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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Raffinieren von Metallschmelzen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Raffinieren von Metallschmelzen weist einen an einem hohlen Schaft befestigten zylinderförmigen Rotor auf, der durch zwei parallele mit radialen Zwischenwänden verbundene Scheiben gebildet ist, und der eine Zentralaushöhlung aufweist, die unten offen und oben mit einer Zuführbohrung in dem Schaft verbunden ist, wobei von der Aushöhlung Kanäle ausgehen, die durch Zwischenwände getrennt und in radialer Richtung breiter sind.
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Geschmolzene Buntmetalle, wie Aluminium und dessen Legierungen, müssen vor dem Abguss raffiniert werden, d. h. von Gasen und nichtmetallischen Einschüssen befreit werden. Bei Aluminium handelt es sich besonders um Wasserstoff und Kalzium. Die Wasserstofflöslichkeit in einer Aluminiumschmelze wächst mit der Temperatur, während sie in einer festen Phase sehr niedrig ist. Das Gas und die festen Einschüsse, die in der Schmelze zerstreut sind, können Poren im Abguss und dadurch eine Verschlechterung dessen mechanischer Eigenschaften zur Folge haben.
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Die Raffinierung des verschmolzenen Metalls wird gewöhnlich mittels einer Rotationsvorrichtung ausgeführt, die in der Schmelze einen Wirbel bildet und der Schmelze trockenes inertes Gas, wie Argon, Nitrogen oder deren Gemisch, gemeinsam mit reaktiven Salzgemischen zuführt. Das Gas gelangt durch den hohlen Schaft in den Rotor, der das Gas in Form von feinen Bläschen in die Schmelze am Schmelzgefäßboden zerstreut. Die Bläschen durchsetzen die Schmelze, der Wasserstoff diffundiert in die Bläschen, steigt mit ihnen zur Oberfläche auf und entweicht in die Atmosphäre. Gleichzeitig binden die Bläschen feste Einschüsse an sich und nehmen sie zur Oberfläche mit, wo sie als Schlacke gesammelt werden.
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Ein Beispiel einer derartigen Vorrichtung ist in der
EP 0332292 beschrieben. Der Rotor ist durch zwei parallele Scheiben gebildet, zwischen denen sich radiale, mit Trennwänden getrennte Kanäle befinden. Der Rotor hat eine zentrale unten geöffnete Kammer, die mit einer Bohrung in dem Schaft und mit radialen Kanälen des Rotors verbunden ist.
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Um die Lebensdauer des Rotors nach der
EP 0332292 zu verlängern und seine Funktion zu verbessern, wurde eine in
WO 2004/057045 vorliegende Rotationsvorrichtung entwickelt. Sie ist durch einen hohlen Schaft gebildet, an dem ein Rotor in Form von zwei aufeinander liegenden und mit vier radialen Trennwänden verbundenen Scheiben befestigt ist. Der Rotor hat eine zentrale unten geöffnete Kammer, die einerseits mit der Bohrung in dem Schaft und andererseits mit breiter werdenden Kanälen zwischen den Trennwänden verbunden ist. Ein neues Element stellen hier halbkreisförmige Ausnehmungen am Umfang der oberen Scheibe dar. Es handelt sich um acht Ausnehmungen, also zwei für jeden Kanal. Diese Ausnehmungen sollen einer besseren Zerstreuung des Gases in der Schmelze dienen.
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Die Entgasungsvorrichtung nach der
EP 2617560 unterscheidet sich von der Letzteren im Wesentlichen dadurch, dass die gleichen Ausnehmungen in der oberen und in der unteren Scheibe des Rotors ausgeführt sind.
