DE2234748A1

DE2234748A1 - Verfahren und vorrichtung zum behandeln von leichtmetallegierungen

Info

Publication number: DE2234748A1
Application number: DE19722234748
Authority: DE
Inventors: Aksel Ola Aarflot; Ole Georg Gjoesten; Trygve Olavson Terum
Original assignee: Ardal og Sunndal Verk AS
Current assignee: Ardal og Sunndal Verk AS
Priority date: 1971-07-16
Filing date: 1972-07-14
Publication date: 1973-02-01
Also published as: NL172464C; FR2146767A5; GB1401527A; IT960944B; JPS5236488B1; ES434109A1; ES404816A1; AU4415772A; CH573475A5; ATA616972A; NL7209651A; SE392734B; RO65166A; AU473035B2; CA968166A; AT331047B; NL172464B

Description

Dipl.-Ing. H. MITSCHERLICH 8 MÖNCHEN 22. Dr. rer. not. W. KDRBER PATENTANWÄLTE

14. Juli 1972

A/S ÄRDAL OG SUOTDAL YERK
S/rkedalsveien 6
Oslo 3, Norwegen

Pat entanmel dung;

Verfahren und Vorrichtung zum Behandeln von Leichtmetallegierungen

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum Erzeugen von Leichtmetallegierungen, insbesondere von Aluminiumlegierungen, die bestimmte Legierungselemente, z.B. Magnesium, Silizium, Eisen, Mangan usw. enthalten. Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird die Schmelze einem Vakuum ausgesetzt und gleichzeitig legiert, während der Gehalt der Schmelze an verunreinigten Stoffen wie Natrium, Wasserstoff, Oxiden und anderen nichtmetallischen Teilchen in einem erheblichen Ausmaß verringert wird. Gleichzeitig ist es möglieh, eine Kornverfeinerung der Schmelze zu erzielen.

* Während der letzten Jahre hat sich auf dem Aluminiummarkt eine ständig zunehmende Nachfrage nach mit hoher Geschwindigkeit extrudierbaren Legierungen und durch Walzen verarbeitbareri Legierungen entwickelt; zu diesen Legierungen gehören verschiedene Speziallegierungen, z.B. solche, die nach einer anodischen Behandlung einen hohen Glanz zeigen; zu den Merkmalen einer Legierung der zuletzt genannten Art gehört auch die Tatsache, daß sie nur einen geringen Eisengehalt aufweist··

Werden Aluminiumlegierungen zum Gießen von sogenannten ".Viertelhalbzeugen" hergestellt, z.B. in Form direkt abgeschreckter' Walzbarren, Strangpreßknüppel und Drahtbarren,

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führt die Durchführung des eigentlichen Legierungsvorgangs im Vergleich zur Erzeugung von gewöhnlichem Aluminium, das nur mit Eisen und Silizium legiert wird, bei den bis jetzt gebräuchlichen Verfahren zum Behandeln der Schmelze zu einer Verringerung der Produktionsleistung·

Ein weiterer Nachteil dieses bekannten Legierungsverfahrens besteht darin, daß die Legierungselemente in die Schmelze, die manuell oder mechanisch gerührt wird, gewöhnlich mit Hilfe verschiedener Werkzeuge eingeführt werden, die zu einer Verunreinigung der Schmelze führen; in diesem Zusammenhang sei auf den unterschiedlichen Widerstand hingewiesen, den verschiedene Werkstoffe oder Metalle einer Aluminiumschmelze entgegensetzen.

In der Aluminiumindustrie ist es ferner erforderlich, das Rohmetall unter Berücksichtigung des geweiligen Verwendungszwecks zu reinigen oder zu raffinieren. Insbesondere ist es in vielen Fällen notwendig, den Gehalt der .Legierung an Natrium, feinen Oxidteilchen und anderen nichtmetallischen Teilchen zu verringern und gleichzeitig die Schmelze zu entgasen, um den vorhandenen Wasserstoff zu beseitigen. Bei der Herstellung bestimmter Legierungen ist es absolut erforderlich, eine solche Läuterung durchzuführen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, neuartige Verfahren und Vorrichtungen zu schaffen, die es in einem für industrielle Zwecke geeigneten Maßstab auf zweckmäßige und wirtschaftliche Weise ermöglichen, den Gehalt von Aluminiumlegierungen an den genannten Verunreinigungen zu verringern, während die Schmelze gleichzeitig im gewünschten Ausmaß legiert wird, und während sich möglicherweise gleichzeitig eine Kornverfeinerung abspielt.

