-
Verfahren und Vorrichtung zur metallurgischen Behandlung von Metallschmelzen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur metallurgischen Behandlung von Metallschmelzen,
vorzugsweise Al-Schmelzen sowie eine Gießöfen betreffende Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens.
-
Der Stand der Technik innerhalb der NE-Ietallurgie, besonders der
Al-Metallurgie, ist dadurch gekennzeichnet, daß das Einsatzgut (Hütten-Aluminium,
Legierungselemente und ein bestimmter Anteil Kreislaufmaterial) in gas-, elektro-oder
ölbeheizten Ofen aufgeschmolzen wird und mittels Überführungsrinne oder einer Transportpfanne
zum Gieß-oder Warmhalteofen transportiert wird.
-
In den Transportgefäßen, speziellen Einrichtungen oder an Gieß- bzw.
Warmhalteöfen können weitere metallurgische Verfahrensschritte durobgeftihrt werden.
Daran anschließend erfolgt das Vergießen der behandelten Metallschmelzen entweder
kontinuierlich an Stranggußanlagen, z. B, Bandgießanlagen, oder diskontinuierlich
an den Formgußmaschinen.
-
Metallurgische Verfahrensschritte können das Spülen der Schmelze mit
inerten Gasen, die Behandlung der Schmelze mit Salzen, Chlorpatronen oder anderen
Chemikalien, eine Vakuumentgasung, eine Filterung der Schmelze u. a.
-
darstellen. Sie erfordern spezielle Einrichtungen, die oft
mit
sehr hohem apparativem Aufwand verbunden sind. Die metallurgischen Verfahren sind
nur dann voll wirksam, wenn nach ihrer Durchführung die flüssige Schmelze entweder
auf ihrem Weg bis zur Gießeinrichtung mit der Atmosphäre nicht wieder in Beruhrung
kommt oder im Falle von Al-Schmelzen der Transport des flüssigen letalls im Oiidschlauch
erfolgt.
-
Wird der Transport der Schmelze in offenen Pfannen, durch Rinnen oder
andere Vorrichtungen durchgeführt, die mit der Umgebungsluft in Verbindung stehen
und in denen außerdem Turbulenz der Metallschmelze entsteht, so sind Oxydation und
Gasaufnahme durch die Schmelze bei Al-Werkstoffen nicht zn vermeiden. In diesen
Fällen wird die Wirkung einer vorausgegangenen metallurgischen Behandlung der Schmelze,
beispielsweise einer Vakuumentgasung, aufgehoben. Um diese Mängel zu vermeiden,
muß die Metallförderung vom Gießofen zur Gießeinrichtung - bei feststehenden Öfen
über eine Stopfenregelung, verbunden mit einer Rinne, - durch ein geschlossenes
Rohrsystem, verbunden mit einer Induktionspumpe oder - ein Steigrohr im Gießofen
und ein ich anschlie-Bendes Rinnensystem erfolgen. Die Rinnen müssen dabei so gestaltet
werden, daß ein aufreißen des Oxidschlauches im Falle von Al-Werkstoffen nicht eintreten
kann. Werden geschlossene Rohrsysteme mit Induktionspumpen verwendet, so entsteht
hoher apparativer nutwand.
-
Zur Vakuumentgasung einer Schmelze verwendet man in den meisten Fällen
den üblichen Rinneninduktionsofen, dessen Ofengehäuse als druckdichter Metallmantel
ausgebildet oder als gesamter Ofen in einen geschlossenen Metallbehalter so angeordnet
ist, W er evakuiert werdenkann.
Vorzugsweise werden netzfrequenzbetriebene
Rinneninduktionsöfen eingesetzt, um während der Vakuumbehandlung die Wärmeverluste
in der Schmelze auszugleichen und eine elektro-magnetische Durchrührung der Schmelze
zu erhalten. Die Entgasung wird durchgeführt, indem im Ofen der Raum oberhalb einer
Metallschmelze evakuiert wird, so daß an der Oberfläche der Metallschmelze die Entgasung
erfolgt. Ausführungsbeispiele, die in der Patentliteratur beschrieben werden (DT-AS
1 458 804 oder DT-AS 1 227 926) gestatten bei Anwendung der Vakuumentgasung in der
Al-Metallurgie eine erhebliche Verminderung des Gas- und Oxidanteils. Sie sind jedoch
mit dem vorstehend bereits erwähnten Nachteil behaftet, daß im Nachgang der Entgasung
durch Turbulenz der Metallschmelze und Berührung mit der Umgebungsluft bei der Entleerung
durch Kippen des Ofeninhalts in eine Transportpfanne oder eine Überführungsrinne,
die das Metall zum Gießofen oder zu einer Gießeinrichtung führt, erneute Gas-und
Oxidaufnahme zustande kommt, so daß die erreichten Ergebnisse der Vakuumentgasung
teilweise oder voll aufgehoben werden.
