DE2161651A1 - Vorrichtung zur kontinuierlichen auflegierung von schmelzen durch plasmawirkung - Google Patents

Description

• Vorrichtung zur kontinuierlichen Auflegierung von Schmelzen durch Plasmawirkung In der Gießereipraxis werden entweder zur. Herstellung von Legierungen Legierungsmasseln fertig angeliefert oder es wird die Legierung selbst hergestellt durch Paarung der die Legierung bildenden Elemente, meistens im Schmelzfluß. Die iiblichen Verfahren arbeiten diskontinuierlich insofern, als daß ein Tiegelinhalt an Schmelze auflegiert und dann vergossen wird.
• Legierungselemente zur Auflegierung einer Schmelze, z.B. einer Metallschmelze, werden entweder zugegeben in fester Por als Metalle oder Vorlegierungen, die sich in der zu legierenden Schmelze auflösen, oder es erfolgt über Zersetzung und Reaktion von Verbindungerl, z.B. auch Salzen, die Zugabe über die Schmelzenoberflächerl, wie das Einrühren in de Tiegelinhalt. Bekannt ist auch die Möglichkeit des Auflegierens aus der Gasphase, die die Schmelzenoberfläche mit oder ohne Druck berührt.
• Bestimmte Reaktionen können über die eine Schmelze bedeckende flüssige Schlacke erfolgen, z.B. bei der Elektroschlackeumschmelzung.
• Aus zahlreichen Patentanmeldungen des In- und Auslandes her ist bekannt die heute als "Plasma-Metallurgie" angewendete Methode, elektrische Lichtbogenenergie anzuwenden. Meistens wird dabei ein Plasmabrenner in der Regel der Schmelzenoberfläche zugeführt und durch die Druckwirkung des ausströmenden Plasmas erfolgt eine Wärmezufuhr, und bei vorhandenen zugefithrten Elementen kann ein Einbringen in die Oberfläche einer Schmelze, die in der Regel die Schmelzenoberfläche eines entsprechenden Tiegels darstellt, erfolgen. Die Auflegierung ist dabei möglich, aber sie erfordert eine genügende Wirkdauer dieses Auflegierungsvorganges, und es muß das einlegierte oder die einlegierten Elemente sich im Schmelzgut verteilen, wozu wegen des Kompaktvolumens einer derartigen Schmelze erhebliche Wege, die Zeit benötigen, zurückgelegt werden müssen, damit gleichmäßige Verteilung eintritt.
• Ungünstig ist die geringe Wirkoberfläche, die gegeben ist durch das Auftreffen des oder der Pl.asmastrahlen auf die Schmelzenoberfläche. Deren Größe, die vom Plasma bestrichen wird, im Verhältnis zun: Gesamtvolumen bestimmt den Auflegierungseffekt - wirtschaftlich gesehen - wesentlich mit.
• Dieser ist zur Zeit, verglichen zum Arbeitsaufwand, schlecht.
• m das Verhältnis von Oberfl-ä.che zu Volumen günstiger zu gestalten, wäre es notwendig, die Schmelze in Einzelvolumina zu zerteilen. Diese müßten dann dem Plasmastrahl ausgesetzt werden. Dabei könnte danri durch gegenüber dem kompakten Schmelzenvolumen e.in vergrößertes Verhältnis von Oberfläche zu Schmelzenvolumen und eine, zeitlich gesehen, Intensivierung des Auflegierens erfolgen.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Schmelze aus einem Behälter, z.B. Tiegel, ausläuft über eirle Düse, deren Ausflußdurchmesser so gehalten ist, daß eine Koagulation des austretenden Schmelzstrahles schon nach kurzer Wegstrecke, z.B. Fallstrecke, durch die Auswirkungs der Oberflächenspannung im flüssigen Zustand erfolgt. Dabei verändert sich der zunächst austretende Flüssigkeitsstrahl in eine meistens mehr oder minder aneinander gereihte Anzahl von Einzelschmelzenvolumina, die nun gemäß der Erfindung einem Plasmastrahl zur Auflegierung ausgesetzt werden.
• Ilierzu wird ein Auflegierungsgerät als Plasmabrenner kombiniert oder getrennt zur ausflußfähigen Düse angebracht, wobei ein Lichtbogen zwischen ringförmig zum austretenden Strahl angeordneten gekühlten Elektroden brennt und durch ein zusätzlichtes Magnetfeld zur Rotation gebracht wird. Der nicht zwingend, aber vorwiegend als Starkstromlichtbogen angewendete Lichtbogen brennt dabei zwischen geeigneten, z.B. Kupfer- oder Wolfraumelektroden mit ringförmiger, durch den magnetischen Fluß über die Lorentzkraft bewirkter Rotation. Er erwärmt das der Bogenstrecke zum Zünden und Aufrechterhalten des Lichtbogens zugeführte Brenngas in das vorab des Zuflusses zur Bogenstrecke die zur Auflegierung der Tröpfchen bestimmten Elemente in geeigneter Form beigegeben werden und vom Brenngas mitgeführt werden und wobei das Brenngas auch seinerseits auflegierende Effekte übernehmen kann.
• Die zu annähernd kugelförmigen und dabei kontinuierlich entstehenden, z.B, zufolge der Schwerkraft niederfallend sich bewegenden Tröpfchen durchfallen nun die Plasmastrecke. Die Fallstrecke im Plasma ist auf seiner Länge zylindrisch oder leicht konisch, als rotationssymmetrischer Raum zur Längsachse der auftretenden Tropfenreihe. Diese Zylinderwandung besteht z.B. aus Kupfer oder anderem gut wärmeleitenden Metall, gekühlt durch einen Wasseraußenmantel. Der Zylinder bewirkt eine Einschnürung des Plasmas im Bereich der Tropfenreihe, d.h. im Zentrum, mittig in der Zylinderlängsachse. Die dann dort dadurch auftretende hohe Temperatur aufgrund eines durch die Wandkühlung zum Inneren verstärkt auftretenden Temperaturanstieges im Plasma begünstigt den Auflegierungseffekt für die durch diesen Kühlzylinder fallenden Tröpfchen.
• Tl.e aufzulegierenden Tröpfchen fallen, z.B. durch Schwerkraft, in einer zweiter. Tiegel als Auffanggefäß. Gegenilber dem primären Tiegel hat dieser nunmehr auflegierte Schmelze zufolge der Plasmaeinwirkung.
• um Schutz vor Gaszutritt und Verkrätzung kann das dem zylindrischen Raum entströmende hoch erwärmte Gas die Schmelzenoberfläche des Auffangtiegels überstreichen, und es wird zweckmäßigerweise seitlich durch Absaugen abgezogen.
• Dabei können noch geringe Anteile der Auflegierungselemente möglich sein, die in die Schlackenschmelze gehen. Dies ist aber nicht zwingend notwendig.
• Die wesentliche Auflegierung durch die zufolge freien Falls nach Ausströmen aus einer Düse erfolgende selbständige Zerteilung der Schmelze in aufzulegierende Tröpfchen erfolgt intensiv. Dadurch wird diese Verfahrensweise wirtschaftlich.