Die Verfahren und Vorrichtungen.nach der Erfindung ermöglichen es, Leichtmetallegierungen, z.B. Knet- oder Gießlegierungen, von hoher Qualität auf rationelle Weise herzustellen. Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird auf

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eine "besondere Weise von der Vakuumtechnik (gebrauch gemacht, ui eine Aluminiumschmelze zu behandeln. Zwar bezieht sich die folgende Beschreibung in erster Linie auf die Behandlung von Aluminium, doch liegt es auf der Hand, daß sich die Erfindung auch bei der Erzeugung anderer Leitmetalle und ihrer Legierungen anwenden läßt.

Aus der französischen Patentschrift 918 574- ist es bekannt, daß es möglich ist, eine Aluminiumschmelze dadurch zu entgasen, daß man bewirkt, daß die Schmelze in Form eines Strahls in eine Vakuumkammer bzw. einen mit einem Vakuum beaufschlagten Ofen hineingesaugt wird. Hierbei wird von der Theorie ausgegangen, daß sich eine schnellere und wirksamere Entgasung erzielen läßt, als es bei der Vakuumbehandlung einer in "Buhe" befindlichen Schmelze möglich ist. Zur Erklärung dieses Vorgangs wird die Tatsache herangezogen, daß in dem durch das ^etall gebildeten Strom oder Sprühstrahl ein geringer statischer Flüssigkeitsdruck herrscht, und daß eine erheblich größere Oberfläche vorhanden ist, wenn man den Strom oder Strahl mit einer ruhenden Schmelze vergleicht, die sich in einem Industrieofen befindet, so daß die Oberfläche der Metallmasse relativ klein ist, und daß sich der statische Druck mit zunehmender Tiefe erhöht, wodurch das Entgasen der Schmelze erschwert wird, wobei beim Überschreiten eines bestimmten kritischen Abstandes von der· Oberfläche überhaupt (jede Entgasung verhindert wird. '

Die genannten Faktoren stehen in der Praxis in bestimmten Beziehungen zueinander. Aus der folgenden Beschreibung geht hervor, daß das Ausmaß der Entgasung und der Reinigung weitgehend durch den Strömungsverlauf des Strahls bestimmt wird, dem eine kritische Bedeutung zukommt, und der die verschiedensten komplizierten Formen annehmen kann, was sich wiederum nach mehreren Faktoren richtet, auf die im folgenden näher eingegangen wird.

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Das bis jetzt gebräuchliche Verfahren, eine Vakuumbehandlung einer Aluminiumschmelze im Industriellen Maßstab durchzuführen, besteht darin, daß man das geschmolzene Aluminium Charge für Charge in einen Vakuumofen einleitet, der nach dem Einleiten der Aluminiumschmelze bis auf den gewünschten Unterdruck evakuiert und in diesem Zustand gehalten wird, bis die Charge aus dem geschmolzenen Aluminium im erwünschten oder erreichbaren Ausmaß von den Stoffen oder Verunreinigungen befreit worden ist, die beseitigt werden sollen. Bei diesem bekannten Verfahren ergeben sich jedoch Nachteile; erstens entspricht der erreichbare Reinigungsgrad nicht immer den Erfordernissen oder Wünschen des Verbrauchers, und zweitens nimmt diese Behandlung eine so lange Zeit in Anspruch, daß sich nur ein verhältnismäßig geringer Durchsatz erzielen läßt und sich entsprechend hohe Produktionskosten ergeben.

Versuche haben gezeigt, daß beim Entgasen einer Aluminiumschmelze in Form eines Stroms im Vakuum der Metallstrom eine unterschiedliche, jedoch charakteristische Form und "Zusammensetzung" annimmt, wobei sich diese Faktoren nach mehreren verschiedenen regelbaren Größen richten. Allgemein gesprochen setzt sich der Strom oder Sprühstrahl aus dem Metall aus -zwei Zonen zusammen, und zwar einer zentralen Zone, in der das Metall im wesentlichen einen Metallschaum bildet, und einer äußeren Zone, in der das Metall in Form von tropfen vorhanden ist.

Die Verteilung des Metallvolumens innerhalb dieser beiden Zonen richtet sich wiederum nach mehreren Faktoren, und zwar dem Druck in der Vakuumkammer, dem Gasgehalt des Metalls, dem Durchmesser, der Länge und der Form des Ansaugrohrs, und die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Strahls wird durch den Druck in der Vakuumkammer sowie den Durchmesser, die Länge und die Form des Ansaugrohrs bestimmt. Gewöhnlich befindet sich ein Anteil von über 90% des Metalls in der zentralen Zone. Der Durchmesser der

