheren Oberfläche 20a des Rotors nach innen erstrecken. Jede Aussparung 26 befindet sich an einem Auslass 24 und erstreckt sich über die gesamte Tiefe des Rotors 20 nach unten. Es gibt keine Kammer für das Mischen von Gas und schmelzflüssigem Metall. Bei Verwendung ist der Rotor an einer Hohlwelle (nicht dargestellt) angebracht.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte rotierende Vorrichtung und eine Metallbehandlungsanlage für das Entgasen und/oder für die Zugabe von Metallbehandlungsmitteln, die eine solche Vorrichtung umfaßt, bereitzustellen, die vorzugsweise einen oder mehrere der folgenden Vorteile gegenüber den bekannten Vorrichtungen bietet:

(i) Metallurgische Vorteile, wie z. B. schnelleres Entgasen und/oder schnelleres und/oder effektiveres Einmischen von Behandlungsmitteln;
(ii) wirtschaftliche Vorteile, wie z. B. höhere Haltbarkeit und Standzeit von Anlagen, gesenkte Behandlungskosten und weniger Abfall;
(iii) Gesundheits- und Sicherheitsvorteile, wie z. B. reduzierter Kontakt zwischen Behandlungssubstanzen und der Atmosphäre, was zu weniger Emissionen von Gaspartikeln führt;
(iv) Umweltvorteile, z. B. durch eine Reduktion der Menge erforderlicher Behandlungssubstanzen, geringeren Energieverbrauch wegen verkürzter Behandlungszeiten und weniger Abfall.

Der vorliegenden Erfindung zufolge wird eine rotierende Vorrichtung zur Behandlung von schmelzflüssigem Metall bereitgestellt, wobei besagte Vorrichtung eine Hohlwelle umfaßt, an deren einem Ende sich ein Rotor befindet, der Folgendes aufweist:
Ein Dach und einen Boden, die voneinander beabstandet und durch eine Mehrzahl von Unterteilungen verbunden sind;
einen Durchgang, der zwischen jedem benachbarten Paar Unterteilungen und dem Dach und Boden vorliegt, wobei jeder Durchgang einen Einlass in einer inneren Oberfläche des Rotors und einen Auslass in einer peripheren Oberfläche des Rotors aufweist, wobei jeder Auslass eine größere Querschnittsfläche als der jeweilige Einlass aufweist und von dort aus radial auswärts angeordnet ist;
einen Strömungsweg, der durch die Welle in die Einlässe der Durchgänge und aus den Auslässen heraus besteht; und
eine Kammer, in welcher das Mischen des schmelzflüssigen Metalls und Gases stattfinden kann, worin eine Mehrzahl von ersten Aussparungen im Dach und eine Mehrzahl von zweiten Aussparungen im Boden bereitgestellt sind, wobei jede der ersten und der zweiten Aussparungen an einen der Durchgänge angrenzt.
Überraschenderweise haben die Erfinder herausgefunden, dass die Kombination von einer Kammer, Auslässen mit einem größeren Querschnitt als die Einlässe und Aussparungen im Dach und Boden sowohl in verbessertem Entgasen als auch verbessertem Mischen von schmelzflüssigem Metall resultiert, so dass die Drehzahl verringert werden kann, während dieselbe Effizienz des Entgasens/Mischens beibehalten und dadurch die Standzeit der Welle und des Rotors verlängert wird, oder die Entgasungs-/Mischzeiten können effizienter bei derselben Rotordrehzahl erzielt werden, wodurch eine Möglichkeit zur Verkürzung der Behandlungszeit geboten wird.
In einer Ausführungsform wird der Rotor aus einem massiven Materialblock geformt, wobei das Dach und der Boden durch obere bzw. untere Regionen des Blocks, eine Zwischenregion des Blocks mit darin befindlichen Löchern/Schlitzen, welche die Durchgänge darstellen, und dadurch, dass jede Unterteilung von der Zwischenregion zwischen jedem Loch/Schlitz gebildet wird, dargestellt werden.
Vorzugsweise erstreckt sich jede erste Aussparung (im Dach) von der äußeren peripheren Oberfläche des Rotors nach innen, und in diesem Fall grenzt jede erste Aussparung an einen Auslass an. Vorzugsweise ist das Ausmaß jeder ersten Aussparung in der peripheren Oberfläche nicht mehr als und vorzugsweise weniger als das des entsprechenden Auslasses. Günstig ist dabei, dass jede erste Aussparung teilweise rund ist, und die ersten Aussparungen sind vorzugsweise symmetrisch um den Rotor herum angeordnet. Selbstverständlich ist jedoch, dass die ersten Aussparungen jede beliebige Form aufweisen können und dass eine oder mehrere der ersten Aussparungen alternativ durch ein Loch (beliebiger Form) durch das Dach in einen der Durchgänge hinein dargestellt sein können.
Die ersten Aussparungen können von der Größe und/oder Form her identisch oder verschieden sein. Vorzugsweise weisen alle der ersten Aussparungen jedoch dieselbe Größe und Form auf.
Vorzugsweise ist jede zweite Aussparung (im Boden) eine Aussparung, die sich von der äußeren peripheren Oberfläche des Bodens nach innen erstreckt. Günstig ist dabei, dass jede zweite Aussparung teilweise rund ist, und die zweiten Aussparungen sind vorzugsweise symmetrisch um den Rotor herum angeordnet. Selbstverständlich ist jedoch, dass die zweiten Aussparungen jede beliebige Form aufweisen können und dass eine oder mehrere der zweiten Aussparungen alternativ durch ein Loch (beliebiger Form) durch den Boden in einen der Durchgänge hinein dargestellt sein können.
Jede der zweiten Aussparungen kann von der Größe und/oder Form her identisch oder verschieden sein. Vorzugsweise weist jede der zweiten Aussparungen dieselbe Größe und Form auf.
Die zweiten Aussparungen können von der Größe und/oder Form her mit den ersten Aussparungen identisch oder von der Größe und/oder Form her unterschiedlich sein. Vorzugsweise weisen alle der ersten und der zweiten Aussparungen dieselbe Größe und Form auf.
Die Anzahl der ersten Aussparungen kann bezüglich der Anzahl der zweiten Aussparungen größer, kleiner oder gleich sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Anzahl der ersten Aussparungen gleich der Anzahl der zweiten Aussparungen.
Der Rotor kann vorzugsweise drei, vier oder fünf Durchgänge (von drei, vier oder fünf Unterteilungen gebildet) aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform hat der Rotor vier Durchgänge.
Vorzugsweise hat der Rotor mindestens einen Auslass und mindestens je eine erste und eine zweite Aussparung pro Durchgang. Der Rotor kann einen Auslass, zwei erste Aussparungen und zwei zweite Aussparungen pro Durchgang aufweisen. Noch besser hat der Rotor nur einen Auslass pro Durchgang und je eine erste und eine zweite Aussparung.
Vorzugsweise ist jede erste Aussparung in einem Durchgang mindestens teilweise und noch besser vollständig auf eine entsprechende zweite Aussparung ausgerichtet (d. h., bei Betrachtung entlang der Wellenachse hin zum Rotor ist jede erste Aussparung direkt über der entsprechenden zweiten Aussparung angeordnet).
In einer Reihe von Ausführungsformen erstrecken sich die ersten und/oder zweiten Aussparungen nicht weiter als über 50%, vorzugsweise nicht weiter als über 40%, des Radius des Rotors nach innen. In einigen Ausführungsformen erstrecken sich die ersten und/oder zweiten Aussparungen über nicht weniger als 10%, vorzugsweise über nicht weniger als 20%, des Radius des Rotors nach innen. Dies ist ein besonders nützlicher Parameter, wenn die Aussparungen darin resultieren, dass der Teil (Bogen) der entfernten peripheren Oberfläche des Rotors (Dach oder Boden) gerade, teilweise rund oder bogenförmig in einer zur Wellenachse orthogonalen Ebene ist. Vorzugsweise ist der Teil (Bogen) der entfernten peripheren Oberfläche des Rotors (Dach oder Boden) teilweise rund.
In einer zweiten Reihe von Ausführungsformen, in denen die periphere Oberfläche des Rotors in einer zur Wellenachse orthogonalen Ebene im Wesentlichen ein Kreis ist, beträgt das Verhältnis der Länge des Bogens des Kreisumfangs (entfernt im Dach durch die erste Aussparung oder die ersten Aussparungen oder entfernt im Boden durch die zweite Aussparung oder die zweiten Aussparungen angrenzend an einen gegebenen Durchgang, multipliziert mit der Anzahl der Durchgänge) zum Umfang des Kreises mindestens 0,2, vorzugsweise mindestens 0,3, noch besser mindestens 0,5 und am besten mindestens 0,6. Vorzugsweise ist das Verhältnis nicht mehr als 0,9. Deshalb ist zu verstehen, dass, wo es mehr als eine erste oder zweite Aussparung angrenzend an einen gegebenen Durchgang gibt, das relevante Verhältnis die gesamte Bogenlänge des Kreisumfangs im Dach oder Boden, entfernt durch alle ersten oder zweiten Aussparungen angrenzend an einen gegebenen Durchgang, multipliziert mit der Anzahl der Durchgänge, auf den Umfang des Kreises bezogen ist.