-
Wird die Vakuumentgasung von Metallschmelzen angewendet, so kann durch
eine zusätzliche Spülung mit einem neutralen Gas eine weitergehende Entgasung erreicht
werden. Ein Ausführungsbeispiel (DT-OS 1 583 211) verwendet dafür einen Rinneninduktionsofen,
der in allen seinen Teilen im wesentlichen luftdicht ausgeführt ist. Der Induktor
ist seitlich am Schmelztiegel bzw. an der Gießpfanne angebaut. Die Entgasung erfolgt
zunächst, indem im Tiegel über der Schmelze ein Vakuum aufgebaut wird. Eine weitere
Entgasungsmöglichkeit wird bei Stahl und anderen geschmolzenen Metallen darin nach
oben zu leiten. Im Ausführungsbeispiel ist ein Gasanschluß am Induktor vorgesehen.
Diese Ausführung mit einer Zuleitung des Gases über eine Druckleitung sichert nicht,
daß alle Bereiche des flüssigen Metalls vom Gasstrom erfaßt werden.
-
Außerdem ist keine Angabe beigefügt, welches neutrale Gas eingesetzt
werden soll. Das beschriebene Verfahren ist mit den gleichen Nachteilen behaftet,
wie sie für die Vakuumentgasung im Rinnenschmelzofen aufgeführt wurden: Im Falle
einer Vakuumbehandlung und einer Spülung mit neutralem Gas im Schmelztiegel tritt
ebenso wie im Falle der Anwendung in einer Gießpfanne durch lippen des Tiegels oder
der Pfanne zum Zwecke der Ratloerung Luftberührung und Turbulenz auf, so daß erneute
Gasaufnahme und Oxydation bei Al-Schmelzen die unbedingte Folge darstellen.
-
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Patentliteratur (DT-AS 1508
108) wird die Vakuum- mit einer Druckbehandlung verbunden. Auch hier wird der bekannte
Rinneninduktionsofen mit einer oder mehreren abnehmbaren Induttoreinheiten ang@wendet.
Die Induktionsheizung gleicht die Warmeverluste in der Schmelze aus und ermöglicht
eine ständige Durchrührung der Schmelze. Die Vakuum- und Druckbehandlung wird in
einem Gefäß durchgeführt. Sie bezieht sich ii Ausführungsbeispiel auf die Verringerung
des Sauerstoffgehaltes unter ca. 0,0003 % in einer Stahlßchselse.
-
Dabei wird zuerst eine Vakuumbehandlung ausgeftihrt und im Anschluß
daran die Schmelze einer Druckbehandlung unterzogen. Zu diesem Zweck wird Luft oder
ein Inertgas in den Ofenraum oberhalb der Schmelze gedrückt und gleichzeitig C@
in die Schmelze eingeleitet.
-
Verfahren und Vorrichtung sind für die Aluminium-Metallurgie in dieser
Kombination nicht anwendbar. Die Vakuumbehandlung sar Senkung des Gas- und Oxidanteile
wird in der gleichen Weise - wie bereits beschrieben - ausgeführt, die sich anschließende
Druckbehandlung im Ofenraum über der Schmelze führt zu keiner weiteren Senkung des
Gas-und Oxidanteils in der Schmelze.
-
Die Nachteile, die für eine Vakuumentgasung im Rinneninduktionsofen
genannt wurden, lassen sich vermeiden, wenn mit 2 geschlossenen Gefäßen und geschlossenen
Rohrsysteien
gearbeitet wird. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel
(DT-OS 2 058 669) wird die Al-Schmelze aus einem Schmelz-oder Mischofen durch ein
geschlossenes Rohrsystem, das die Schmelze unterhalb des Badspiegels entnimmt, in
ein evakuiertes Behandlungagefäß gesaugt. Hier findet unter dem Einfluß des Vakuums
die Entgasung der Schmelze statt.
-
Der Transport der Schmelze vom Schmelzofen zum Behandlungsgefäß kann
auch mittels Induktionspumpe durchgeführt werden. Eine Ableitung vom Behandlungsgefäß,
das mit einer Fördereinrichtung (Induktionspumpe) versehen ist, verbindet das Behandlungsgefäß
unmittelbar mit des Verbraucher (Gießeinrichtung). Die Einrichtung eignet sich sowohl
für den chargenweisen als auch für den kontinuierlichen Betrieb, da das im Behandlungsgefäß
erzeugte Vakuum ständig aufrechterhalten bleiben kann. Der Nachteil der Vorrichtung
besteht darin, daß fUr die Vakuumentgasung zwei Gefäße - als Schmelzofen und Behandlungsgefäß
bezeichnet -sowie geschlossene Rohrverbindungen, Induktionspumpen und Ventile in
den unterschiedlichsten Ausführungsformen eriorderlich sind, so daß die angestrebte
Entgasung der Schmelze mit großem apparativem Aufwand erkauft werden muß. Der Nachteil
des Verfahrens besteht darin, daß nicht alle metallurgischen Behandlungen, z. B.