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zentralen Zone nimmt mit zunehmendem Abstand von der Ansaugöffnung zu; dies bedeutet, daß das Gewicht an Aluminium, das in dem zentralen Strahl je Eaumeinheit vorhanden ist, verhältnismäßig stark in Abhängigkeit vom Abstand von der Ansaugöffnung zurückgeht, d.h. daß sich die Porosität des Metallschaums vergrößert. Dies bedeutet ferner, daß das Verhältnis zwischen der Oberfläche des Metalls und dem Metallgewicht mit zunehmendem Abstand von der Ansaugöffnung in einem erheblichen Ausmaß zunimmt, d.h. daß sich die freiliegende Oberfläche des Metalls, die dem Vakuum ausgesetzt ist, und an der sich die Entgasung abspielen kann, mit zunehmendem Abstand von der Ansaugöffnung vergrößert. Beispielsweise kann das Gewicht der Aluminiumschmelze je Raumeinheit bei einem bestimmten Gasgehalt, einer bestimmten Düsenform und einem Druck von 1 Torr in einem Abstand von 1000 mm von der Ansaugöffnung in der Größenordnung von 0,006 g/cm-^ liegen kann, d,h. daß das Volumen der zentralen Zone zu über 99% aus Gas besteht. Unter diesen Umständen verhält sich der Metallstrom eher wie ein Sprühstrahl. Wird eine Aluminiumschmelze in der beschriebenen Weise in Form eines Sprühstrahls im Vakuum entgast, läßt sich daher im Vergleich zur Vakuumbehandlung einer ruhenden Schmelze wie auch im Vergleich zu mehreren anderen bekannten Verfahren zum Entgasen von Aluminiumschmelzen eine erheblich bessere Wirkung erzielen.

Ebenso wie bei der Behandlung einer ruhenden Schnelze mit einem Vakuum ist es schwer, sich vorzustellen, daß eine homogene Bildung von Blasenkernen stattfindet. Die Bildung der Kerne von Blasen spielt sich von Natur aus auf heterogene Weise ab, und zwar entstehen Blasenkerne an den Wänden der Ansaugöffnung, an der feuerfesten Auskleidung des Überströmkanals sowie an den in dem Metallstrom selbst enthaltenen nichtmetallischen Ielichen. Daher wird eine Verringerung des ^üehalte an diesen Verunreinigungen auch dadurch erzielt, daß diese Verunreinigungen in der Schmelze nach oben steigen. Zusätzlich zu der Entgasung des Strahls

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in der Kammer spielt sich eine gleichzeitige Entgasung des durch die Schmelze gebildeten Bades ab.

Bringt man die Ansaugvorrichtung auf entsprechende Weise an, ist es möglich, mit Hilfe des ^iViet all Stroms eine starke Rührwirkung in dem Metallbad hervorzurufen, und da eine ausreichende Anzahl von Blasenkernen in der zentralen Zone des Strahls entsteht und diese Blasenkerne in das Bad eingeführt werden, können sich die Blasenkerne besonders vergrößern und in einem stärkeren Ausmaß dafür sorgen, daß Verunreinigungen zur Oberfläche der Schmelze transportiert werden. Hierbei entsteht in dem Strahl eine zentrale Zone mit einem ^Kern" von höherer Dichte, d.h. die Porosität dieses "Kerns" ist erheblich geringer als'im übrigen Teil der zentralen Zone. Die in dem Strahl vorhandene Turbulenz führt dazu, daß auch der "Kern" in der zentralen Zone dem Vakuum ausgesetzt wird, und die Entgasungs- und Leuterungswirkung wird dadurch aufrechterhalten, daß dem Metallstrom während der Vakuumbehandlung eine bestimmte mittlere Länge verliehen wird.

Ergreift man Maßnahmen, die bewirken, daß die mittlere Länge des Strahls nahe bei dem kleinsten Wert liegt, bei dem eine optimale Behandlung abläuft, daß der Strahl unter einem kleinen Winkel gegen eine waagerechte Ebene verläuft, und daß der Strahl in der waagerechten Ebene eine bestimmte Eichtung hat, läßt sich während der Vakuumbehandlung eine kräftige Zirkulation der das Bad bildenden Schmelze erzielen. Versuche haben gezeigt, daß diese Zirkulation der dem Vakuum ausgesetzten Schmelze zu einer Verstärkung der Läuterungswirkung bezüglich nichtmetallischer Teilchen führt, und daß es sich bei dieser Läuterungswirkung offenbar um einen Agglomerationsvorgang handelt.

Ein wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin, daß es das erfindungsgemäße Verfahren auch ermöglicht, aus der Metallschmelze Oxide und andere nichtmetallische Teilchen zu entfernen, während die beschriebene Vakuumbehandlung

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durchgeführt wird.