Der Rotor ist mit einer Kammer versehen, in welcher das Mischen von schmelzflüssigem Metall und Gas stattfinden kann. Vorzugsweise ist die Kammer radial einwärts von den Einlässen angeordnet, hat vorzugsweise eine Öffnung im Boden des Rotors und liegt im Strömungsweg zwischen der Welle und den Einlässen, so dass bei Verwendung bei sich drehender Vorrichtung schmelzflüssiges Metall in die Kammer durch den Boden des Rotors gesaugt wird, wo es mit Gas gemischt wird, das in die Kammer aus der Welle gelangt, woraufhin die Metall/Gas-Dispersion in die Durchgänge durch die Einlässe gepumpt wird, vor dem Austrag aus dem Rotor durch die Auslässe.
Vorzugsweise werden die Welle und der Rotor separat hergestellt, wobei die beiden durch lösbare Befestigungsmöglichkeiten miteinander verbunden sind. Die Welle kann direkt mit dem Rotor verbunden sein (z. B. durch Bereitstellung von Anschraubgewinden jeweils an Welle und Rotor), oder indirekt, z. B. über ein rohrförmiges Verbindungsstück mit Gewinde.
Der Rotor wird vorteilhaft aus einem massiven Materialblock (vorzugsweise Graphit) hergestellt, wobei die Durchgänge vorteilhaft durch einen Fräsvorgang gebildet werden. Der Rotor kann auch durch isostatisches Pressen oder Gießen aus einem geeigneten Werkstoff (z. B. Aluminiumoxid-Graphit) in die gewünschte Form gebracht (gegebenenfalls durch Bearbeitung einer Near-Net-Shape zur Erzielung der Endabmessungen) und anschließendes Brennen zur Bildung des Endprodukts hergestellt werden.
Zum Vermeiden von Zweifeln sollte klargemacht werden, dass die Erfindung auch im Rotor per se und in einer Metallbehandlungsanlage zum Entgasen (REA) und/oder zur Zugabe von Metallbehandlungssubstanzen (z. B. einer MTS-Anlage), welche die rotierende Vorrichtung der Erfindung umfaßt, besteht.
Die vorliegende Erfindung wird in einem Verfahren zur Behandlung von schmelzflüssigem Metall angewandt, das die folgenden Schritte umfaßt:

(i) Eintauchen des Rotors und eines Teils der Welle der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung in das zu behandelnde schmelzflüssige Metall,
(ii) Drehen der Welle, und
(iii) Durchleiten von Gas und/oder einer oder mehrerer Behandlungssubstanz(en) durch die Welle und in das schmelzflüssige Metall über den Rotor und/oder Einführen einer oder mehrerer Behandlungssubstanz(en) direkt in das schmelzflüssige Metall, um so das Metall zu behandeln.

Die Art des schmelzflüssigen Metalls ist nicht eingeschränkt. Zu den bevorzugten Metallen für die Behandlung zählen jedoch Aluminium und seine Legierungen (darunter siliciumarme Legierungen (4–6% Si), z. B. ES-Legierung LM4 (Al-Si5Cu3); Legierungen mit mittlerem Siliciumgehalt (7,5–9,5% Si), Z. B. ES-Legierung LM25 (Al-Si7Mg); eutektische Legierungen (10–13% Si), z. B. ES-Legierung LM6 (Al-Si12); hypereutektische Legierungen (> 16% Si), z. B. ES-Legierung LM30 (Al-Si17Cu4Mg); Aluminium-Magne sium-Legierungen, z. B. ES-Legierung (Al-Mg5Si1; Al-Mg6)), Magnesium und seine Legierungen (z. B. ES-Legierung AZ91 (8,0–9,5% Al) und ES-Legierung AZ81 (7,5–9,0% Al)) und Kupfer und seine Legierungen (darunter hochleitfähige Kupfersorten, Messingsorten, Zinnbronzen, Phosphorbronzen, Bleibronzen, Rotguss-Sorten, Aluminiumbronzen und Kupfer-Nickel-Sorten).
Vorzugsweise ist das Gas ein Inertgas (wie z. B. Argon oder Stickstoff) und noch besser trocken. Gase, die nicht traditionell als inert angesehen werden, aber keine schädliche Wirkung auf das Metall haben, können ebenfalls benutzt werden, z. B. Chlor, oder ein chlorierter Kohlenwasserstoff. Das Gas kann ein Gemisch von zwei oder mehr der vorgenannten Gase sein. Beim Abwägen von Kosten und Inertheit des Gases wird trockener Stickstoff bevorzugt. Das Verfahren ist besonders nützlich für das Entziehen von Wasserstoffgas aus schmelzflüssigem Aluminium.
Es ist klar, dass bei jedem gegebenen Rotor die Effizienz des Entgasens von der Drehzahl, Gasströmungsgeschwindigkeit und Behandlungszeit bestimmt wird. Eine bevorzugte Drehzahl ist 550 U/min oder weniger und noch besser 400 U/min oder weniger, am besten etwa 350 U/min.
Wenn ein Entgasen mit dem Zusatz von Behandlungssubstanzen (auch als Behandlungsmittel bekannt) kombiniert wird, können derartige Behandlungssubstanzen vor dem Entgasen in die Schmelze eingebracht werden, während der anfänglichen Entgasungsphase zusammen mit dem inerten Spülgas oder nach der Entgasungsphase. Die Behandlung ist dann eine kombinierte Entgasung/Kornfeinung und/oder Modifikation und/oder reinigende/abhebende Behandlung. Ob in Verbindung mit dem Entgasen oder sonstwie benutzt, kann die Behandlungssubstanz reinigend/abhebend, kornfeinend, modifizierend oder eine diesbezügliche Kombination sein (oft als "Flußmittel" bezeichnet). Diese Flussmittel können in verschiedenen Zustandsformen (z. B. als Pulver, Granulat, Tablette, Pellet usw.) und chemischen Formen (z. B. als anorganische Salze, Metall-Legierungen usw.) vorliegen. Chemische Flussmittel sind u. a. Gemische von Alkalimetall- und Erdalkalimetallhalogeniden für das Reinigen und das Abheben. Andere Flussmittel können Titan- und/oder Borlegierungen (z. B. AlTiB-Legierung) für die Kornfeinung und Natriumsalze oder Strontium (normalerweise als 5–10%ige Grundlegierung) zur Modifikation von Aluminium-Silicium-Legierungen sein. Derartige Verfahren sind per se dem Gießereifachmann wohlbekannt.
Die erforderliche Größe des Rotors, Drehzahl, Gasströmungsgeschwindigkeit und/oder Menge der Behandlungssubstanz werden allesamt von der jeweiligen durchgeführten Behandlung bestimmt, unter Berücksichtigung der behandelten Metallmasse, der optimalen Behandlungszeit und des Umstands, ob das Verfahren ein kontinuierliches oder diskontinuierliches Verfahren ist.
Ausführungsformen der Erfindung werden jetzt nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, wobei Folgendes gilt:
1 zeigt einen XSR-Rotor (vorbekannt).
2 zeigt eine Draufsicht eines Diamant^®-Rotors (vorbekannt).
3a zeigt eine Seitenansicht einer rotierenden Vorrichtung, die einen ersten Rotor im Einklang mit der Erfindung aufweist. 3b zeigt eine Draufsicht des Rotors von 3a.
4a und 4b zeigen eine Seitenansicht bzw. Draufsicht eines zweiten Rotors im Einklang mit der Erfindung.
5a und 5b zeigen eine Seitenansicht bzw. Draufsicht eines dritten Rotors im Einklang mit der Erfindung.
6a und 6b zeigen eine Seitenansicht bzw. Draufsicht eines vierten Rotors im Einklang mit der Erfindung.
7a und 7b zeigen eine Seitenansicht bzw. Draufsicht eines fünften Rotors im Einklang mit der Erfindung.
8a und 8b zeigen eine Seitenansicht bzw. Draufsicht eines sechsten Rotors im Einklang mit der Erfindung.
9a und 9b zeigen eine Seitenansicht bzw. Draufsicht eines siebten Rotors im Einklang mit der Erfindung.
10a und 10b zeigen eine Seitenansicht bzw. Draufsicht eines achten Rotors im Einklang mit der Erfindung.
11a und 11b zeigen eine Seitenansicht bzw. Draufsicht eines neunten Rotors im Einklang mit der Erfindung.
12a und 12b zeigen eine Seitenansicht bzw. Draufsicht eines zehnten Rotors im Einklang mit der Erfindung.