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Für die in den obigen Dokumenten beschriebenen Rotoren ist bezeichnend, dass sie nirgendwo die Kontur des Zylinders mit einer ebenen Grundfläche überragen. Der Zylinderumfang ist entweder glatt oder mit Ausnehmungen versehen. Solche Rotoren leisten der Schmelze einen kleinen Widerstand, was sich positiv auf ihre Lebensdauer auswirken kann. Es kommt jedoch nicht zum Vermischen der Schmelze und zum Zerstreuen der Bläschen im ganzen Schmelzgefäß. Das betrifft besonders den Schmelzgefäßboden, wo sich die Einschüsse von der höheren spezifischen Masse ansammeln. Diese Tatsache beeinträchtigt die Dauer der Raffinierung sowie die Zusammensetzung und Konsistenz der Schlacke.
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Eine der Ausführungen des in der
US 6,589,313 beschriebenen Rotors unterscheidet sich von dem Rotor nach der
EP 0332292 dadurch, dass der Rotor auf der oberen Seite mit radialen Rippen versehen ist, die aber keinen Einfluss auf die Bewegung der Schmelze unter dem Rotor haben.
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Der Rotor nach der
US 6,056,803 hat einen oberen kegelförmigen Teil und einen unteren zylinderförmigen Teil, in dem sich eine zentrale Aushöhlung befindet. Von dieser Aushöhlung gehen radiale, an der unteren Seite offene Kanäle aus. Das Gas wird durch kleine Bohrungen direkt in die Kanäle zugeführt.
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In der
DE 1 0301 561 ist ein Rotorkopf zum Raffinieren der Metallschmelze beschrieben, der unten eine zentrale Aushöhlung hat, in die Gas geführt wird. An der unteren Rotorseite befinden sich radiale Rillen, die eine konkave Form haben.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Raffinieren von Metallschmelzen zu entwickeln, welche die Fertigungszeit zur Entfernung der Einschüsse aus der Schmelze reduziert und den Metallinhalt in der Schlacke verringert.
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Die gestellte Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Rotationsvorrichtung zum Raffinieren von Metallschmelzen weist erfindungsgemäß einen an einem hohlen Schaft befestigten zylinderförmigen Rotor auf, der durch zwei parallele mit radialen Zwischenwänden verbundene Scheiben gebildet ist, und der eine unten offene und oben mit einer Zuführbohrung in dem Schaft verbundene Zentralaushöhlung aufweist, wobei von der Aushöhlung Kanäle ausgehen, die durch Zwischenwände getrennt und in radialer Richtung breiter sind. Der Rotor nach der Erfindung ist an der unteren Seite mit radialen Schaufeln versehen.
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Die Schaufeln sind in vorteilhafter Weise bogenförmig, mit ihrer konvexen Seite in Drehrichtung orientiert.
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Entlang der Schaufelflanken sind Fugen ausgebildet, die den jeweiligen Kanal mit der unteren Seite des Rotors verbinden.
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Die Fugen sind in vorteilhafter Weise entlang der konvexen Flanken der Schaufel geführt. Um die Zerstreuung der Bläschen in der Schmelze in horizontaler Ebene zu verbessern, ist der Umfang des Rotors mit Längsrippen versehen, die an die Trennwände anschließen.
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Die Länge der Längsrippen entspricht der Höhe der Trennwände.
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In einer anderen Ausführung kann die Länge der Längsrippen der Höhe des Rotors entsprechen, wobei die Rippen am unteren Ende in die Schaufeln übergehen.