Claims (7)

Patentansprüche

1. Verfahren und Vorrichtung zur Zerteilung einer Schmelze, die aus einer Düse aufgrund ihrer Schwerkraft oder zusätzlich unterstützt durch einen auf dieser Schmelze liegenden Gas- oder mechanischen Druck im freien Fall ausströmt, sich dabei bei geeigneter Wahl des Durchmessers der Ausflußdüse in Tröpfchen aufgrund der Auswirkung der Oberflächenspannung zerteilt; wobei gemäß der Erfindung diese fallenden Tröpfchen einem zur Auflegierung bestimmten P].asmastrahl ausgesetzt werden und wobei diese Tröpfchen nach ihrer Auflegierung als Kompaktschmelze aufgefangen werden und wobei durch die Schmelzenzerteilung zu Tröpfchen ein günstige Verhältnis von auflegierbarer Oberfläche zu Tröpfchenschmelzenvolumen entsteht und wobei der Auflegierungseffekt dadurch erheblich intensiviert, die Treffsicherheit der Auflegierung gewährleistet und wirtschaftlicher als bisher gearbeitet werden kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die die Ausflußdüse des ersten Behälters, z.E tiegels, verlassende Schmelze und die sich dann selbstandig bildenden Tröpfchen eine zylindrische oder geeignet geometrisch ausgebildete wandgekühlte Röhre zentrisch etwa im Bereich der Längsachse durcheilen, in der der Plasmastrom nach seiner Entstehung eingeleitet wird und wobei durch die Kühlung die zur Auflegierung der Tröpfchen im Gebiet der längsseitigen Mittelachse günstige erhöhte Temperatur des Plasmas entsteht, die förderlich für den Auflegierungseffekt wirkt, und wobei durch die Kühlung der Wandung aus dem z.B. aus Kupfer bestehenden Längsraum durch die Kühlung ein Haften von Schmelztröpfchen vermieden wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma und die in ihm befindlichen Elemente, z.B.