13a und 13b zeigen eine Seitenansicht bzw. Draufsicht eines elften Rotors im Einklang mit der Erfindung.
14a und 14b zeigen eine Seitenansicht bzw. Draufsicht eines zwölften Rotors im Einklang mit der Erfindung.
15 zeigt eine Schemadarstellung einer Metallbehandlungsanlage im Einklang mit der Erfindung.
16 und 18 bis 22 zeigen Graphen der Reduktion der Wasserstoffkonzentration einer Schmelze bei Verwendung rotierender Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung, vorbekannter rotierender Vorrichtungen und auch rotierender Vorrichtungen, die nicht im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegen.
17a und 17b zeigen eine Seitenansicht bzw. Draufsicht eines SPR-Rotors (vorbekannt).
Beispiel 1
Bezugnehmend auf 3a und 3b wird dort eine rotierende Vorrichtung zum Dispergieren von Gas und/oder anderen Behandlungssubstanzen in schmelzflüssigem Metall im Einklang mit der Erfindung in Draufsicht dargestellt. Die Vorrichtung umfaßt eine Welle 30 und einen lösbar hiermit verbundenen Rotor 40. Der Rotor 40 wird in Draufsicht in 3b gezeigt. Der Rotor 40 besteht aus Graphit in unitärer Bauweise. Der Rotor 40 ist generell scheibenförmig und umfaßt ein ringförmiges Oberteil (Dach 42) und davon beabstandet ein ringförmiges Unterteil (Boden 44). Es gibt eine durchgehende Gewindebohrung 46 im Dach 42, welche den Rotor 40 mit der Welle 30 über ein rohrförmiges Verbindungsstück mit Gewinde (nicht dargestellt) verbindet. Eine offene Kammer 48 ist mittig im Boden 44 des Rotors 40 vorhanden. Die Kammer 48 erstreckt sich aufwärts zum Dach 42 und ist kontinuierlich mit der durchgehenden Bohrung 46 im Dach 42 und der durchgehenden Bohrung 46 verbunden, wodurch ein kontinuierlicher Durchgang vertikal durch den Rotor 40 besteht. Die Kammer 48 erstreckt sich radial auswärts weiter als die durchgehende Bohrung 46. Das Dach 42 und der Boden 44 sind durch Unterteilungen 50 miteinander verbunden, welche gleichwinklig um den Rotor 40 voneinander beabstandet sowie zwischen Dach 42 und Boden 44 angeordnet sind. Die Unterteilungen 50 erstrecken sich auswärts von der Peripherie der Kammer 48 zur peripheren Oberfläche 40a des Rotors 40. Ein Durchgang 52 besteht zwischen jedem Paar benachbarter Unterteilungen 50, dem Dach 42 und dem Boden 44. Jeder Durchgang 52 hat einen Einlass 54 von der Kammer 48 und einen Auslass 56 auf der peripheren Oberfläche 40a des Rotors 40 in Form eines länglichen Schlitzes. Jeder Auslass 56 hat eine größere Querschnittsfläche als der ent sprechende Einlass 54. Die peripheren Oberflächen von Dach 42 und Boden 44 sind jeweils mit vier teilweise runden Aussparungen 58a, b (erste bzw. zweite Aussparungen) versehen. Es ist klar, dass ein kontinuierlicher Strömungsweg von der Quelle des Gases, durch das Loch der Welle 30 und das Verbindungsstück (nicht dargestellt), durch das Dach 42 des Rotors 40 in die Kammer 48, durch die Einlässe 54 in die Durchgänge 52 und aus dem Rotor 40 durch den Auslass 56 existiert.
Die Aussparungen 58a, b im Dach 42 und Boden 44 sind auf einander ausgerichtet, d. h. bei Betrachtung in 3b stimmen sie überein. Der Rotor 40 ist im Wesentlichen kreisförmig (basierend auf einem Kreis C) im Querschnitt (d. h. orthogonal zur Wellenachse). Jede der Aussparungen 58a, b erstreckt sich einwärts, und zwar über eine maximale Distanz z von den peripheren Oberflächen des Daches 42 und des Bodens 44. Wenn der Rotor 40 auf einem Kreis C mit einem Radius (r) von 110 mm basiert, dann ist z = 32,45 mm. Deshalb erstrecken sich die Aussparungen 58a, b einwärts über 29,5% des Radius des Rotors 40.
Jede der Aussparungen 58a im Dach erstreckt sich über die volle Distanz zwischen jedem Paar benachbarter Unterteilungen 50 und entfernt einen Bogen y des Kreises C (als Ausmaß der Aussparung in der peripheren Oberfläche bezeichnet). Der übrige Teil des Kreises C zwischen jedem Paar benachbarter Aussparungen 58a ist durch x gekennzeichnet. Da der Rotor 40 vier Aussparungen 58a im Dach 42 aufweist, hat der Gesamtumfang des Kreises C den Wert 4(x + y).
Deshalb ist das Verhältnis der Länge des Bogens des Kreisumfangs, entfernt von den ersten Aussparungen an grenzend an einen gegebenen Durchgang (y), multipliziert mit der Anzahl der Durchgänge (4), zum Umfang des Kreises (4(x + y)): y/(x + y)
Wenn der Rotor 40 auf einem Kreis C beruht, der einen Radius von 110 mm hat, ist x = 24,96 mm und y = 147,83 mm, und deshalb ist y/(x + y) gleich 0,856. In diesem Beispiel sind die Aussparungen im Dach und Boden ausgerichtet, daher gelten die vorstehend erhaltenen Werte gleichermaßen für den Boden und seine Aussparungen. Es ist verständlich, dass in anderen Ausführungsformen x und y und somit y/(x + y) für den Boden und das Dach verschieden sein können.
Beispiele 2 bis 6
Bezug nehmend auf 4a bis 8a und 4b bis 8b sind dort die Rotoren 60 (Beispiel 2), 70 (Beispiel 3), 80 (Beispiel 4), 90 (Beispiel 5) und 100 (Beispiel 6) zum Dispergieren von Gas und/oder anderen Behandlungssubstanzen in schmelzflüssigem Metall in Seitenansicht bzw. Draufsicht dargestellt. Die Rotoren 60, 70, 80, 90 und 100 sind identisch mit dem Rotor 40, davon abgesehen, dass die teilweise runden Aussparungen 62a, b, 72a, b, 82a, b, 92a, b bzw. 102a, b, die im Dach 42 und Boden 44 (das Bezugszeichen "a" wird für Aussparungen im Dach und das Bezugszeichen "b" für Aussparungen im Boden benutzt) angeordnet sind, bei jedem der Rotoren eine andere Größe und Form aufweisen.
Jede der Aussparungen 58, 62, 72 und 82 in den Rotoren 40, 60, 70 und 80 erstreckt sich über eine ähnliche Distanz (ähnliche z-Werte) einwärts von den peripheren Oberflächen des Daches 42 und Bodens 44, sie entfernen aber jeweils eine andere Bogenlänge (verschiedene y-Werte) vom Kreis C, auf welchem sie beruhen. Die Länge des Bogens (y), die bei jedem der Rotoren entfernt ist, nimmt in der Reihenfolge 40, 60, 70 und 80 ab.
Die Rotoren 90 und 100 haben teilweise runde Aussparungen 92 bzw. 102 im Dach 42 und Boden 44. Die Aussparungen 92, 102 erstrecken sich über eine ähnliche Distanz einwärts, weshalb die Rotoren 90 und 100 ähnliche z-Werte haben, sie entfernen aber verschiedene Bogenlängen y vom Kreis C, auf welchem sie beruhen. Die Aussparungen 92 entfernen einen Bogen y, der sich über die volle Distanz zwischen benachbarten Unterteilungen 50 erstreckt, wogegen die Aussparungen 102 einen kürzeren Bogen entfernen und dementsprechend einen kleineren y-Wert aufweisen.
Werte von x, y, und z für die Rotoren 40, 60, 70, 80, 90 100 mit einem Radius von 110 mm sind in nachstehender Tabelle 1 angegeben.
Tabelle 1
Beispiel 7
Bezugnehmend auf 9a und 9b ist dort ein Rotor 110 (Beispiel 7) zum Dispergieren von Gas und/oder anderen Behandlungssubstanzen in schmelzflüssigem Metall in Seitenansicht bzw. Draufsicht dargestellt. Der Rotor 110 besteht aus Graphit in unitärer Bauweise. Der Rotor 110 ist dem Rotor 40 ähnlich, mit einem Dach 42, einem Boden 44, einer durchgehenden Bohrung 46, einer Kammer 48, vier Unterteilungen 50, vier Durchgängen 52, vier Einlässen 54 und vier Auslassschlitzen 56, alle wie zuvor beschrieben. Der Rotor 110 hat Aussparungen 112a, b, angeordnet im Dach 42 bzw. Boden 44, und die Aussparungen 112a im Dach und die Aussparungen 112b im Boden sind aufeinander ausgerichtet (d. h. sie stimmen in der Draufsicht überein). Die Aussparungen 112 haben eine gerade Kante, und daher hat der Rotor 110 bei Betrachtung von oben das Aussehen eines Quadrats mit abgerundeten Kanten, obwohl er im Wesentlichen kreisförmig ist (basierend auf dem Kreis C). Die Aussparungen 112 erstrecken sich einwärts von den peripheren Oberflächen des Daches und Bodens über eine Distanz z und entfernen einen Bogen y vom Kreis C.