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In einer anderen Ausführung sind die Trennwände mit Vorstößen versehen, die in die Aushöhlung hineinragen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den Zeichnungen dargestellten sechs Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen (wobei a) in Zentralprojektion, b) in Unteransicht und c) in Vorderansicht dargestellt sind):
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1a, b, c eine Grundausführung des Rotors,
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2a, b, c eine Ausführung nach 1 mit Fugen an der unteren Scheibe,
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3a, b, c eine Ausführung nach 1 mit Rippen, deren Länge mit der Höhe der Trennwände übereinstimmt,
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4a, b, c eine Ausführung nach 1 mit Rippen, deren Länge mit der Höhe des Rotors übereinstimmt,
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5a, b, c eine Ausführung nach 4 mit Fugen in der unteren Scheibe,
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6a, b, c eine Ausführung im Wesentlichen nach 1 mit Vorstößen, die in die Aushöhlung hineinragen und
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Raffinieren von Metallschmelzen nach 1 ist durch einen zylinderförmigen Rotor 1 gebildet, der an einem mit einer zur Gaszufuhr bestimmten Bohrung versehenen Schaft 2 angeschraubt ist. Der Rotor 1 ist durch zwei parallele Scheiben 3, 4 gebildet, die durch radiale Trennwände 5 verbunden sind. Der Rotor 1 hat eine zentrale Aushöhlung 6, die unten geöffnet und oben mit der Bohrung in dem Schaft 2 verbunden ist. Zwischen den Scheiben 3 und 4, die durch die Trennwände 5 getrennt sind, befinden sich Kanäle 7, die von der Aushöhlung 6 ausgehen und in radialer Richtung breiter werden. An der unteren Seite des Rotors 1 sind radiale bogenförmige Schaufeln 8 angebracht, die mit ihrer konvexen Seite in Drehrichtung gerichtet sind, also in Drehrichtung gebogen sind. Die Drehrichtung ist mit einem Pfeil markiert. Die Zahl der Schaufeln 8 entspricht der Zahl der Trennwände 5. Die Schaufeln 8 liegen unter den Trennwänden 5.
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In den Ausführungen nach 3, 4 und 5 gehen die Trennwände 5 an der Mantelfläche des Rotors 1 in Längsrippen 9 über, deren Länge l mit der Höhe der Trennwände 5 übereinstimmt, s. 3, oder deren Länge l mit der Höhe des Rotors 1 übereinstimmt, s. 4 und 5. Im letzteren Fall gehen die Längsrippen 9 an ihrem unteren Ende in die Schaufeln 8 über. Bei den beschriebenen Ausführungen ist der Querschnitt der Schaufeln 8 im Wesentlichen rechteckig. In spezifischen Fällen zeigte sich als effektiv, die untere Scheibe 4 mit Fugen 10 zu versehen, die die Kanäle 7 mit der unteren Seite des Rotors 1 verbinden und entlang der Schaufelflanken, vorteilhaft von konvexen, führen, s. 2 und 5.
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Bei der Ausführung nach 6 sind die Trennwände 5 mit Vorstößen 11 versehen, die in die Aushöhlung 6 hineinragen. Die Aushöhlung 6 hat hier im Vergleich mit den vorstehenden Ausführungen einen etwas größeren Durchmesser.
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Das inerte Gas mit den zerstreuten reaktiven Salzen wird durch die Bohrung des Schafts 2 in die Aushöhlung 6 des in die Schmelze getauchten Rotors 1 eingeblasen. Der Rotor 1 arbeitet ähnlich wie der Rotor einer Radialpumpe, d. h. er saugt die Schmelze von unten in die Aushöhlung 6, und infolge der Fliehkraft schleudert er sie in die Umgebung. Die Schmelze wird dabei in der Aushöhlung 6 mit dem Gas vermischt, es bilden sich feine Bläschen, die gemeinsam mit der Schmelze im ganzen Profil des Schmelzgefäßes zerstreut werden. Diese Wirkung wird durch die Rippen 9 verstärkt.
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Die radialen Schaufeln 8 an der unteren Seite des Rotors 1 bewirken ein Wirbeln der Schmelze unter dem Rotor 1 und führen zu einem torusförmigen Wirbel, in dessen distalem Teil die Schmelze sinkt und in dessen proximalem Teil sie steigt. Die sich am Schmelzgefäßboden ansammelnden Unreinigkeiten werden bis zu dem Niveau der Bläschen aufgewirbelt, und dann werden sie von diesen zur Oberfläche getragen. Die in die Aushöhlung 6 hineinragenden Vorstöße 11 vermischen das in die Aushöhlung 6 zugeleitete Gas mit der Schmelze und unterstützen dadurch die Erzeugung der Bläschen.
