DE2109209B2 - Vorrichtung zur herstellung von pellets aus der schmelze - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Pellets durch Aufschmelzen des Ausgangsmaterials im Vakuum oder unter Schutzgas und nachfolgende Verfestigung einzelner Schmelzentropfen, bestehend aus mindestens einem Ladungsträgerstrahl-Erzeuger, einer Materialzuführungs-Vorrichtung, einem Schmelzenbehälter mit Abtropfeinrichtung und einer unterhalb der Abtropfeinrichtung angeordneten Kühlfläche, nach Patent 20 12 213.

Bei dem Gegenstand des vorstehend genannten Patentes wird aufgeschmolzenes und in einem Schmelzenbehälter gesammeltes Metall über eine am Schmelzenbehälter befindliche Abtropfeinrichtung in Tropfenform einer bewegten Kühlfläche zugeführt, auf dieser in Form von Pellets verfestigt und nachfolgend entfernt. Es wurde dargelegt, daß die Verwendung eines besonderen Schmelzenbehälters zwischen dem aufzuschmelzenden Material und der Kühlfläche erhebliche Vorteile in bezug auf die Gleichmäßigkeit der erzeugten Pellets und auf die lange Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Anlage besitzt.

Die vorliegende Erfindung geht von der Aufgabe aus, die im Hauptpatent beschriebene Vorrichtung noch weiter zu verbessern. Es hat sich nämlich gezeigt, daß auf Grund des im Schmelzenbehälter befindlichen schmelzflüssigen Metalls bei ungleichmäßiger Betriebsweise der Vorrichtung gelegentlich mit Störungen zu rechnen ist. Anlaß für Störungen ist beispielsweise eine ungleichförmige Chargierung des Schmelzbehälters; die Auswirkung wird begünstigt durch eine unvermeidliche physikalische Eigenschaft der Schmelze, die man als Oberflächenspannung bezeichnet. Darübcif hinaus neigi der flüssige Inhalt des Schmelzenbehälters zu Schwingungen, die verschiedene Ursachen halben können, einschließlich einer gewollten Oszillation des Schmelzenbehälters zur Herabsetzung der Oberflächenspannung.

Es ist Sinn und Zweck der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die sogenannte Tropfrate und damit die Menge der dem Schmelzenbehälter pro Zeiteinheit entnommenen Schmelze möglichst konstant zu halten. Da die Tropfrate im wesentlichen von der überlaufenden Menge des Behäherinhalts und diese wiederum vom Stand des Flücsigkeitsspiegels abhängt, läßt sich unschwer ableiten, daß der Flüssigkeitsspiegel innerhalb sehr enger Grenzen einreguliert werden muß. Dies bedingt bei gleichförmiger Entnahme auch eine gleichförmige Zugabe an aufgeschmolzenem Material.

Nun läßt sich aber die zugeführte Materialmenge auf Grund von unvermeidlichen Toleranzen in der Dosierung nicht völlig konstant halten. Bei einer Chargierung des Schmelzenbehälters mit Schrottstücken läßt es sich beispielsweise nicht vermeiden, daß die Schrottstücke unteischiedliche Größe haben. Bei einer Chargierung über eine beispielsweise aus Schrottstücken gepreßte Abschmelzelektrode ergeben sich auf Grund von unvermeintlichen Inhomogenitäten in dieser Abschmelzelektrode ebenfalls Schwankungen im Zufluß geschmolzenen Materials. Wird aber pro Zeiteinheit eine größere Menge an Material in den Schmelzenbehälter cindösiert, als wie es der durchschnittlichen Entnahme pro Zeiteinheit entspricht, so steigt der Schmelzenspiegel etwas an. Bei stoßweiser Chargierung bildet sich außerdem eine Wellenfront aus, die sich gleichmäßig über die Schmelzenoberfläche auszubreiten trachtet.

Um die Auswirkungen eines ungleichförmigen Betriebs erkennen zu können, muß man die physikalischen Vorgänge bei der Bildung eines Tropfens beim Überlaufen eines Behälters berücksichtigen. Beim Steigen eines Flüssigkeitsspiegels innerhalb eines Behälters bildet sich zunächst auf Grund der dem Behälterinhalt eigentümlichen Oberflächenspannung ein Meniskus aus. Überschreitet dieser ein gewisses Maß, oder wird anderweitig eine Störung eingeleitet, so fließt ein Teil des im Meniskus befindlichen Materials ab. Es ist einem solchen Vorgang eigentümlich, daß nicht nur so viel Material abfließt, bis der ursprüngliche Gleichgewichtszustand wieder hergestellt ist, sondern daß sich der einmal eingeleitete Überlaufvorgang fortsetzt, bis der Meniskus wesentlich weniger Flüssigkeit enthält, als unmittelbar vor dem Beginn des Überlaufens. Dies führt dazu, daß der erste überlaufende Tropfen ein regelrechtes Rinnsal an Schmelze hinter sich herzieht. 1st die Kühlfläche, auf der sich der Tropfen zu einem Pellet verfestigen soll, eine rotierende Walze, so führt der beschriebene Vorgang dazu, daß sich ein erstarrter Schmelzenstrang mehrmals um die Walze wickelt, von allein nicht mehr abgelöst werden kann und damit den Vorgang blockiert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die vorstehend aufgezeigten Nachteile zu beseitigen und eine Vorrichtung zu schaffen, mit der unabhängig von der Genauigkeit und Sorgfalt bei der Chargierung des Schmelzenbehälters ein störungsfreier Betrieb bei