Beispiel 8
Bezugnehmend auf 10a und 10b ist dort ein Rotor 120 zum Dispergieren von Gas und/oder anderen Behandlungssubstanzen in schmelzflüssigem Metall in Seitenansicht bzw. Draufsicht dargestellt. Der Rotor 120 ist dem Rotor 110 ähnlich und hat gerade Aussparungen 122a, b, so dass er ebenfalls das Aussehen eines Quadrats mit abgerundeten Kanten hat, wenn von oben betrachtet. Die Aussparungen 122 erstrecken sich über die volle Distanz zwischen benachbarten Unterteilungen 50, und daher hat der Rotor 120 einen größeren y-Wert als der Rotor 110. Die Aussparungen 122 erstrecken sich einwärts von den peripheren Oberflächen des Daches 42 bzw. Bodens 44 über eine Distanz z.
Beispiel 9
Bezugnehmend auf 11a und 11b ist dort ein Rotor 130 zum Dispergieren von Gas und/oder anderen Behandlungssubstanzen in schmelzflüssigem Metall in Seitenansicht bzw. Draufsicht dargestellt. Der Rotor 130 ist den Rotoren 110 und 120 ähnlich und hat Aussparungen 132a, b, welche gerade Kanten haben. Wenn von oben betrachtet, hat der Rotor 130 eine quadratische Form, weil sich die Aussparungen 132 in die Unterteilungen 50 erstrecken. Dennoch kann der Rotor 130 noch als im Wesentlichen kreisförmig (basierend auf Kreis C) im Querschnitt angesehen werden. Die Aussparungen 132 erstrecken sich einwärts von den peripheren Oberflächen des Daches 42 und Bodens 44 über eine Distanz z, und weil es keine Distanz zwischen benachbarten Aussparungen 132 gibt, ist der x-Wert null.
Werte von x, y, und z für die Rotoren 110, 120 und 130 mit einem Radius von 110 mm sind in nachstehender Tabelle 2 angegeben.
Tabelle 2
Beispiel 10
Bezugnehmend auf 12a und 12b ist dort ein Rotor 140 zum Dispergieren von Gas und/oder anderen Behandlungssubstanzen in schmelzflüssigem Metall in Seitenansicht bzw. Draufsicht dargestellt. Der Rotor 140 besteht aus Graphit in unitärer Bauweise. Der Rotor 140 ist generell scheibenförmig und umfaßt ein ringförmiges Oberteil (Dach 42), ein ringförmiges Unterteil (Boden 44), eine durchgehende Gewindebohrung 46 und eine offene Kammer 48, wie zuvor beschrieben. Das Dach 42 und der Boden 44 sind durch drei Unterteilungen 142, die gleichwinklig um den Rotor 140 voneinander beabstandet sind, miteinander verbunden und zwischen dem Dach 42 und Boden 44 angeordnet. Die Unterteilungen 142 erstrecken sich auswärts von der Peripherie der Kammer 48 zur peripheren Oberfläche des Rotors 140a. Ein Durchgang 52 ist zwischen jedem Paar benachbarter Unterteilungen 142, dem Dach 42 und dem Boden 44 ausgebildet, wodurch insgesamt drei Durchgänge 52 bereitgestellt werden. Jeder Durchgang 52 hat einen Einlass 54 von der Kammer 48 und einen Auslass 56 auf der peripheren Oberfläche des Rotors 140a. Die peripheren Oberflächen des Daches 42 und Bodens 44 sind jeweils mit drei teilweise runden Aussparungen 144a, b (erste bzw. zweite Aussparungen) versehen. Der Rotor 140 ist im Wesentlichen kreisförmig (basierend auf Kreis C). Jede Aussparung 144 erstreckt sich über eine Distanz z von den peripheren Oberflächen des Daches 42 und Bodens 44 und entfernt einen Bogen y vom Kreis C. Werte von x, y und z für einen Rotor mit einem Radius von 110 mm sind in nachstehender Tabelle 3 angegeben.
Tabelle 3
Beispiel 11
Bezugnehmend auf 13a und 13b ist dort ein Rotor 150 zum Dispergieren von Gas und/oder anderen Behandlungssubstanzen in schmelzflüssigem Metall in Seitenansicht bzw. Draufsicht dargestellt. Der Rotor 150 besteht aus Graphit in unitärer Bauweise. Der Rotor 150 ist generell scheibenförmig und umfaßt ein ringförmiges Oberteil (Dach 42), ein ringförmiges Unterteil (Boden 44), eine durchgehende Gewindebohrung 46 und eine offene Kammer 48, wie zuvor beschrieben. Dach 42 und Boden 44 sind durch fünf Unterteilungen 152 gleichwinklig um den Rotor 150 voneinander beabstandet und miteinander verbunden sowie zwischen Dach 42 und Boden 44 angeordnet. Die Unterteilungen 152 erstrecken sich auswärts von der Peripherie der Kammer 48 zur peripheren Oberfläche des Rotors 150a. Ein Durchgang 52 ist zwischen jedem Paar benachbarter Unterteilungen 152, dem Dach 42 und dem Boden 44 ausgebildet, wodurch insgesamt fünf Durchgänge 52 bereitgestellt werden. Jeder Durchgang 52 hat einen Einlass 54 von der Kammer 48 und einen Auslass 56 auf der peripheren Oberfläche des Rotors 150a. Die peripheren Oberflächen des Daches 42 und Bodens 44 sind jeweils mit fünf teilweise runden Aussparungen 154a, b (erste bzw. zweite Aussparungen) versehen. Der Rotor 150 ist im Wesentlichen kreisförmig (basierend auf Kreis C). Jede Aussparung 154 erstreckt sich über eine Distanz z von den peripheren Oberflächen des Daches 42 und Bodens 44 und entfernt einen Bogen y vom Kreis C. Werte von x, y und z für einen Rotor 150 mit einem Radius von 87,5 mm sind in nachstehender Tabelle 4 angegeben.
Tabelle 4
Beispiel 12
Bezugnehmend auf 14a und 14b ist dort ein Rotor 160 zum Dispergieren von Gas und/oder anderen Behandlungssubstanzen in schmelzflüssigem Metall in Seitenansicht bzw. Draufsicht dargestellt. Der Rotor 160 besteht aus Graphit in unitärer Bauweise. Der Rotor 160 ist generell scheibenförmig und dem Rotor 40 (Beispiel 1) ähnlich, da er ein ringförmiges Oberteil (Dach 42), ein ringförmiges Unterteil (Boden 44), eine durchgehende Bohrung 46, eine Kammer 48, vier Unterteilungen 50 und vier Durchgänge 52, je mit einem betreffenden Einlass 54 und Auslass 56, umfaßt. Im Gegensatz zum Rotor 40 hat der Rotor 160 acht erste Aussparungen 162a im Dach 42 und acht zweite Aussparungen 162b im Boden 44, es gibt zwei erste Aussparungen 162a und zwei zweite Aussparungen 162b pro Durchgang 52. Die ersten Aussparungen 162a und die zweiten Aussparungen 162b sind aufeinander ausgerichtet, d. h. sie stimmen überein, wenn von oben betrachtet. Innerhalb eines Durchgangs 52 ist die Distanz zwischen benachbarten ersten Aussparungen 162a oder zwischen benachbarten zweiten Aussparungen 162b durch x₁ gekennzeichnet. Über eine Unterteilung 50 hinweg ist die Distanz zwischen benachbarten ersten Aussparungen 162a oder zwischen benachbarten zweiten Aussparungen 162b durch x₂ gekennzeichnet.
Das Verhältnis der Länge des Bogens des Kreisumfangs, entfernt von den ersten oder zweiten Aussparungen angrenzend an einen gegebenen Durchgang (2y), multipliziert mit der Anzahl der Durchgänge (4), zum Umfang des Kreises (8y + 4x₁ + 4x₂) ist durch 2y/(2y + x₁ + x₂) angegeben.
Die Werte von x₁, x₂, y und z für einen Rotor 160 mit einem Radius von 87,5 mm sind in nachstehender Tabelle 5 angegeben.