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Es wurden Vergleichstests dreier Varianten des erfindungsgemäßen Rotors und des in der
WO 2004/057045 beschriebenen Rotors durchgeführt. Die Geschwindigkeitsfelder wurden mittels des DFD-Programms Ansys Fluent bei gleichen technischen Bedingungen ausgewertet. Die Berechnung wurde für Aluminium bei einer Rotordrehzahl von n = 500 1/Min, einer Drehungszeit von 10 s und einem äußeren Rotorumfang von 190 mm gemacht. Nur die Form des Rotors variierte.
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Im Weiteren sind die getesteten Rotoren folgendermaßen bezeichnet:
B – ein Rotor nach
4 D – ein Rotor nach
5 E – ein Rotor nach
2 und
FO – ein Rotor nach der
WO 2004/057045 .
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Es wurde das Geschwindigkeitsfeld in drei Profilen, d. h. in die Schmelze durchschneidenden Ebenen untersucht.
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Es ist offensichtlich, dass der größte Unterschied zwischen den erfindungsgemäßen Rotoren und dem Rotor nach der
WO 2004/057045 in der Verteilung der Geschwindigkeiten der Schmelze unter dem Rotor liegt. Die Form der erfindungsgemäßen Rotoren bewirkt ein sinkendes Strömen der Schmelze und dadurch eine gründliche Aufwirbelung der Unreinigkeiten am Boden.
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Die erfindungsgemäßen Rotoren weisen bei gleicher Drehzahl auch eine bessere Aufteilung der Geschwindigkeiten in den horizontalen Ebenen auf. In der folgenden Tabelle sind die maximalen Geschwindigkeiten der Schmelze am Austritt aus den Kanälen des Rotors mit V1
max und 10 mm unter dem Rotor mit V2
max angegeben.
| Rotor/Geschw. | V1max [m/s] | V2max [m/s] |
| B | 10,42 | 4,56 |
| D | 12,27 | 4,94 |
| E | 11,95 | 4,81 |
| FO | 5,41 | 2,42 |
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Der erfindungsgemäße Rotor der Variante nach
3 mit einem Diameter von 190 mm wurde bei einer Drehzahl von 500 1/Min in einer Gießerei beim Raffinieren von Aluminiumschmelze beim Abgießen von Kolben getestet. Die Raffinierung ist hier auf eine gängige Weise durchgeführt, zuerst mit Stickstoff, dann mit Chlor, und zuletzt werden reaktive Salzgemische zugesetzt. Es wird der Kalziumgehalt in der Schmelze ermittelt. Die Raffinierung wird beendet, wenn sich der Kalziumgehalt dem Wert Null angenähert hat. Beim Einsatz des Rotors nach der
WO 2004/057045 sank der Kalziumgehalt nach 3 Minuten auf 3 ppm, und die Raffinierung musste noch weitere 1,5 Minuten fortgeführt werden. Beim Einsatz des erfindungsgemäßen Rotors sank der Kalziumgehalt nach 3 Minuten unter 1 ppm.
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Der Einsatz des erfindungsgemäßen Rotors in dieser Gießerei zeigte weiterhin, dass dieser Rotor eine günstigere Auswirkung auf die Zusammensetzung und Konsistenz der Schlacke hat. Bei der Raffinierung mit dem Rotor nach der
WO 2004/057045 entstand regelmäßig eine breiartige Schlacke, die bis zu 50 kg Aluminium pro Charge enthielt. Beim Einsatz des erfindungsgemäßen Rotors entstand feine staubförmige Schlacke, die nur 20 kg Aluminium pro Charge enthielt. Diese Tatsache ist auf eine bessere Vermischung und Reinigung der Schlacke im ganzen Volumen des Schmelzgefäßes zurückzuführen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0332292 [0005, 0006, 0009]
- WO 2004/057045 [0006, 0033, 0034, 0036, 0038, 0039]
- EP 2617560 [0007]
- US 6589313 [0009]
- US 6056803 [0010]
- DE 10301561 [0011]