gleichzeitiger Erzeugung möglichst gleichförmiger Pellets möglich ist. Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß der Schmelzen- |>ehälter im Bereich der Schmelzbadoberfläche mit einem Kühlkörper versehen ist, durc.i welchen der s Schmelzsee in Zonen unterteiibar ist, wobei sich der Ort der Materialzufuhr auf der eii.^n Seite und die Abtropfeinrichtung (17/19) auf der anderen Seite des Kühlkörpers befinden.

Der Begriff» im Bereich der Schmelzbadobertläche« ist nicht so eng auszulegen, daß die in der Schmelzbadoberfläche liegende Ebene und der Kühlkörper eine gemeinsame Schnittfläche aufweisen. Es ist ebensogut denkbar, daß der Kühlkörper durch eine wulstförmige Erhebung auf dem Boden des Schmelzenbehälters gebildet wird, wobei sich die Erhebung quer zur S'.römungsrichtung der Schmelze bis in die Nähe ihrer Oberfläche erstreckt. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn der Kühlkörper ein von einer Kühlflüssigkeit durchströmtes Rohr ist, dessen Achse sich parallel zur Schmelzbadoberfläche und quer zur Strömungsrichtung der Schmelze erstreckt und das von der Schmelze mindestens teilweise benetzt ist. Bei der Anordnung eines kühlmitteldurchströmten Rohres quer zur Strömungsrichtung und damit parallel zur Abtropfeinrichtung ergibt sich aus nachstehend noch näher aufgezeigten Gründen dann ein zusätzlicher Vorteil, wenn der Abstand »a« des Kühlkörpers von der Abtropfeinrichtung veränderbar ist.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäß verbesserten Vorrichtung ist folgende: Durch die Unterteilung des Schmelzenbehälters in verschiedene Zonen entsteht ein Strömungsengpaß, der auf Instabilitäten insbesondere im Bereich der Schmelzenoberfläche eine dämpfende Wirkung ausübt. Bei konstanter Tropfrate und konstanter Materialzufuhr bewegt sich der Inhalt des Schmelzenbehälters mit sehr geringer Geschwindigkeit vom Ort der Materialzufuhr bis zur Abtropfeinrichtung. Hierbei ist die Behinderung durch den Slrömungsengpaß unerheblich. Bei plötzlichen Schwankungen der Materialzufuhr hingegen pflanzt sich die Störung zunächst nur bis zu dem Kühlkörper fort. Wird die Schmelzenoberfläche durch den Kühlkörper in Form eines Rohres unterbrochen, so kommen spätestens an dieser Stelle wellenförmige Störungen zum Stillstand. Bei der Unterteilung des Schmelzenbehälters bzw. der Schmelze bilden die in den einzelnen Zonen befindlichen Schmelzenmengen einzelne schwingungsfähige Gebilde, deren Amplitude und Frequenz erheblich geringer ist als bei einem Schmelzenbehälter ohne Unterteilung. Auf diese Weise wird es ermöglicht, den Schmelzenbehälter mit einer Oszillationsvorrichtung zu versehen, durch die dem Schmeizenbehälter Vertikalschwingungen, beispielsweise um eine Schwenkachse, aufgezwungen werden. Derartige Vibrationen verringern die Oberflächenspannung und fördern die Bildung einzelner, kleinerer Tropfen und damit Pellets.

Der erfindungsgemäße Kühlkörper bildet auch vorzugsweise die Trennlinie zwischen Zonen unterschiedlicher Oberflächenbeheizung des Schmelzsees durch Ladungsträgerstrahlen. Die Zone des Schmelzenbehälters, in der die Materialzufuhr erfolgt, wird beispielsweise auf eine höhere Temperatur, beispielsweise beim Aufschmelzen von Titan auf 1800 bis 2000°C erhitzt, während die an die Abtropfeinrichtung angrenzende Tropfzone auf eine niedrigere Temperatur, beispielsweise auf 1700 bis 1800°C eingestellt werden kann. Unmittelbar an den Tropfrinnen kann dann die Schmelze örtlich und gezielt wieder überhitzt werden. Die unterschiedliche Aufheizung der Schmelze stellt nämlich eine Möglichkeit dai, Tropfengröße und Tropfrate an jeder Tropfrinne in der gewünschten Richtung zu beeinflussen. Bei höherer Schmelzem.emperatur nimmt die Oberflächenspannung und damit die Fropfengröße ab und umgekehrt.

