DE2110274B2

DE2110274B2 - Vorrichtung zum einschmelzen von metallschwamm durch inerte gasplasmen

Info

Publication number: DE2110274B2
Application number: DE19712110274
Authority: DE
Inventors: Klaus Herbert Dr Ing 4300 Essen Ulrich
Original assignee: Fried Krupp GmbH 4300 Essen
Priority date: 1971-03-04
Filing date: 1971-03-04
Publication date: 1972-06-08
Also published as: DE2110274C2; DE2110274A1; BE780175A; GB1357473A; LU64883A1; NL7202571A; US3771585A; ZA721360B; FR2127986A5

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Einschmelzen von Metallschwamm durch inerte Gasplasmen in einer gekühlten gasdichten Kokille.

Es sind bereits Verfahren und Vorrichtungen bekannt, um durch Reduktion gewonnene Metalle aus der 4. und 5. Gruppe des Periodensystems durch Einschmelzen der jeweils erzeugten Metallschwämme zu verdichten. Die durch derartiges Einschmelzen gewonnenen dichten Blöcke werden dann anschließend durch Schmieden und Walzen weiterverarbeitet. Zum Einschmelzen der die Metalle aus der 4. und 5. Gruppe des Periodensystems enthaltenden hochreaktiven Schwämme wird der Metallschwamm bisher zu einer Elektrode vorverdichtet und im Hochvakuum durch einen Lichtbogen oder durch Elektronenbeschuß von der Elektrode abgeschmolzen. Das

ίο Metall tropft dabei in einen wassergekühlten Metalltiegel und erstarrt dort zu einem Block. Ein Großteil der Verunreinigungen wie Stickstoff, Sauerstoff und Chlor verdampft dabei und wird durch Vakuumpumpen abgeführt. Durch die Verwendung wassergekühlter Metallkokillen wird erreicht, daß eine Reaktion der Metalle mit keramischem oder graphithaltigem Tiegelmaterial vermieden wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Metallschwämme der eingangs genannten Art in einfacher Weise ohne spezielle Vorbehandlung, wie beispielsweise Verdichten mit Hilfe von Edelgasplasmen, einzuschmelzen. Hierzu sollen mit Edelgasen, wie beispielsweise Argon arbeitende Plasmabrenner, deren Verwendung bei der Herbeiführung metallurgischer Reaktionen vor allem an hochlegierten Stählen in herkömmlichen Ofengefäßen mit normaler keramischer Zustellung an sich bekannt ist, eingesetzt werden.
Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wird dadurch herbeigeführt, daß ein mit übertragenem Lichtbogen arbeitender, an sich bekannter Edelgas-Plasmabrenner in eine auf Gegenpotential gelegte Metallschwammschütung in vertikaler Richtung hineinragt und in Umfangsrichtung zum Schutz gegen einen Potentialausgleich mit der Metallschwammschüttung von einem zylindrischen Isoliermantel umgeben ist, wobei dieser Isoliermantel entsprechend des Böschungswinkels der Metallschwammschüttung so angeordnet ist, daß der von der Flamme in der Metallschwammschüttung erzeugte Brennfleck nahezu ausschließlich in Richtung des steilsten Potentialgradienten liegt.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Art des Einschmelzens besteht darin, daß der bei den bisher bekannten Umschmelzprozessen erforderliche Arbeitsgang der Herstellung einer zum Abschmelzen bestimmten Elektrode aus dem Metallschwamm entfällt. Es kann in einfacher Weise nach dem bekannten Prinzip des übertragenen Lichtbogens gearbeitet werden.

Bei einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist zur Aufnahme des zum Einschmelzen nachzuführenden Metallschwammes zwischen dem den Plasmabrenner umgebenden Isoliermantel und senkrechter Kokillenwand eine Art Ringraum mit im oberen Teil zur Abfuhr der heißen Verbrennungsgase angebrachten Öffnungen vorgesehen. Diese Ausbildung der Schmelzeinrichtung besitzt den Vorteil, daß der zum Schmelzen nachzuführende Metallschwamm vor der Einschmelzung durch die abziehenden heißen Gase vorerhitzt wird.