Wenn man das erfindungsgemäße Verfahren durchführt, bei dem der Metallstrahl einem Vakuum ausgesetzt wird, zeigen Versuche, daß es möglich ist, die Schmelze mit mehreren Legierungselementen zu legieren, die gewöhnlich bei Aluminium verwendet werden, z.B. mit Magnesium, Eisen und Silizium, wenn man diese Elemente in reiner Form in die noch leere Vakuumkammer oder den Ofen einbringt, bevor mit der Vakuumbehandlung begonnen wird. Die durch den Metallstrahl hervorgerufene intensive Rührwirkung steigert die Geschwindigkeit der Auflösung der Legierungselemente, und gleichzeitig werden die sich auflösenden Legierungselemente sehr gleichmäßig mit der Schmelze gemischt. Auch Stoffe zum Verfeinern des Korns können in der gleichen Weise beigefügt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren bewirkt insbesondere eine Verringerung des Gehalts der Schmelze an bestimmten Verunreinigungen wie Wasserstoff, Natrium und nichtmetallischen Teilchen, während die Schmelze gleichzeitig legiert wird, so daß man die gewünschte' Legierung erhält.

Bei Legierungen, die besondere Anforderungen erfüllen müssen und z.B. einen niedrigen Gehalt an Natrium aufweisen sollen, z.B_o bei Aluminium, das 5% Magnesium enthält, sind Verfahren entwickelt worden, bei denen ein nicht reaktionsfähiges Gas, z.B. Argon, über die Ansaugöffnung und/oder durch die Schmelze hindurch zugeführt wird, während die Schmelze einem Vakuum ausgesetzt ist. Dieses zugeführte Gas dient in erster Linie als Transportgas für das zum Verdampfen gebrachte Natrium.

Die vorstehend beschriebene spezielle Anwendungsweise des Vakuumverfahrens, bei dem die Aluminiumschmelze entgast, von nichtmetallischen Verunreinigungen und Natrium befreit, gleichzeitig legiert und gegebenenfalls außerdem mit einem Kornverfeinerungsmittel gemischt wird, wird im

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- 8 folgenden als "dynamische Vakuumbehandlung" bezeichnet.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen von' Leichtmetallegierungen, insbesondere Aluminiumlegierungen, ist in erster Linie dadurch gekennzeichnet, daß die gewünschten Legierungselemente zuerst in einen Vakuumofen eingebracht werden, daß der Ofen dann evakuiert wird, daß hierauf eine Leichtmetallschmelze in die Ofenkammer in Form eines Metallstrahls eingeleitet wird, der auf diese Weise der Wirkung des Vakuums ausgesetzt wird, um den Gehalt an Verunreinigungen wie Wasserstoff, Natrium, Oxiden und anderen nichtmetallischen Teilchen zu verringern, und daß dem Metallstrahl bezüglich seines Aufbaus und seines Verlaufs, seiner mittleren Länge wie auch bezüglich seiner Geschwindigkeit und seiner Richtung eine solche Form verliehen wird, daß sich die Legierungselemente leicht in der Schmelze iösen können und sich-in dem Vakkumofen mit der Schmelze vermischen, so daß unmittelbar nach der Beendigung der Vakuumbehandlung und des Legierungsvorgangs eine Legierung der gewünschten Art zum Gießen zur Verfügung steht.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Vakuumkammer vorhanden ist, die eine oder mehrere Düsen zum Ansaugen geschmolzenen Metalls in Form eines oder mehrerer Strahlen aufweist.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Vorrichtung zum Behandeln einer Leichtmetallschmelze in einem stark vereinfachten senkrechten Schnitt; und

Fig. 2 in einem ebenfalls vereinfachten waagerechten Schnitt eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung zum Behandeln einer Leichtmetallschmelze„

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In Fig. 1 erkennt man einen insgesamt mit 1A bezeichneten Vakuumofen mit einer Vakuumkammer 1, die mit Hilfe einer nicht dargestellten Vakuumpumpe evakuiert werden kann. Ferner ist der Vakuumofen 1A mit einer Heizeinrichtung versehen, die nicht dargestellt ist, da sie ebenso wie die Vakuumpumpe von bekannter Art sein kann. Geschmolzenes Aluminium wird dem Vakuumofen mittels eines Überströmkanals 3 zugeführt, und zwar z.B. von einem Sammel- oder Mischofen oder Tiegeln aus; ferner ist es möglich, dem Vakuumofen auf elektrolytischem Wege gewonnenes rohes Metall unmittelbar zuzuführen.