Tabelle 5
Beispiel 13
Bezugnehmend auf 15 ist dort eine Metallbehandlungsanlage 170 für das Entgasen (rotierende Entgasungsanlage, REA) und/oder die Zugabe von Metallbehandlungssubstanzen (Metallbehandlungsstation, MTS) schematisch dargestellt. Die Anlage umfaßt grundsätzlich einen Tiegel 172, in dem das zu behandelnde Metall bereitgehalten wird, einen Graphit-Rotor 174, der mittels Gewinde in ein Ende einer Graphit-Welle 176 (wie zuvor beschrieben) eingreift, einen Motor 178 und eine Antriebswelle 180, wobei die Antriebswelle 180 in einem Gehäuse 182 mit dem Graphit-Rotor 174 verbunden ist. Die Anlage umfaßt ferner einen Trichter 184 und ein Beschickungsrohr 186 und ein einziehbares Prallblech 188. Die Gesamtheit der Anlage 170 ist relativ zum Tiegel 172 vertikal beweglich.
Bei Verwendung für das Entgasen wird der Motor 178 aktiviert, um die Wellenbaugruppe 180, 176 und den Rotor 174 zu drehen, und die Graphit-Welle 176 wird in den Tiegel 172 herabgelassen, der das schmelzflüssige Metall enthält. Inertgas wird durch die Antriebswelle 180, die Graphit-Welle 176 und in das Metall über den Rotor 174 geschickt und im schmelzflüssigen Metall dispergiert. Das Prallblech 188 ist in seiner eingezogenen Position, so dass es über dem schmelzflüssigen Metall sitzt.
Bei Benutzung als kombinierte Metallbehandlungs-/Entgasungsanlage werden der Rotor 174 und die Graphit-Welle 176 relativ schnell angetrieben, um so einen Wirbel innerhalb der Schmelze zu erzeugen. Die Metallbehandlungssubstanzen werden dann vom Trichter 184 in die Schmelze dosiert. Nach Gewährung von ausreichender Zeit zum Mischen wird die Drehzahl des Rotors 174 verringert und das Prallblech 188 in die Schmelze herabgelassen, um den Wirbel zu stoppen und Turbulenz innerhalb der Schmelze zu reduzieren (wie in 15 dargestellt). Das Entgasen geht dann wie zuvor beschrieben vor sich.
METHODIK
Es wurden zwei Modellversuche für die Eigenschaften rotierender Vorrichtungen entwickelt, wenn sie zur Behandlung von schmelzflüssigem Metall benutzt werden. Der erste Modellversuch betrifft die Wirksamkeit rotierender Vorrichtungen beim Entgasen von schmelzflüssigem Metall. Der zweite Versuch, ein Wassermodell, demonstriert die wahrscheinliche Wirksamkeit rotierender Vorrichtungen beim Verteilen von Metallbehandlungsmitteln in der gesamten Schmelze.
1. ENTGASEN
Rotoren mit einem Radius von 87,5 mm, die an einer Welle mit 37,5 mm Durchmesser angebracht sind, wurden zum Entgasen von 280 kg Aluminiumlegierung (LM25: AlSi7Mg), die auf 720°C gehalten wurde, benutzt. Das benutzte Gas war trockener Stickstoff mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 15 l/Minute. Die Drehzahl war 320 U/min, und das Entgasen erfolgte über 4 Minuten. Die Wirksamkeit wurde durch Messung der Konzentration von gelöstem Wasserstoff in der Schmelze mit einem elektronischen, von Foseco verkauften Sensor "ALSPEK H" gemessen, was eine direkte Messung der Wasserstoffmenge im schmelzflüssigen Metall ergab. Das schmelzflüssige Metall wurde mit dem Rotor (ohne Gas) gerührt, und der Sensor wurde in der Schmelze gehalten. Gas wurde dann die Welle des Rotors hinab eingeführt, und die Wasserstoffmenge in der Schmelze wurde in 10-Sekunden-Intervallen gemessen und aufgezeichnet.
2. WASSERMODELL
Die Zugabe von Metallbehandlungsmitteln zu einer Schmelze wurde mit Hilfe eines Wassermodells simuliert, bei dem leichtgewichtige Kunststoff-Pellets benutzt wurden, um die Wirbelbildung zu beobachten, und Farbstoff (Lebensmittelfarbstoff) eingesetzt wurde, um das Mischen zu beobachten. Rotoren wurden in einer Foseco Metallbehandlungsstation (MTS1500 Mark 10) mit einem zylindrischen transparenten Gefäß (650 mm Durchmesser, 900 mm hoch), das anstelle eines Tiegels benutzt wurde, getestet. Jeder Rotor hatte einen Radius von 110 mm und war an einer Welle mit einem Durchmesser von 75 mm und einer Länge von 1000 mm angebracht.
2.1 Wirbelbildung
Der erste Schritt zur Beurteilung der Rotoreffizienz war die Bestimmung der Drehzahl für jeden Rotor, die nötig war, um ein standardmäßiges äquivalentes Wirbelausmaß zu erhalten. Zur Erreichung dessen wurden Kunststoff-Pellets zuerst in das transparente Gefäß gegeben, das mit Wasser bis zu einer Höhe L1 (735 mm, normale Badhöhe) gefüllt worden war. Die Kunststoff-Pellets schwebten auf der Oberfläche des Wassers, bis jeder Rotor in das Bad herabgelassen und gedreht wurde, um einen Wirbel zu formen. Die Drehzahl wurde dann justiert, so dass die Kunststoff-Pellets den Rotor berührten, aber nicht im Tiegel dispergierten. Die Höhe des Wassers wurde gemessen, als der Wirbel geformt wurde (L2, Badhöhe mit gebildetem Wirbel), sowie die Zeit, die zur Bildung dieses Wirbels erforderlich war.
Ein Effizienzfaktor (EF) für die Wirbelbildung kann anhand der folgenden Formel berechnet werden: Effizienzfaktor = {(L2 – L1)/L1} × Wirbelbildungszeit
Je geringer der Wert des Effizienzfaktors, desto effizienter ist der Rotor bei der Wirbelbildung.
2.2 Bestimmung der Mischzeit
Zur Bestimmung der Mischeffizienz wurden die Rotoren in das Kunststoffgefäß, das Wasser mit einer Höhe von 755 mm enthielt, herabgelassen. Die Höhe des Bades wurde auf 20 mm über jener der Wirbelbildungsstudie (obiger Abschnitt 2.1) gesteigert. Die Badhöhe wurde geändert, um die natürliche Veränderlichkeit der Badhöhe bei Verwendung widerzuspiegeln. Eine größere Badhöhe wurde gewählt, weil die Rotoren dadurch härter arbeiten und, zumindest theoretisch, wahrscheinlich die Unterschiede zwischen den effizienteren und den weniger effizienten Rotoren unterstrichen werden. Ein Wirbel wurde (ohne Kunststoff-Pellets) anhand der im Abschnitt 2.1 bestimmten Drehzahlen gebildet. Sobald der Wirbel stetig war, wurden 3 ml Lebensmittelfarbstoff in den Wirbel gegeben und die Zeit gemessen, die zum gleichmäßigen Mischen des Lebensmittelfarbstoffs im ganzen Gefäß notwendig war.
ROTOREN
Zehn Rotoren im Einklang mit der Erfindung wurden hergestellt und geprüft, zusammen mit sechs anderen für Vergleichszwecke (vier vorbekannte Rotoren und zwei neu konstruierte Rotoren, die nicht im Rahmen der Erfindung liegen). Jeder Rotor wurde in zwei Größen hergestellt – ein Rotor mit einem Radius von 87,5 mm wurde bei den Entgasungsexperimenten und eine größere Version mit einem Radius von 110 mm wurde für das Wassermodell benutzt. Die Verwendung zweier Rotoren mit etwas unterschiedlichem Durchmesser für das Wassermodell und die Entgasungsversuche war aufgrund der benutzten unterschiedlich großen Gefäße nötig. Beide Rotorgrößen wurden an der Welle mit demselben Durchmesser angebracht und hatten deshalb das gleichgroße Loch in der oberen Oberfläche (zum Aufnehmen/Anbringen der Welle), wogegen die Kammer im Boden einen Durchmesser proportional zum Gesamtdurchmesser jedes Rotors hatte. Aus diesem Grund war das Ausmaß der Aussparungen nach innen in den Entgasungs rotoren etwas geringer als die entsprechenden Wassermodell-Rotoren, was in einem etwas kleineren z/r-Verhältnis resultierte. Die Differenzen sind jedoch geringfügig und beeinträchtigen nicht die hinsichtlich der Effizienz gezogenen Schlüsse.
ENTGASEN
Für jeden der Rotoren wird die Konzentration von gelöstem Wasserstoff in der Schmelze, gemessen in 10-Sekunden-Intervallen, in Tabelle 6 gezeigt, und die beanspruchte Zeit zum Erreichen einer gegebenen Wasserstoffkonzentration (geschätzt anhand einer "Best-Fit"-Kurve und gerundet auf die nächsten 5 Sekunden) ist in Tabelle 7 angegeben.