Nach einem weiteren Schritt der Erfindung ist der Kokille am oberen Ende zumindest eine Vakuumkammer zum Absaugen der in dem einzuführenden Eisenschwammgut befindlichen Gase vorgeschaltet. Der Eisenschwamm durchläuft diese Vakuumkammer vor Eintritt in die Kokille diskontinuierlich. Die Vakuumkammer ist an ihrem unteren und oberen

Ende jeweils mit Absperrventilen versehen, von denen jeweils immer nur eins geöffnet ist.

Zur gleichmäßigen Verteilung des durch eine oder mehrere parallel angeordnete Vakuumkammern in die Kokille eingeführten Metallschwammes läßt sich die Kokille nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung um die Längsachse des Plasmabrenners drehen.

Nach der Erfindung erfolgt das Einschmelzen des Metallschwammes zu einem Block dadurch, daß der Plasmabrenner zusammen mit dem ihn umgebenden Isoliermantel nach oben geführt wird, wodurch sich ein langsam nach oben wachsender erstarrter Metallblock unterhalb der flüssigen Schmelze ausbildet. Eine weitere erfindungsgemäße Maßnahme zur kontinuierlichen Ausbildung eines Metallblockes besteht darin, den Boden der Kokille während des Schmelzvorganges zusammen mit der zu einem Metallblock erstarrenden Schmelze abzusenken. Hierdurch wird die Erzeugung eines festen Metallblockes in der Art eines Stranggießverfahrens möglich. Zu diesem Zweck wird der Kokillenboden kontinuierlich absenkbar in die Kokille eingebaut.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.

In einer wassergekühlten, gasdichten, metallischen Kokille 1 wird mit einem Plasmabrenner 2 Metallschwamm 3 eingeschmolzen. Dabei bildet sich unter der Plasmaflamme ein Metallsumpf 4 aus, der in dem Bereich 5 an den Wänden der Kokille 1 erstarrt. Der Plasmabrenner 2 arbeitet mit einem übertragenen Lichtbogen, der sich zwischen dem Plasmabrenner 2 und dem an der Kokille liegenden Gegenpotential 6 ausbildet. Das an die Kokille angelegte Potential ist auf Grund der elektrischen Leitfähigkeit der Kokille auch in dem Metallschwamm 3 vorhanden. Damit zwischen dem Kokillenpotential und dem Potential des Plasmabrenners 2 über den ungeschmolzenen Metallschwamm 3 kein Ausgleich erfolgen kann, ist der Plasmabrenner 2 von einem gegenüber der Kokille und dem Brenner selbst isolierten, gekühlten, zylindrischen Isoliermantel 7 umgeben. Dieser Isoliermantel 7 hält den beim Schmelzen absinkenden Metallschwamm, der sich auf dem elektrischen Potential der Kokille 1 befindet, von dem Mantel des Plasmabrenners 2 ab. Durch die Anordnung des Isoliermantels 7 um den Plasmabrenner 2 wird erreicht, daß die Plasmaflamme im Bereich des steilsten Potentialgradienten, nämlich in Richtung der Längsachse des als Kathode wirkenden Plasmabrenners 2 zwischen Piasmabrenner 2 und Metallsumpf 4 stabil brennt. Die Isolation des Schirmes 7 gegen den Plasmabrenner 2 wird beispielsweise durch den Isoliereinsatz 8 im Kokillendeckel 10 erreicht. Das im Plasmabrenner 2 zugeführte Edelgas bildet die Plasmaflamme. Die heißen Plasmagase durchströmen die noch nicht geschmolzene Metallschwammsäule 3, wärmen diese dabei vor und verlassen die gasdicht verschlossene Kokille durch eine Düse 9 im Kokillendeckel 10.

Da die Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Schmelzverfahrens wesentlich von dem Edelgasverbrauch für die Plasmabildung beeinflußt wird, ist vorgesehen, das die Kokille 1 durch die Düse 9 verlassende Gas durch ein Gasreinigungssystem 11, in dem die beim Einschmelzen verdampften Verunreinigungen des Metalls abgetrennt werden, zu leiten. Über einen Kompressor 12 sowie ein Puffervolumen-Gefäß 13 wird das gereinigte Edelgas dem Plasmabrenner 2 wieder zugeführt. Eventuelle Edelgasverluste werden aus einem Vorratsbehälter 14 ergänzt.