Vakuumbehandlung und sich anschließende Inertgasspülung der Schmelze, durchgeführt
werden können, sondern nur die Vakuumentgasung sowie die Zugabe von Legierungselementen
und Zuschlagstoffen.
-
Zweck der Erfindung ist es1 die vorerwähnten Mangel zu beseitigen,
den Gas- und Oxidgehalt von Metallschmelzen, vorzugsweise Al-Schmelzen, so abzusenken,
daß im Fall der Verarbeitung der Schmelze zu Formgußteilen ausschuß durch Porosität
(Verminderung der mechanischen Festigkeit von Querschnitten) und Oberflächenfehler
sowie Nacharbeit durch zusätzliche Verdichtung des Gefüges vermieden werden, im
Fall des Stranggießens und der Weiterverarbeitung zu
Halbzeugen
kein Ausschuß durch Fehler im Gefüge (Gasblasen oder Oxideinschlüsse) mit ihren
negativen Auswirkungen auf Streckgrenze, Zugfestigkeit und Dehnung sowie keine Oberflächenfehler
entstehen. Bei Verarbeitung zu Al-Folie im Dickenbereich 5 - 12 µm wird durch zu
hohe Gas- und Oxidgehalte zu hohe Porosität der Bolie und damit Ausschuß erhalten.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, in einem Gießofen sowohl
eine Vakuumbehandlung al auch eine Inertgasspülung der Schmelze durchzuführen, um
den Gas- und Oxidanteil der Schmelze, insbesondere bei Aluminiumwerkstoffen, wirkungsvoll
m verringern. Die sicb anschließende Entleerung des Gießofens nuß dabei so durchgeführt
werden, daß das Metall ohne Turbulenz bis zur Gießeinrichtung geführt wird, um die
Wirkung der Vakuumentgasung und der Inertgasspülung auf die Schmelze aufrechtzuerhalten.
-
Erfindungsgemäß besteht das Verfahren zur metallurgischen Behandlung
von Metallschmelzen, vorzugsweise Aluminiumschmelzen, aus des zeitlich aufeinander
folgenden Ablauf der Vakuumbehandlung und Inertgasspülung einer Schmelze in einem
Rinneninduktionsofen, der Entnahme der Schmelze aus dem Ofen aus einem Bereich unterhalb
der Badoberfläche mittels Steigrohr, ohne daß dabei Turbulenz des flüssigen Metalls
auftritt, und der Zuleitung der Schmelze zu einer Gießeinrichtung ohne erneute Gas-
oder Oxidaufnahme.
-
Die dazu erforderliche Vorrichtung, die der Erfindung zugrunde liegt,
ist der bekannte Rinneninduktionsofen mit einem oder mehreren am Ofengehäuse angeflanschten
Induktoren. Der Ofen ist mit der üblichen feuerfesten Auskleidung versehen und mittels
einem äußeren Stahlblechmantel druckdicht ausgeführt.
-
Die Zuführung der Schmelze in die erfindungsgemäße Vorrichtung erfolgt
über eine Zuführrinne direkt oder über eine Transportpfanne. Zu diesem Zweck wird
der kombinierte Vakuum-Druckdeckel geöffnet. Der Rinneninduktionsofen ist mit folgenden
Zusatzeinrichtungen ausgestattet: - Zuführeinrichtung für inerte Gase am Boden des
Ofengefäßes - Ableitungseinrichtung zur Evakuierung des Ofengefäßes mittels einer
oder mehrerer Pumpen - einem Steigrohr zur Metallentnahme unterhalb der Badoberfläche
und Förderung des schmelzflüssigen Metalls mit Hilfe von Druckluft aus dem Ofen.
-
Nachdem der Gießofen mit Metall gefüllt und der kombinierte Vakuum-Druckdeckel
geschlossen ist, wird über eine Ringleitung c des Ringes ca. 1 m), die einige, meist
4 - 8 Abgänge, in symmetrischer Anordnung besitzt, die jeweils in einem Spülstein
enden, ein inertes Gas, 1. B. Stickstoff oder Argon, durch die Schmelze geleitet.Diese
Zuleitung vom Boden des Ofens und die symmetrische Anordnung der Spülsteine gestatten
eine gleichmäßige Verteilung des Gases bei der Behandlung der Schmelze. Der Druck
des inerten Gases ist abhängig von der Ofengröße und muß 80 eingestellt werden,
daß der Widerstand der Flüssigkeitssäule der Schmelze überwunden wird. Die Behandlungsdauer
liegt zwischen 5 und 30 Minuten Je nach Metallinhalt des Ofens.