Tabelle 7

* n.b. = nicht bestimmt

Wirkung von Aussparungen im Dach und im Boden (Beispiel 2 und Vergleichsbeispiel A)
Um die Wirkung des Vorhandenseins von Aussparungen im Dach und Boden anstelle von lediglich im Dach zu untersuchen, wurden zwei neue Rotoren konstruiert, d. h. der vorstehend beschriebene Rotor 60 (Beispiel 2) und Vergleichsbeispiel A. Der Rotor des Vergleichsbeispiels A ist identisch mit dem Rotor 60 (er hat dieselbe Größe und Form von Aussparungen im Dach), davon abgesehen, dass er keine Aussparungen im Boden hat. Graphen der Reduktion der Wasserstoffkonzentration im Zeitablauf wurden für beide Rotoren aufgezeichnet und sind in 16 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass, wenn der Rotor 60 benutzt wird, die Wasserstoffkonzentration in der Schmelze sehr schnell abfällt und eventuell eine Konzentration unter 0,1 ml/100 g Schmelze erreicht. Die Zeit, die für das Abfallen der Wasserstoffkonzentration auf 0,20 ml/100 g Schmelze erforderlich ist, beträgt nur 55 s bei dem Rotor 60, wogegen beim Vergleichsbeispiel A die erforderliche Zeit bei 105 s liegt. Deshalb scheint das Vorhandensein von Aussparungen im Boden sowie im Dach die Entgasungseigenschaften einer rotierenden Vorrichtung zu verbessern.
Wirkung des Ausmaßes von teilweise runden Aussparungen (vorbekannter Rotor 3 und Beispiele 1 bis 4)
Eine Reihe von Rotoren wurde konstruiert, um die Wirkung des Ausmaßes der teilweise runden Aussparungen auf die Entgasungsgeschwindigkeit zu untersuchen (Beispiele 1 bis 4). Jeder der Rotoren 40, 60, 70 und 80 hat vier teilweise runde Aussparungen je im Dach und Boden, welche sich über eine ähnliche Distanz einwärts erstrecken (ähnliche z/r-Werte), das Ausmaß der Aussparungen nimmt aber in der Reihenfolge 80, 70, 60, 40 zu. Getestet wurden diese Rotoren neben dem vorbekannten Rotor 3, dem SPR (Foseco), der in den 17a bzw. 17b in der Seitenansicht und der Draufsicht dargestellt ist. Der SPR-Rotor 190 hat eine im Wesentlichen ähnliche Konfiguration wie die Rotoren der Erfindung, ist generell scheibenförmig mit einem ringförmigen Oberteil (Dach 42) und einem ringförmigen Unterteil (Boden 44), die voneinander beabstandet und durch vier Unterteilungen 50 verbunden sowie um den Rotor 190 unter gleichen Winkeln voneinander beabstandet sind. Ein Durchgang 52 ist zwischen jedem Paar Unterteilungen 50 und dem Dach 42 sowie dem Boden 44 ausgebildet, wobei jeder Durchgang einen Einlass 54 in einer inneren Oberfläche des Rotors und einen Auslass 56 in einer peripheren Oberfläche des Rotors 190a hat. Jeder Auslass 56 hat eine größere Querschnittsfläche als der jeweilige Einlass 54 und ist davon ausgehend auswärts radial angeordnet. Eine offene Kammer 48 ist mittig im Boden 44 bereitgestellt und erstreckt sich aufwärts zum Dach 42. Der SPR-Rotor hat keine Aussparungen und hat deshalb x-, y- und z-Werte von null. Die x-, y- und z-Werte und entsprechende Verhältnisse für Rotoren mit einem Radius von 87,5 mm sind in nachstehender Tabelle 8 angegeben.
Tabelle 8
Ein Graph der Reduktion der Wasserstoffkonzentration im Zeitverlauf wurde für jeden dieser Rotoren aufgezeichnet und ist in 18 dargestellt. Es ist sofort klar, dass alle Rotoren der Erfindung (80, 70, 60 und 40) dem vorbekannten Rotor 3, SPR, beim Entgasen überlegen sind. Der SPR erreicht nie eine Wasserstoffkonzentration von 0,3 ml/100 g Schmelze, wogegen alle Rotoren 80, 70, 60 und 40 eine Wasserstoffkonzentration von 0,2 ml/100 g innerhalb von 90, 110, 55 bzw. 80 Sekunden erreichen. Bei einer Prüfung des Graphen zeigt sich, dass der Rotor 60 (Beispiel 2) der erfolgreichste Rotor beim Entgasen ist und die niedrigste Wasserstoffkonzentration für den Großteil des Testzeitraums vorweist.
Wirkung des Ausmaßes von geraden Aussparungen (Beispiele 7, 8 und 9)
Eine Reihe von Rotoren wurde konstruiert, um die Wirkung des Ausmaßes von geradkantigen Aussparungen auf die Entgasungsgeschwindigkeit zu untersuchen, nämlich die vorstehend beschriebenen Rotoren 110, 120 und 130. Diese Rotoren haben allesamt vier geradkantige Aussparungen im Dach und Boden, wobei die Länge der Aussparung (angezeigt vom Wert für y/(x + y)) in der Reihenfolge 110, 120, 130 zunimmt. x-, y- und z-Werte und entsprechende Verhältnisse für Rotoren mit einem Radius von 87,5 mm sind in nachstehender Tabelle 9 dargestellt.
Tabelle 9
Ein Graph, der die Reduktion der Wasserstoffkonzentration im Zeitverlauf für jeden der Rotoren zeigt, wurde aufgezeichnet und ist in 19 dargestellt. Die Rotoren 110, 120 und 130 scheinen allesamt gut zu entgasen, wobei die Rotoren 120 und 130 eine etwas niedrigere endgültige Wasserstoffkonzentration als der Rotor 110 ergeben. Dies legt nahe, dass ein größeres Ausmaß der Aussparung (größerer Wert für y/(x + y)) zu einem beim Entgasen erfolgreicheren Rotor führt.
Wirkung der Tiefe von Aussparungen (Beispiele 2, 6 und 7)
Eine Reihe von Rotoren wurde konstruiert, um die Wirkung der Tiefe von Aussparungen (d. h. der maximalen Distanz, über die sich die Aussparungen einwärts von den peripheren Oberflächen des Daches und Bodens des Rotors erstrecken) auf die Entgasungsgeschwindigkeit zu untersuchen. Die Rotoren 110, 60 und 100 sind vorstehend beschrieben. Die Aussparungen im Rotor 110 haben eine gerade Kante, und jene in den Rotoren 60 und 110 sind teilweise rund. Sie entfernen jeweils dieselbe Bogenlänge (dieselben y/(x + y)-Werte), schwanken aber hinsichtlich der Aussparungstiefe in der Reihenfolge 110, 60, 100. Die Werte von x, y und z für diese Rotoren sind in nachstehender Tabelle 10 aufgeführt.
Tabelle 10
Ein Graph wurde aufgezeichnet, um die Reduktion der Wasserstoffkonzentration im Zeitverlauf für jeden der Rotoren zu zeigen, und ist in 20 dargestellt. Alle Rotoren sind beim Entgasen erfolgreich. Ihre Verwendung resultiert in einer Reduktion der Wasserstoffkonzentration auf 0,2 ml/100 g in 25 s (110), 55 s (60) und 100 s (100). Die Rotoren 60 und 100 sind erfolgreicher und erreichen eine endgültige Wasserstoffkonzentration von weniger als 0,12 ml/100 g Schmelze. Dies deutet darauf hin, dass ein tieferer Schnitt (größerer z/r-Wert) beim Entgasen sinnvoll ist.
Wirkung von Kammer und Querschnittsfläche von Auslässen und Einlässen (Beispiel 2 und Vergleichsbeispiel B) Das Vergleichsbeispiel B wurde entworfen, um die Wirkung des Fehlens einer Kammer und eines Durchgangs mit gleichmäßiger Breite auf Grund der Ausbildung durch einen Einlass und einen Auslass mit gleicher Querschnittsfläche zu untersuchen, im Vergleich zu den Rotoren der Erfindung, welche eine Kammer zum Mischen von Gas und schmelzflüssigem Metall aufweisen und bei welchen die Querschnittsfläche des Auslasses größer als die Querschnittsfläche des jeweiligen Einlasses ist.
Das Vergleichsbeispiel B ist dem zuvor beschriebenen Diamant^®-Rotor ähnlich, generell scheibenförmig und mit vier radialen Löchern versehen, die gleichwinklig um den Rotor herum voneinander beabstandet sind. Jedes Loch erstreckt sich von der inneren Oberfläche des Rotors zu seiner peripheren Oberfläche, wodurch ein Auslass für Gas bereitgestellt wird. Das Vergleichsbeispiel B hat vier Aussparungen, die sich einwärts von der peripheren Oberfläche des Rotors erstrecken. Jede Aussparung ist an einem Auslass befindlich und erstreckt sich abwärts über die gesamte Tiefe des Rotors. Es gibt keine Kammer für das Mischen von Gas und schmelzflüssigem Metall. Die Aussparungen des Vergleichsbeispiels B weisen dieselbe Größe und Form wie die Aussparungen im Rotor 60 (Beispiel 2) auf, weshalb die x-, y- und z-Werte für die Rotoren dieselben sind.