Die Zuführung des Metallschwammes 3 erfolgt entsprechend der Einschmelzleistung durch die Vakuumkammer 15. Die in der Vakuumkammer 15 befindliche Schwammenge wird einem Vakuum ausgesetzt, um die in den Poren des Metallschwammes befindlichen Gasmengen und die bei Raumtemperatur flüchtigen Verunreinigungen zu entfernen, bevor der Metallschwamm durch das untere Ventil 16 in die Kokille 1 gegeben wird. Nach Schließen des unteren Ventils 16 wird das obere Ventil 17 der Vakuumkammer 15 erneut mit Metallschwamm gefüllt. Bei geschlossenen Ventilen 16 und 17 wird die Vakuumkammer 15 durch das Nebenventil 18 evakuiert. Um eine gleichmäßige Metallschwammverteilung innerhalb der Kokille 1 zu erreichen, kann die Kokille 1 über einen Zahnkranz 19 und ein Ritzel 20 durch einen Antrieb 21 jeweils um eine Umdrehung nach rechts oder links gedreht werden. Der Kokillendeckel 10 bleibt dabei zusammen mit dem Isoliermantel 7 stehen. Die Gleitung erfolgt über eine Dichtung 22.

Der wassergekühlte Boden 6 läßt sich entsprechend der Schmelzleistung in der Kokille absenken, so daß bei Ausbildung eines erstarrten Metallblockes der Abstand zwischen Plasmabrenner 2 und Metallsumpf 4 und damit die Plasmaflammenlänge konstant bleibt. Derselbe Effekt kann aber auch, dadurch erreicht werden, daß der Brenner 2 und der Isoliermantel 7 entsprechend der Schmelzleistung nach oben gefahren werden. Die Abdichtung wird dabei mit konventionellen, im Ausführungsbeispiel nicht dargestellten Stopfbüchsen oder O-Ring-Dichtsystemen sichergestellt. Durch eine ebenfalls nicht dargestellte, an dem Boden 6 der Kokille angreifende, kontimuierlich arbeitende Verstelleinrichtung kann der erstarrte Metallblock wie in konventionellen Stranggußanlagen abgefahren werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Einschmelzen von Metallschwamm, insbesondere von Metallen der 4. und 5. Gruppe des Periodensystems, durch inerte Edelgasplasmen in einer gekühlten, gasdichten Kokille, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit übertragenem Lichtbogen arbeitender, an sich bekannter Edelgasplasmabrenner (2) in eine auf Gegenpotential gelegte Metallschwammschüttung (3) in vertikaler Richtung hineinragt und in Umfangsrichtung zum Schutz gegen einen Potentialausgleich mit dieser Metallschwammschüttung von einem zylindrischen Isoliermantel (7) umgeben ist, wobei dieser Isoliermantel entsprechend des Böschungswinkels der Metallschwammschüttung so angeordnet ist, daß der von der Plasmaflamme in der Metallschwammschüttung (3) erzeugte Brennfleck nahezu ausschließlich in Richtung des steilsten Potentialgradienten liegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Isoliermantel (7) und senkrechter Wandung der Kokille (1) zur Aufnahme des zum Einschmelzen nachzuführenden Metallschwammes (3) eine Art Ringraum mit im oberen Teil zur Abfuhr der heißen Verbrennungsgase angebrachten Öffnungen (9) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kokille (1) am oberen Ende eine Vakuumkammer (15) zum Absaugen der in dem einzuführenden Eisenschwammgut befindlichen Gase vorgeschaltet ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur gleichmäßige Verteilung des durch eine oder mehrere Öffnungen (16) in die Kokille eingeführten Metallschwammes die Kokille (1) um die Längsachse des Plasmabrenners (2) drehbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmabrenner (2) zusammen mit dem ihn umgebenden Isoliermantel (7) während des Schmelzvorganges gegenüber dem Kokillenboden (6) höhenverschiebbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (6) der Kokille (1) während des Schmelzvorganges zusammen mit der zu einem Metallblock erstarrenden Schmelze (4) absenkbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kokillenboden (6) zum Ausbringen des erstarrten Metallblockes (5) kontinuierlich absenkbar ist.