Es wurde bereits ausgeführt, daß es vorteilhaft ist, den Abstand »a« zwischen Kühlkörper und Abtropfeinrichtung veränderbar zu gestalten. Hierdurch ist es zusätzlich möglich. Tropfengröße und Tropfrate zu beeinflussen, wobei die Ursachen wiederum in dem Zusammenwirken zwischen Oberflächentemperatur. Oberflächenspannung, Schwingungscharakteristik, Oszülationsfrequenz und überstehender Flüssigkeitsmenge (Meniskus) zu suchen sind. Obwohl diese Zusammenhänge außerordentlich komplexer Natur sind, läßt sich doch durch einfaches Ausprobieren und Variieren der einzelnen Parameter der gewünschte Erfolg erreichen. Vor allem aber läßt sich durch die erfindungsgemäße Vorrichtung über den gesamten Betriebsbereich mit hoher Sicherheit verhindern, daß von einem Schmelzentropfen lange Rinnsale von Schmelze nachgezogen werden, die sich als Bänder auf einer Kühltrommel aufwickeln und den Arbeitsablauf zum Stillstand bringen.

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung und deren Wirkungsweise seien nachfolgend an Hand der F i g. 1 bis 3 näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch die wesentlichsten Teile einer Vorrichtung, nämlich Schmelzenbehälter mit Kühlkörper, Ladungsträgerstrahlerzeuger und Kühlfläche,

F i g. 2 eine Draufsicht auf den Schmeizenbehälter mit

Kühlkörper gemäß F i g. 1 und

Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Schmeizenbehälter mit einem Kühlkörper in der Bodenzone.

In F i g. 1 ist mit 10 ein doppelwandiger Schmelzenbe· hiiiler in Form einer Pfanne bezeichnet, dessen Zwischenraum von einem Kühlmedium 11 durchströmt ist. Der Schmeizenbehälter ist bis zur tiefsten Stelle seines Randes mit einem Schmelzsee 12, im vorliegenden Falle aus Titan, gefüllt. Oberhalb des Schmelzenbehähers und seitlich außerhalb seines Randes befindet sich eine Zuführvorrichtung für das barrenförmige Ausgangsmaterial 13, die der Einfachheit halber in der Zeichnung nicht dargestellt und außerdem Stand der Technik ist. Der Rand des Schmelzenbehälters besitzt an einer Seite eine Absenkung 16, die sich in einer Tropfrinne 17 fortsetzt. Die Tropfrinne ist dabei Teil einer schiefen Ebene und läuft an ihrer tiefsten Stelle in eine Tropfnase 19 aus.

Im Bereich des Schmelzenspiegels 20, und zwar etwas in diesen eintauchend, ist über die gesamte Länge des Schmelzenbehälters 10 senkrecht zur Zeichenebene ein Kühlkörper 60 in Form eines Rohres angeordnet, dessen Innenraum von einer Kühlflüssigkeil 61 durchströmt ist. Der Kühlkörper besteht aus Kupfer und setzt während des Betriebes an seiner Unterseite eine Lage 62 aus erstarrtem Metall (Titan) an. Der gleiche Vorgang kann auch auf der Innenseite des Schmelzenbehälters 11 beobachtet werden, auf der sich eine erstarrte Lage 63 aus ehemals geschmolzenem Metall angesetzt hat. Derartige erstarrte Lagen werden auch mit dem Fachausdruck »Skull« belegt.

Durch den Kühlkörper 60 wird der Schmelzsee 12 im Schmeizenbehälter 10 in zwei Zonen 64 und unterteilt, die durch den Spalt zwischen den Lagen

und 63 miteinander in Verbindung stehen. Das Einschmelzen von zugeführtem Material erfolgt in der Zone 64, die als Tropfen 36 abgezogene Schmelzenmenge wird unmittelbar der Zone 65 entnommen. Es bildet sich eine schwache Strömung in Richtung des Pfeils 66 aus.