Der Überströmkanal 3 führt das Metall einer oder mehreren Düsen 2 zu, die in der Vakuumkammer Λ münden, und zwar unter bestimmten Winkeln gegenüber einer senkrechten und einer waagerechten Ebene, in einer bestimmten Höhe über dem Boden der Vakuumkammer sowie in einer bestimmten Höhe oberhalb der Oberfläche der Schmelze, deren Lage dem maximalen I halt der Vakuumkammer entspricht; ferner wird der Metallstrahl so zugeführt, daß er während der Vakuumbehandlung eine optimale mittlere Länge aufweist, so daß sich die Entgasung und die Verringerung des ^ehalts an Natrium, nichtmetallischen Teilchen und anderen Verunreinigungen auf optimale Weise abspielt; ferner wird der Metallstrahl so zugeführt, daß sein Aufbau und sein Verlauf, d.h. Größen, die durch den Innendurchmesser, die Länge und die Querschnittsform der Ansaugdüse sowie den Unterdruck in der Vakuumkammer bestimmt werden und die Richtung'des Strahls derart sind, daß die gewünschte Rührwirkung erzielt wird, damit die Legierungselemente, die in den leeren Vakuumofen vor dem Beginn der Vakuumbehandlung eingebracht worden sind, gelöst und mit der Schmelze gemischt werden. Die Legierungselemente können in fester Form verwendet werden, und zwar gegebenenfalls in Form einer daraus gebildeten Legierung·

Der Aufbau der Vorrichtung steht in einer gewissen Beziehung zu den geometrischen Verhältnissen der Vakuum-

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kammer; hierauf wird im folgenden anhand von Fig. 2 näher eingegangen.

Um das Verfahren für eine Vakuumbehandlung mit Hilfe der beschriebenen Vorrichtung durchzuführen, werden die Legierungselemente, z.B. Magnesium, Eisen und Silizium, entweder in ihrer reinen metallischen festen Form oder in Gestalt einer Vorlegierung in den leeren Vakuumofen bzw. die Vakuumkammer eingebracht. Dann wird die Aluminiumschmelze dem Überführungskanal 3 zugeführt, wobei' die Düsen 2 zunächst geschlossen gehalten werden, bis die Schmelze in dem Überführungskanal eine ausreichende Standhöhe erreicht hat, d.h. bis die Oberfläche der Schmelze um etwa 100 bis 300 mm höher liegt als die Oberkante der Eintrittsöffnung ^eaer Düse, woraufhin die Düsen geöffnet werden, so daß die Schmelze in die vorevakuierte Kammer 1 auf eine solche Weise hineingesaugt wird, daß jede Düse 2 einen in die Vakuumkammer eintretenden Strahl aus geschmolzenem Aluminium erzeugt. Hierbei wird die Standhöhe des geschmolzenen Aluminiums in dem Überströmkanal 3 vor den Düsen 2 vorzugsweise möglichst genau konstant gehalten.

Sobald ein durch die Aluminiumschmelze gebildeter Strahl in die evakuierte Ofenkammer 1 hineingesaugt wird, spielt sich nahezu augenblicklich eine Entgasung,ab, während sich gleichzeitig der Gehalt der Schmelze an Natrium und nichtmetallischen Verunreinigungen erheblich verringert. Außerdem weist der Strahl in diesem Zeitpunkt einen solchen Aufbau, einen solchen Verlauf, eine solche Geschwindigkeit und eine solche Richtung auf, daß sich die vorher in den Vakuumofen eingebrachten Legierungselemente leicht auflösen und mit der Schmelze gemischt werden, so daß die gewünschte Legierung sofort nach der Beendigung der Vakuumbehandlung zum Gießen zur Verfügung steht. Ein Kornverfeinerungsmittel kann in den Überströmkanal 3 in. der Strömungsrichtung vor den Ansaugöffnungen oder den Düsen eingebracht werden, während die dynamische Vakuumbehandlung

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stattfindet. Es ist jedoch auch, möglich, Kornverfeinerungsmittel vor dem Beginn der behandlung in die Vakuumkammer einzubringen.

lerner ist es möglich, der_o Aluminiumschmelze während der Vakuumbehandlung auf bekannte Weise nicht reaktionsfähige Gase zuzuführen. Beispielsweise kann man ein chemisch neutrales Gas auf eine nicht dargestellte Weise in die Vakuumkammer 1 oberhalb der Schmelze bzw. des Bades einleiten oder ein solches Gas gemäß Fig. 1 über mehrere Öffnungen 8 zuführen, so daß das Gas durch die Schmelze hindurchgeleitet wird; ferner kann man am Boden des Vakuumofens 1A Zuführungslanzen vorsehen, .und weiterhin ist es möglich, das Gas den Düsen 2 über Rohrleitungen 7 zuzuführen, die Jeweils in der zugehörigen Düse münden.

Das zugeführte, nicht reaktionsfähige Gas dient in erster Linie als Transportgas für das zur Verdampfung gebrachte Natrium, doch bewirkt es gleichzeitig eine stärkere Verringerung des Gehalts der Schmelze an Wasserstoff und nichtmetallischen Teilchen.

Soll ein stark verunreinigtes Metall behandelt werden, kann man zusätzlich ein Filter 6 benutzen, das den Ansaugdüsen 2 nahe benachbart ist. Das Filter 6 ist in dem Überführungskanal 3 außerhalb der Vakuumkammer 1 angeordnet und weist ein oder mehrere Eohre mit einem offenen Ende auf, die mit der Ansaugdüese 2 verbunden sind. Diese Filterrohre bestehen aus feuerfestem Werkstoff und haben eine bestimmte Porosität, so daß das Metall infolge des in der Vakuumkammer herrschenden Unterdrucks durch die Wände der Filterrohre hindurchgesaugt wird.