Ein Graph wurde aufgezeichnet, um die Reduktion der Wasserstoffkonzentration im Zeitverlauf für jeden Rotor zu zeigen, und ist in 21 dargestellt. Die Wasserstoffkonzentration nimmt schneller ab, wenn der Rotor 60 (Beispiel 2) benutzt wird, als bei Benutzung des Vergleichsbeispiels B. Die Wasserstoffkonzentration bei Benutzung des Rotors 60 (Beispiel 2) ist niedriger als die Wasserstoffkonzentration, wenn das Vergleichsbeispiel B für die nahezu gesamte Dauer des Tests benutzt wird. Dies deutet an, dass das Vorhandensein einer Kammer und von Auslässen mit einer größeren Querschnittsfläche als bei den jeweiligen Einlässen für eine nützliche Wirkung beim Entgasen sorgt.
Wirkung von Kammer und Auslässen (vorbekannter Rotor 4 und Beispiel 9)
Beispiel 9 ähnelt einem vorbekannten Rotor, der als "Brick" bekannt ist (und von Pyrotek Inc. verkauft wird), davon abgesehen, dass das Beispiel 9 Auslässe und eine Kammer aufweist. Der "Brick"-Rotor ist ganz einfach ein massiver Graphitblock ohne Einlässe, Auslässe oder Kammer. Er ist quadratisch im Querschnitt (orthogonal zur Wellenachse), kann aber als auf einem Kreis basierend angesehen werden, der vier geradkantige Aussparungen hat, auf dieselbe Weise wie der Rotor 130 (Beispiel 9). Die Werte von x, y und z für Beispiel 9 und den "Brick" sind identisch und in nachstehender Tabelle 11 für Rotoren mit einem Durchmesser von 87,5 mm angegeben. Tabelle 11
Ein Graph wurde aufgezeichnet, um die Reduktion der Wasserstoffkonzentration im Zeitverlauf für jeden Rotor zu zeigen, und ist in 22 dargestellt. Die Wasserstoffkonzentration nimmt wesentlich schneller ab und erreicht einen niedrigeren endgültigen Wert, wenn der Rotor 130 (Beispiel 9) benutzt wird, als wenn der vorbekannte Rotor 4 ("Brick") benutzt wird. Die Wasserstoffkonzentration ist zusammenhängend niedriger, wenn der Rotor der Erfindung benutzt wird, im Vergleich zur Benutzung des vorbekannten "Brick"-Rotors, was darauf hindeutet, dass das Vorhandensein von Auslässen und einer Kammer die Entgasungseigenschaften eines Rotors verbessert.
Alle der vorbekannten Rotoren (SPR, XSR, Diamant^® und "Brick") waren beim Entgasen weniger erfolgreich als die Rotoren der Erfindung. SPR, XSR und "Brick" gelang es nicht, eine Wasserstoffkonzentration von 0,2 ml/100 g zu erreichen, und obwohl der Diamant^®-Rotor 0,2 ml/100 g erreichte, dauerte dies mit 170 s erheblich länger als bei jeglichen Rotoren der Erfindung.
2. WASSERMODELL – Wirbelbildung
Experimente wurden wie vorstehend beschrieben durchgeführt, und zwar an Rotorbeispielen 1 bis 10, vorbekannten Rotoren und zwei neuen Rotoren, die nicht im Rahmen der Erfindung liegen. Ein Effizienzfaktor (EF) für jeden Rotor wurde anhand der vorstehenden Formel und der in nachstehender Tabelle 12 angegebenen Werte berechnet.
Tabelle 12
Experimente wurden wie vorstehend beschrieben durchgeführt, um die Zeit zu bestimmen, die für das gleichmäßige Einmischen eines Farbstoffs im gesamten Wasser erforderlich ist. Die beanspruchten Zeiten und die benutzte Drehzahl (in 2.1 bestimmt) sind in nachstehender Tabelle 13 aufgeführt.
Tabelle 13
Wirkung von Aussparungen im Dach und im Boden (Beispiel 2 und Vergleichsbeispiel A)
Wie vorstehend erörtert, sind Beispiel 2 und Vergleichsbeispiel A identisch, davon abgesehen, dass das Ver gleichsbeispiel A Aussparungen im Dach und das Beispiel 2 Aussparungen im Dach und im Boden hat. Ein Vergleich des EF und der Mischzeiten ist nachstehend in Tabelle 14 aufgeführt.
Tabelle 14
Das Beispiel 2 hat einen kleineren EF und eine kürzere Mischzeit als Vergleichsbeispiel A, was darauf hindeutet, dass das Vorhandensein von Aussparungen sowohl im Dach als auch im Boden die Wirbelbildung verbessert und ferner eine nützliche Wirkung auf die Mischzeit hat.
Wirkung des Ausmaßes von teilweise runden Aussparungen (vorbekannter Rotor 1 und Beispiele 1 bis 4)
Wie zuvor erörtert, sind die Beispiele 1 bis 4 im Wesentlichen identisch, davon abgesehen, dass das Ausmaß von Aussparungen (ausgedrückt durch den Wert für y/(x + y)) in der Reihenfolge Beispiel 1, Beispiel 2, Beispiel 3, Beispiel 4 abnimmt. Ein Vergleich des EF und die Mischzeiten für diese Beispiele sind nachstehend in Tabelle 15 aufgeführt.
Tabelle 15
Die EF-Werte für die Beispiele 1 bis 4 nehmen ab, wenn das Ausmaß der Aussparung zunimmt. Beispielsweise hat das Beispiel 1 Aussparungen, die sich über die volle Distanz zwischen benachbarten Unterteilungen erstrecken, und es hat den niedrigsten EF-Wert von 2,5. Ein EF wurde nicht für den vorbekannten Rotor 3 (SPR) gemessen, weil ein ausreichender Wirbel nicht gebildet werden konnte.
Das Vorhandensein von Aussparungen scheint eine nützliche Wirkung auf die Mischzeiten zu haben, weil der vorbekannte Rotor (ohne Aussparungen) die längste Mischzeit hat. Die Beziehung zwischen Aussparungsausmaß und Mischzeit ist weniger klar als bei den EF-Werten. Die beiden Beispiele mit dem größten Ausmaß der Aussparung (Beispiel 1 und Beispiel 2) haben aber kürzere Mischzeiten als jene mit einem kleineren Aussparungsausmaß (Beispiel 3 und Beispiel 4), weshalb es den Anschein hat, dass im Wassermodell ein größeres Aussparungsausmaß insgesamt einen Vorteil hat.
Wirkung des Ausmaßes von geraden Aussparungen (Beispiele 7, 8 und 9)
Wie zuvor erörtert, sind die Beispiele 7, 8 und 9 allesamt etwa quadratische Rotoren mit vier geraden Aussparungen. Das Ausmaß der Aussparungen in den Beispielen 7 bis 9 nimmt in der Reihenfolge Beispiel 7, Beispiel 8, Beispiel 9 zu. Die EF-Werte und Mischzeiten sind nachstehend in Tabelle 16 aufgeführt.
Tabelle 16
Die EF-Werte für die Beispiele 7 bis 9 nehmen ab, wenn das Aussparungsausmaß zunimmt. Die Mischzeiten nehmen ab, wenn das Aussparungsausmaß zunimmt, wobei im Beispiel 9 in nur 4 Sekunden gleichmäßig gemischt wird. Diese Ergebnisse erhärten die Ergebnisse des Vergleichs bei teilweise runden Aussparungen, dass ein erhöhtes Aussparungsausmaß ein verbessertes Mischen ergibt.
Wirkung der Tiefe von Aussparungen (Beispiele 2, 6 und 7)
Wie vorstehend erörtert haben die Beispiele 2, 6 und 7 allesamt Aussparungen, die ein im Wesentlichen ähnliches Ausmaß haben (die Aussparungen entfernen ähnliche Bögen eines Kreises C), allerdings erstrecken sich die Ausspa rungen jeweils über eine andere maximale Distanz von den peripheren Oberflächen des Daches und des Bodens des Rotors (die Tiefe der Aussparung wird durch den z/r-Wert angezeigt). Die Tiefe jeder der Aussparungen in den Beispielen 2, 6 und 7 nimmt in der Reihenfolge Beispiel 7, Beispiel 2, Beispiel 6 zu. Die EF-Werte und die Mischzeiten für diese Rotoren sind nachstehend in Tabelle 17 aufgeführt.
Tabelle 17
Die EF-Werte nehmen ab, wenn die Aussparungstiefe zunimmt, wobei das Beispiel 6 einen sehr niedrigen EF-Wert von 2,2 hat. Die Beziehung zwischen Aussparungstiefe und Mischzeit ist weniger klar beim Beispiel 2, welches eine Aussparungszwischentiefe mit der schnellsten Mischzeit hat.