Der Abstand »a« des Kühlkörpers 60 von der Absenkung 16 und damit das Volumen in der Zone 65 sind veränderbar ausgebildet. Zu diesem Zweck befindet sich am Schmelzenbehälter 10 eine Lasche 67 und am Kühlkörper 60 eine Lasche 68, die durch Langlöcher miteinander in Verbindung stehen. Die Langlöcher sind dabei so gewählt, daß ^sowohl eine Verschiebung des Kühlkörpers in horizontaler Richtung als auch in vertikaler Richtung (Pfeil 69) möglich ist. Oberhalb der Zone 64 befindet sich ein Elektronenstrahl-Erzeuger 21, der einen vollbeschleunigten, fokussierten Elektronenstrahl 22 erzeugt. Der Elektronenstrahlerzeuger 21 ist ferner mit einer nicht dargestellten Vorrichtung zur periodischen Ablenkung des Elektronenstrahls ausgerüstet, mit der es möglich ist, die gesamte Oberfläche der Schmelze in der Zone 64 nach Art eines Zeilenrasters abzutasten. Einzelheiten des Elektronenstrahlerzeuger sind Stand der Technik und sollen daher an dieser Stelle nicht näher beschrieben werden.

Tropfrinne und -nase 19 bilden zusammen die sogenannte Abtropfeinrichtung. Dieser und der Schmelze in der Zone 65 ist ein weiterer Elektronenstrahlerzeuger 25 zugeordnet, der den gleichen Aufbau wie der Elektronenstrahlerzeuger 21 besitzt. Er bestreicht im wesentlichen die Tropf rinne 17 und den Teil des Schmelzenspiegels bis zum Kühlkörper 60. Senkrecht unterhalb der Tropfnase 19 befindet sich eine flüssigkeitsgekühlte Kühlfläche 29, die die Form einer Walze hat. Die Kühlfläche 29 bewegt sich in Abhängigkeit von der Tropffrequenz der Abtropfeinrichtung mit einer solchen Geschwindigkeit, daß die auf ihr auflreffenden und zu Pellets erstarrenden Tropfen 30 einander gerade nicht berühren. Die oszillierende Bewegung des Schmelzenbehälters 10 wird mittels einer rotierenden Exzenterscheibe 70 bewirkt, auf der — im einzelnen nicht dargestellt — der Schmelzenbehälter sich mit einem Widerlager abstützt.

In Fig.2 sind die gleichen Details wie in Fig. 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Schmelzenbehälter 10 ist mit vier gleichen Tropfrinnen 17 versehen, die in einer Reihe nebeneinander angeordnet sind. Parallel zu dieser Reihe verläuft der Kühlkörper 60, der unter Aufrechterhaltung der Parallelität in Richtung des Pfeils 71 verschiebbar ist. Die gesamte Zone 65 zwischen dem Kühlkörper und dem Ende der Tropf rinne 17 wird durch rasterförmige Ablenkung der Elektronenstrahlen 40 durch die Elektronenkanone 25 beaufschlagt.

F i g. 3 zeigt einen Ausschnitt aus dem Schmelzenbehälter 10 gemäß Fig. 1, jedoch mit dem Unterschied, daß sich der Kühlkörper am Boden des Schmelzenbehälters befindet. Der Kühlkörper 60a wird in diesem Falle durch eine wuistförmige Erhebung der oberen aus Kupfer bestehenden Wandung des Schmelzenbehälters

10 gebildet. Die Erhebung erstreckt sich analog dem rohrförmigen Kühlkörper 60 in F i g 2 über die gesamte Ausdehnung quer zur Strömungsrichtung der Metallschmelze. Die Konstruktion vereinfacht sich dadurch, daß das im Schmelzenbehälter befindliche Kühlmedium

11 gleichzeitig die Kühlung des Kühlkörpers 60a mit übernimmt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Herstellung von Pellets durch Aufschmelzen des Ausgangsmaterials im Vakuum oder unter Schutzgas und nachfolgende Verfestigung einzelner Schmelzentropfen, bestehend aus mindestens einem Ladungsträgerstrahlerzeuger, einer Materialzuführungsvorrichtung, einem Schmelzenbehälter mit Abtropfeinrichtung und einer unterhalb der Abtropfeinrichtung angeordneten Kühlfläche, nach Patent 20 12 213, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzenbehälter (10) im Bereich der Schmelzbadoberfläche (20) mit einem Kühlkörper (60/6Oa) versehen ist, durch welchen der Schmelzsee (12) in Zonen (64, 65) untetteilbar ist, wobei sich der Ort der Materialzufuhr auf der einen Seite und die Abtropfeinrichtung (17/19) auf der anderen Seite des Kühlkörpers befinden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (60/60a) ein von einer Kühlflüssigkeit (61) durchströmtes Rohr ist, dessen Achse sich parallel zur Schmelzenoberfläche (20) und quer zur Strömungsrichtung (66) der Schmelze erstreckt und das von der Schmelze mindestens teilweise benetzt ist.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand »a« des Kühlkörpers (60) von der Abtropfeinrichtung (17/19) ro veränderbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf dem Boden des Schmeizenbehälters (10) eine kühlmiiteldurehströiiiie wulstförmige Erhebung (60a) befindet, die sich quer zur Strömungsrichtung bis in die Nähe des höchstmöglichen Flüssigkeitsstandes erstreckt.