Vor dem Hineinsaugen der Schmelze in die Vakuumkammer 1 wird die Ansaugöffnung jeder Düse 2 mit Hilfe.einer Dichtung 9 geschlossen gehalten, die aus einem- Dichtungswerkstoff besteht, der schmilzt oder verbrennt, sobald er in dem Überströmkanal 5 in Berührung mit dem geschmolzenen

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Aluminium kommt, was geschieht, sobald die Schmelze die gewünschte Standhöhe erreicht hat, so daß die Düsenöffnungen im richtigen Zeitpunkt freigegeben werden und die Schmelze in die Vakuumkammer 1 hineingesaugt werden kann. Als Dichtungswerkstoff kann man z.B. einen organischen Werkstoff verwenden, der durch das geschmolzene Aluminium zur Entzündung gebracht wird und verbrennt, sobald die Schmelze die gewünschte Standhöhe erreicht; jedoch kann die Dichtung auch aus einem Metall, z.B. Aluminium, mit einer entsprechenden Schmelztemperatur bestehen₀ Man kann jedoch den gewünschten Abschluß auch auf einfache Weise dadurch bewirken, daß man eine Dichtung, z.B. ein Flachmaterialstück aus Asbest oder Schaumgummi, zwischen der Ansaug- oder Einlaßöffnung und einer Metallplatte anordnet. Sobald der Überströmkanal 3 gefüllt ist, wird die Metallplatte zur Seite bewegt, um die Vakuumbehandlung einzuleiten. Eine solche Anordnung wird verwendet, wenn vor der Ansaugöffnung in der beschriebenen Weise ein Filter 6 vorhanden ist.

Fig. 2 zeigt eine zweckmäßige Anordnung von Düsen bei einem langgestreckten Vakuumofen 11A. Um in der Vakuumkammer 11 lange Metallstrahlen 14 zu erzeugen, sind die Düsen 12 in eine Stirnwand des Vakuumofens eingebaut, der z.B. eine allgemein zylindrische Querschnittsform haben kann.

Wie erwähnt, wird die Wirkung der dynamischen Vakuumbehandlung nach der Erfindung in einem erheblichen Ausmaß durch mehrere Parameter und bestimmte Beziehungen zwischen diesen Parametern bestimmt» Die besten Ergebnisse lassEn sich erzielen, wenn diese Parameter in den nachstehend genannten Bereichen liegen:

Düsendurchmesser 20-55 nun

Mittlere Länge des Strahls 800-1800 mm

Düsenlänge 15-300 mm

Kegelwinkel der Düsen 2°

Winkel der Düsenachse gegen die Waagerechte 3-20°

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Temperatur . ' 680-780° σ

Druck in der Vakuumkammer ■ unter 20 Torr

■ Natürlich kann man das Verfahren und die Vorrichtungen der vorstehend beschriebenen Art innerhalb der genannten Bereiche variieren und verschiedene weitere Abänderungen vorsehen, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.

Gemäß der Erfindung ist es möglich, die im folgenden zusammengestellten Vorteile zu erzielen:

Eine nahezu augenblickliche Entgasung und eine Verringerung des Gehalts der Legierung an fein verteilten Oxiden und anderen nichtmetallischen Teilchen bei gleichzeitigem Legieren der Schmelze;

Eine gute Rührwirkung bei einer gleichmäßigen Verteil lung der Legierungselemente;

eine erhebliche Verringerung des Natriumgehalts der Schmelze;

eine hohe Ausbeute bezüglich der beigefügten Legierungselemente;

geringe Schlackenverluste;

eine Steigerung der Durchsatzleistung der Behandlungsvorrichtung;

eine Steigerung der Produktivität;

eine erhebliche Verringerung des Verbrauchs an vorlegierten Legierungselementen; und

Vermeidung des Gebrauchs von Rührwerkzeugen, durch die die Schmelze verunreinigt wird; beispielsweise wird eine Verunreinigung mit Eisen bei Legierungen vermieden, die einen hohen Glanz erhalten sollen.