Restgase, der Tiegeloberfläche des Auffangbehälters zugeführt werden und anschließend durch Absaugen seitlich wieder abgeführt werden mit dem Ziel, die Schmelzenoberfläche dabei durch überstreichen vor unerwünschter Verkrätzung und vor Zutritt der Atmosphäre zu schützen, sowie die Schmelze dabei genügend lange auf Temperatur zu halten, um eine weitere günstige Verteilung der Legierungselemente im Schmelzenvolumen zu erhalten.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer aufzulegierenden Schmelze zwei oder mehrere derartige Auflegierungsanordnungen Verwendung finden, indem nach erfolgter erster Tröpfchenauflegierung die Tröpfchen einem gemeinsamen oder auch mehreren getrennt verwendeten Auffangbehältern, z.B. Tiegeln, zugeführt werden, und wobei mit Verwendung mehrerer derartiger Auflegierungsaggregate auch von verschiedenen primären Schmelzen ausgegangen werden kann, die auch voneinander verschiedenartige Schmelzen, z.B. unterschiedliche Metalle oder Metallegierungen, zur tröpfchenförmigen Plasmaauflegierung abgeben und wobei dann diese verschiedenen getrennten Tropfenserien schließlich wieder einem oder mehreren Auffanggefäßen zur Sammlung zugeführt werden, um die endgültige-n so erzeugten Legierungsschmelzen zu bilden.

5. Verfahren nach Anspruch i bis 4 dadurch gekennze<chnet, daß mit dem Brenngas auch andere auflegierend wirkende Gase oder Gasgemische dem Bogenraum der Plasmaerzeugung zugeführt werden oder daß auch pulverförmige Stoffe als Metalle, Metallegierungen oder Salze, oder auch Flüssigkeitströpfchen zugeführt werden mit dem Ziel des heranbringens dieser zur Auflegierung bestimmten Stoffe an die Oberfläche der aufzulegierenden Tröpfchen, die sich nach Ausfluß aus Düsen bilden und wobei nun durch innige Berührung und unterstützt durch die Temperaturerhohung zufolge des Plasmas sich auf den TröpfohenoDerflächen günstige Auflegierungseffekte ergeben und wobei eine durch magnetische Wirkung hervorgerufene Bogenrotation im Brennbogenbereich des Lichtbogens günstige Rotation der zugeführten Gas- oder Feststoffteilchen bewirkt, die damit eng mit der Oberfläche der Tröpfchen in Berührung kommen, diese kreisend umstreichen und hierdurch den Oberflächenbereich der Tröpfchen weitestgehend zur Auflegierung Uberstreichen können.

6. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Ausflußgeschwindigkeit und damit die Anzahl der je Sekunde durch die Plasmastrecke tretenden Tröpfchen durch die Höhe des Druckes oder die Schließung und die geeignete Öffnung, z.B. eines Verschluß4 opfens, im primären Behälter gesteuert oder geregelt erfolgt mit dem Ziel, dadurch die Intensität der Auflegierung zu beherrschen und damit gleichzeitig die Höhe der Auflegierung gesteuert oder geregelt beeinflussen zu können.

7. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß4 die gemaß der Erfindung erzeugte Legierungsschmelze direkt zur Formung mit anschließender Erstarrung in Kokillen gegossen wird zum Zweck der wirtschaftlichen Erzeugung von Gußmasseln zur gießtechnologischen Weiterverwendung oder von Formgußteilen sowie dabei für verbesserte Eigenschaftswerte zufolge der angewendeten Legierungsmethode nach Anspruch 1.