Wirkung von Kammer und Querschnittsfläche von Auslässen und Einlässen (Beispiel 2 und Vergleichsbeispiel B)
Wie vorstehend erörtert, wurde ein neuer Rotor konstruiert, der nicht im Rahmen der Erfindung liegt (Vergleichsbeispiel B), zur Untersuchung der Wirkung des Vorhandenseins einer Kammer und von Auslässen und Einlässen, wo die Querschnittsfläche der Auslässe größer als die der jeweiligen Einlässe ist. Das Vergleichsbeispiel B ist analog zu Beispiel 2 mit derselben Größe und Form von Aussparungen und deshalb denselben Werten für x, y und z, wie nachstehend in Tabelle 18 für einen Rotor mit einem Radius von 110 mm gezeigt wird.
Tabelle 18
Trotz identischer Aussparungen zeigt das Beispiel 2 einen geringen Vorteil gegenüber dem Vergleichsbeispiel B in Bezug auf Wirbelbildung und Mischzeit. Zusammengenommen mit dem verbesserten Entgasen beim Beispiel 2 deutet dies darauf hin, dass das Vorhandensein einer Kammer und von Auslässen mit einer größeren Querschnittsfläche als jener der jeweiligen Einlässe einen verbesserten Rotor zur Verwendung bei der Metallbehandlung bereitstellt.
Wirkung von Kammer und Auslässen (vorbekannter Rotor 4 und Beispiel 9)
Wie vorstehend erörtert, hat der vorbekannte Rotor 4 ("Brick") keine Einlässe, Auslässe oder eine Kammer, kann aber als ein Rotor mit vier geraden Aussparungen wie Beispiel 9 angesehen werden. Die x-, y- und z-Werte für den vorbekannten Rotor 4 und das Beispiel 9 sind identisch und nachstehend in Tabelle 19 für einen Rotor mit einem Radius von 110 mm angegeben.
Tabelle 19
Der "Brick"-Rotor hat einen größeren EF und eine längere Mischzeit als der Rotor der Erfindung, was darauf hindeutet, dass das Vorhandensein von Einlässen, Auslässen und einer Kammer nützlich für das Einmischen von Behandlungsmitteln ist.
Alle Rotoren der Erfindung haben einheitliche Mischzeiten, die gleich denen der vorbekannten Rotoren XSR, Diamant^® und SPR (8 s, 12 s und 10 s) oder kürzer sind.
Fazit
Die obigen Daten zeigen, dass die Rotoren der vorliegenden Erfindung Vorteile im Hinblick auf die Mischeffizienz bei der Metallbehandlung und das Entgasen bieten.

Claims

Rotierende Vorrichtung zur Behandlung von schmelzflüssigem Metall, mit einer Hohlwelle (30, 176, 180), an deren einem Ende sich ein Rotor (40, 174) befindet, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (40, 174) ein Dach (42) und einen Boden (44) aufweist, die voneinander beabstandet und durch eine Mehrzahl von Unterteilungen (50) miteinander verbunden sind, einen Durchgang (52) zwischen jedem benachbarten Paar der Unterteilungen (50) sowie dem Dach (42) und dem Boden (44) aufweist, wobei jeder Durchgang (52) einen Einlaß (54) in einer inneren Oberfläche des Rotors (40, 174) und einen Auslass (56) in einer peripheren Oberfläche des Rotors (40, 174) hat sowie jeder Auslass (56) eine größere Querschnittsfläche als der jeweilige Einlass (54) aufweist und von dort aus radial nach außen angeordnet ist, einen Strömungsweg aufweist, der durch die Hohlwelle (30, 176, 180) in die Einlässe (54) der Durchgänge (52) und aus den Auslässen (56) heraus führt, und eine Kammer (48) aufweist, in welcher das Mischen des schmelzflüssigen Metalls und eines Gases stattfinden kann und in der eine Mehrzahl von ersten Aussparungen (58a) im Dach (42) und eine Mehrzahl von zweiten Aussparungen (58b) im Boden (44) ausgebildet sind sowie jede der ersten Aussparungen (58a) und jede der zweiten Aussparungen (58b) an einen der Durchgänge (52) angrenzt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich jede erste Aussparung (58a) von der äußeren peripheren Oberfläche des Rotors (40, 174) aus nach innen erstreckt und an einen Auslass (56) angrenzt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausmaß jeder ersten Aussparung (58a) in der peripheren Oberfläche das des entsprechenden Auslasses (56) nicht übersteigt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede erste Aussparung (58a) teilweise rund ist und die ersten Aussparungen (58a) symmetrisch um den Rotor (40, 174) herum angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Aussparungen (58b) dieselbe Größe und Form wie die ersten Aussparungen (58a) aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der ersten Aussparungen (58a) gleich der Anzahl der zweiten Aussparungen (58b) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (40, 174) drei, vier oder fünf Durchgänge (52) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (40, 174) vier Durchgänge (52) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (40, 174) genau einen Auslass (56) und genau je eine erste Aussparung (58a) und eine zweite Aussparung (58b) pro Durchgang (52) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (40, 174) genau einen Auslass (56) sowie genau zwei erste Aussparungen (58a) und zwei zweite Aussparungen (58b) pro Durchgang (52) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß jede erste Aussparung (58a) in einem Durchgang (52) auf die entsprechende zweite Aussparung (58b) voll ausgerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sich die ersten Aussparungen (58a) und/oder die zweiten Aussparungen (58b) über nicht mehr als 50%, vorzugsweise über nicht mehr als 40%, des Radius des Rotors (40, 174) nach innen erstrecken.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sich die ersten Aussparungen (58a) und/oder die zweiten Aussparungen (58b) über nicht weniger als 10%, vorzugsweise über nicht weniger als 20%, des Radius des Rotors (40, 174) nach innen erstrecken.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die periphere Oberfläche des Rotors (40, 174) in einer Ebene senkrecht zur Achse der Hohlwelle (30, 176, 180) im Wesentlichen ein Kreis (C) ist und das Verhältnis der Länge (y) des Bogens des Kreisumfangs, der im Dach (42) durch die erste Aussparung (58a) oder die ersten Aussparungen (58a) oder im Boden (44) durch die zweite Aussparung (58b) oder die zweiten Aussparungen (58b) angrenzend an einen gegebenen Durchgang (52) entfernt ist, multipliziert mit der Anzahl der Durchgänge (52), zum Umfang des Kreises (C) mindestens 0,3 und vorzugsweise mindestens 0,6 ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis nicht mehr als 0,9 ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Kammer (48) radial einwärts von den Einlässen (54) befindet und eine Öffnung im Boden (44) des Rotors (40, 174) hat sowie im Strömungsweg zwischen der Hohlwelle (30, 176, 180) und den Einlässen (54) angeordnet ist, so dass bei Drehung der Vorrichtung schmelzflüssiges Metall in die Kammer (48) durch den Boden (44) des Rotors (40, 174) gesaugt und dort mit Gas gemischt wird, das in die Kammer (48) aus der Hohlwelle (30, 176, 180) gelangt, sowie die gebildete Metall/Gas-Dispersion dann durch die Einlässe (54) in die Durchgänge (52) gepumpt und über die Auslässe (56) aus dem Rotor (40, 174) ausgetragen wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlwelle (30, 176, 180) und der Rotor (40, 174) separat hergestellt worden und durch lösbare Befestigungselemente miteinander verbunden sind.
Rotor für eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor ein Dach (42) und einen Boden (44) aufweist, die voneinander beabstandet und durch eine Mehrzahl von Unterteilungen (50) miteinander verbunden sind, einen Durchgang (52) zwischen jedem benachbarten Paar der Unterteilungen (50) sowie dem Dach (42) und dem Boden (44) aufweist, wobei jeder Durchgang (52) einen Einlaß (54) in einer inneren Oberfläche des Rotors und einen Auslass (56) in einer peripheren Oberfläche des Rotors (40, 174) hat sowie jeder Auslass (56) eine größere Querschnittsfläche als der jeweilige Einlass (54) aufweist und von dort aus radial außen angeordnet ist, einen Strömungsweg aufweist, der durch die Einlässe (54) der Durchgänge (52) und aus den Auslässen (56) heraus führt, und eine Kammer (48) aufweist, in welcher das Mischen des schmelzflüssigen Metalls und eines Gases stattfinden kann und eine Mehrzahl von ersten Aussparungen (58a) im Dach (42) und eine Mehrzahl von zweiten Aussparungen (58b) im Boden (44) ausgebildet sind sowie jede der ersten Aussparungen (58a) und jede der zweiten Aussparungen (58b) an einen der Durchgänge (52) angrenzt.
Metallbehandlungsanlage für das Entgasen von schmelzflüssigem Metall und/oder für das Zugeben von Behandlungssubstanzen zu diesem Metall, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17 oder einen Rotor nach Anspruch 18.