Im folgenden werden weitere Beispiele gegeben, um die Erfindung zu veranschaulichen; für diese Beispiele gelten, die nachstehenden Parameter der Vorrichtung zum Durchführen der dynamischen Vakuumbehandlung:

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Düsendurchmesser 35 mm

Düsenlänge . 170 mm

Neigungswinkel der Düsenachse gegen die Waagerechte 6°

Mittlere Länge des Strahls etwa 1000 mm

Vakuumkammer in Form eines waagerechten Zylinders; Innendurchmesser etwa 2400 mm

Druck in der Vakuumkammer unter 10 Torr

Fassungsvermögen der Vakuumkammer,

metrische Tonnen 20

Die Beispiele gelten für die Behandlung von primärem oder rohem Metall·

Beispiel 1

Legierung 50-S (450 metrische Tonnen) Zusammensetzung: 0,19 bis 0,24% Eisen, 0,43 bis 0,47% Magnesium, 0,48 bis 0,52% Silizium, Rest Aluminium.

Leuterungsgrad: Wasserstoff 45%

Sauerstoff 50%

Nichtmetallische Einschlüsse etwa 50%.

Endgültige Werte

Wasserstoff: 0,12 +0,02 ml H₂/100 g Al N.T.P. (1S) Sauerstoff: 6+1,5 ppm 0 (1S)

Die Ausbeute an Legxerungselementen betrug praktisch 100%. Der Verlust an Magnesium ließ sich mit Hilfe der spektrographischen Analyse nicht feststellen. Es wurde kein nichtreaktionsfähiges Gas eingeleitet,, Mittlere Durchsatzleistung: etwa 1 metrische Tonne/min.

Beispiel 2

Aluminiumlegierung mit 5% Magnesium (100 metrische Tonnen)

Es wurde ein nicht reaktionsfähiges Gas eingeleitet.

Endgültige Werte

Wasserstoff: 0,12 ml H₂/100 g Al N.T.P.

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Natrium: 3 ppm.

Verringerung des Genalts an nichtmetallxschen Teilchen:

etwa 40%

Vernachlässigtar geringer Verlust an Magnesium.

Beispiel 3

99»5-prozentiges Aluminium (600 metrische Tonnen) Es wurde kein chemisch neutrales Gas zugeführt. Endgültige Werte '

Wasserstoff: 0,10 +0,03 ml HV100 g Al N.T.P. Sauerstoff: unter 1,5 ppm 0

Verringerung des Gehalts an nichtmetallischen Teilchen etwa 45%. -

Beispiel 4

Aluminium mit 2% Magnesium (200 metrische Tonnen) Es wurde ein nicht reaktionsfähiges Gas zugeführt.

Endgültige Yi/erte

Wasserstoff: 0,06 ml H₂/100 g Al N.T.Po

Natrium: unter 3 ppm

Vernachlässigbar geringer Verlust an Magnesium.

Patentansprüche: 209885/0931

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum'Erzeugen von Leichtmetallegierungen, insbesondere Aluminiumlegierungen, dadurch ' gekennzeichnet, daß die gewünschten Legierungselemente zuerst in einen Vakuumofen eingebracht werden, daß der Vakuumofen dann evakuiert wird, daß eine Leichtmetallschmelze in die Ofenkammer des Vakuumofens durch eine Ansaugwirkung in · Form eines Metallstrahls eingeleitet wird, um einer Vakuumbehandlung zur Verringerung des Gehalts der Schmelze an Verunreinigungen wie Wasserstoff, Natrium, Oxiden und anderen nichtmetallischen Teilchen unterzogen zu werden, und daß der Metallstuhl bezüglich seines Aufbaus, seines Strömungsverlaufs und seiner mittleren Länge eine solche Gestalt erhält und der Ofenkammer mit einer solchen Geschwindigkeit und in einer solchen Richtung zugeführt wird, daß ein leichtes Auflösen der Legierungselemente und ein Mischen der Legierungselemente mit der Schmelze in dem Vakuumofen ermöglicht wird, so daß unmittelbar nach der Beendigung der Vakuumbehandlung und des Legierungsvorgangs die gewünschte Legierung zum Gießen zur Verfugung steht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine oder mehrere Düsen benutzt werden, über die die Schmelze in die Vakuumkammer hineingesaugt wird, und bei dem die Schmelze den Düsen mittels eines Überführungskanals zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet , daß die Standhöhe des geschmolzenen Metalls in dem Überführungskanal vor den Düsen möglichst konstant und in einer Höhe von 100 bis 300 mm über der" Oberkante jeder Düsenöffnung gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 zum Erzeugen von Aluminiumlegierungen, dadurch gekennzeichnet , daß Legierungselemente, deren Verwendung bei Aluminiumlegierungen üblich ist, z.B. Magnesium, Mangan, Eisen, Silizium usw.,

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in die leere Vakuumkammer eingebracht werden, bevor die Vakuumbehandlung eingeleitet wird, so daß die Aluminiumschmelze während der Vakuumbehandlung zur Erzielung der gewünschten . Zusammensetzung derart legiert wird, daß es möglich ist, auf alle anderen Maßnahmen zum Mischen und Rühren der Bestandteile zu verzichten.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet , daß in den Überführungskanal vor den Düsen während der Vakuumbehandlung Kornverfeinerungsmittel eingebracht werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß in die leere Vakuumkammer vor dem Einleiten der Vakuumbehandlung Kornverfeinerungsmittel eingebracht werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß während des Hineinsaugens der Schmelze in die Vakuumkammer ein nicht reaktionsfähiges Gas in die Vakuumkammer eingeleitet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch g e k e η η zeichnet , daß das nicht reaktionsfähige Gas über die Düsen in die Vakuumkammer eingeleitet wird.

8* ' Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß das nicht reaktionsfähige Gas in die Vakuumkammer durch das durch die Schmelze gebildete Bad hindurch eingeleitet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß das nicht reaktionsfähige Gas in die Vakuumkammer oberhalb des durch die Schmelze gebildeten Bades eingeleitet wird.

10. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bi3 9» dadurch gekennzeichnet , daß die Vakuumkammer (1) eine oder mehrere Düsen (2) aufweist,

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die dazu dienen, in die Vakuumkammer geschmolzenes Metall in Form eines oder mehrerer Strahlen (4) hineinzusaugen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Breite der Düsenöffnungen im Bereich von 20 bis 55 mm liegt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet , daß die mittlere Länge des durch die zugeführte Schmelze gebildeten Strahls in der Vakuumkammer (1) während der Vakuumbehandlung im Bereich von 800 bis. 1800 mm liegt.

13· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Länge der bzw. jeder Düse (2) im Bereich von 50 bis 300 mm liegt.

14· Vorrichtung nacxi einem der Anspräche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet , daß die Achse der bzw. jeder Düse (2) mit einer waagerechten Ebene einen Tifinkel im Bereich von 3° bis 20° bildet.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet , daß der Druck in der Vakuumkammer (1) während der Vakuumbehandlung unter 20 Torr liegt.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet , daß die Einlaßöffnung der bzw. jeder Düse (2) vor dem Hineinsaugen der Schmelze in die Vakuumkammer (1) durch eine Dichtung (9) geschlossen gehalten wird, die aus einem Dichtungswirkstoff besteht, der unter der Einwirkung der Schmelze in dem Uberführungskanal (3) zerstört wird, sobald die Schmelze in dem Uberführungskanal die gewünschte Standhöhe erreicht hat, so daß die Einlaßöffnungen der Düsen freigegeben werden, um das Hineinsaugen der Schmelze in die Vakuumkammer zu ermöglichen.

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17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet , daß der Dichtungswerkstoff ein organischer Werkstoff ist, der unter der Einwirkung der Schmelze entzündet wird und verbrennt, sobald die Schmelze die gewünschte Standhöhe in dem Überführungskanal (3) erreicht hat.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungswerkstoff ein Metall, z.B. Aluminium ist, das eine solche Schmelztemperatur hat, daß es unter der Einwirkung der Schmelze schmilzt, sobald die Schmelze in dem Überführungskanal (3) die gewünschte Standhöhe erreicht hat.

19. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnung der bzw. jeder Düse (2) vor dem Hineinsaugen der Schmelze in die Vakuumkammer (1) durch eine bewegbare Platte geschlossen gehalten wird, die sich entfernen läßt, sobald die Schmelze in dem Überführungskanal (3) die gewünschte Standhöhe erreicht hat, um das Hineinsaugen der Schmelze in die Vakuumkammer einzuleiten.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet , daß der Durchmesser der bzw. jeder Düse (2) die mittlere freie Länge des Metallstrahls (4), der Winkel, den die Achse der bzw. jeder Düse mit einer waagerechten Ebene bildet, und die Anzahl der Düsen unter Berücksichtigung der geometrischen Form der Vakuumkammer (1) gewählt sind·

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 20, dadurch gekennzeichnet , daß in der bzw. jeder Düse (2) eine Rohrleitung (7) zum Zuführen eines nicht reaktionsfähigen Gases mündet.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 21, dadurch gekennzeichnet , daß ein Filter (6) mit einem oder mehreren Rohren aus einem feuerfesten,porösen Werkstoff in dem Überführungskahal (3) vor der bzw. jeder Düse (2) an-

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geordnet ist, und daß das offene Ende jedes Filterrohrs mit der zugehörigen Düse mit abdichtender Wirkung verbunden ist, so daß das geschmolzene Metall durch den in der Vakuumkammer (1) herrschenden Unterdruck durch die porösen Wandflächen der Rohre hindurchgesaugt wird, um filtriert zu werden.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 22, bei der die Vakuumkammer eine langgestreckte Form hat, dadurch gekennzeichnet , daß die Düsen (12) in eine Stirnwand der Vakuumkammer (11) so eingebaut sind, daß sich die . Metallstrahlen gegenüber der Vakuumkammer allgemein in der Längsrichtung erstrecken.

Der Patentanwalt:

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