-
Das sich im Ofenraum oberhalb der Schmelze sammelnde Gas-Luft-Gemisch
wird über die Entgasungsleitung nach außen gefUhrt. Diese Maßnahme ist erforderlich,
um den unteren Grenzdruck der Druckentleerung über das Steingrohr nicht zu überschreiten
(die Druckentleerung beginnt bei p 0,2 atü).
-
Nach Abschluß der Inertgasspdlung wird durch Weiterbetreiben der Vakuumpumpe
bzw. der Pumpen, die über die Entgasungsleitung mit dem Ofenraum in Verbindung stehen,
das in diesem Ofenraum befindliche Gas-Luft-Gemisch abgesaugt und allmählich ein
Unterdruck erzeugt.
-
Wird der Unterdruck auf wenige Torr erhöht, so beginnt in der Grenzflache
Metallschmelze - ofenraum eine wirkungsvolle Entgasung. Die Zeitdauer dieser metallurgischen
Behandlung ist vom Metallinhalt und damit der Ofengröße abhängig und liegt zwischen
20 und 60 Minuten. Die tgasung wird durch die als Folge der induktiven Heizung auftretende
Badbewegung unterstützt, da ständig neues Metall an die Grenzfläche gelangt. Außerdem
gleicht die induktive Heizung die während der Inertgasspülung auftretenden Wärmeverluste
der Schmelze aus. Nach Bbendigung der Entgasung wird die Schmelze aus dem Ofen gedrückt.
-
Die Reihenfolge der metallurgischen Behandlungen Inertgasspülung -
Vakuumentgasung kann ebenso umgekehrt werden, so daß der Vakuumentgasung eine Inertgasspülung
in der beschriebenen Weise folgt.
-
Sind die metallurgischen Behandlungen beendet, so wird die Schmelze
durch Druckluft, die in den Ofenraum oberhalb der Schmelze eingeleitet wird, tiber
ein Steigrohr aus dem Gießofen befördert. Damit erfolgt die Entnahme der Schmelze
unterhalb des Badspiegels, so daß als Folge der Inertgasspülung auf der Oberfläche
befindliche Oxide den Ofen nicht verlassen können. Der Transport der Schmelze zur
Gießeinrichtung, beispielsweise einer Bandgießanlage, wird entweder in einem geschlossenen
Rohrsystem das sich an das Steigrohr anschließt, oder an einer offenen Rinne vorgenommen.
In letzterem Fall muß jede Turbulenz vernieden werden, um ein Aufreißen des Oxidschlauches
zu vermeiden. Die Zuordnung von zwei Gießöfen zu einer Gießeinrichtung ist dann
zweckmäßig, wenn kontinuierlicher Gießbetrieb angewendet werden soll.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert werden. Aus der zugehörigen Zeichnung ist ersichtlich: Der Rinneninduktionsofen
gemäß Fig. 1 mit seiner feuerfesten Ausmauerung 1 wird durch einen schwenkbaren,
kombinierten Vakuum-Druckdeckel 4 fest verschlossen. Ein Induktor oder mehrere Induktoren
2 sind aa äußeren Stahlmantel des Ofengefäßes angeflanscht, so daß eine feste Verbindung
zwischen dem Ofengefäß und dem Induktor bzw.
-
den Induktoren besteht.'Die Zuftihrung des inerten Gases zum Boden
des Ofengefäßes erfolgt durch eine Ringleitung 10 und in der Regel vier bis acht
Rohre 12, die jeweils in einem Spülstein 8 enden. Von hier aus wird das inerte Gas
durch die Schmelze 3 durchgedrückt. Luft und Abgase, die sich im Raum 13 über der
Metallschmelze sammeln, verlassen durch die Rohrleitung 9 und daß Wegeventil 5 sowie
die Rohrleitung 7 das Ofengefäß. Rohrleitung 7 steht mit einer oder mehreren Vakuumpumpen
in Verbindung.
-
Ist die Behandlung der Schmelze 3 mit Inertgas beendet, d. h.
-
hört die Zufuhr des Inertgases auf, entsteht beim Weiterbetreiben
der Vakuumpumpen im Raum über der Metallschmelze 13 ein Unterdruck von wenigen Torr.
Inertgaasptllung und Vakuumentgasung können mit der gleichen zurrichtung in umgekehrter
Reihenfolge durchgeführt werden. Die Metallentleerung aus dem Rinneninduktionsofen
erfolgt mittels Druckluft, die über die Rohrleitung 6, das Wegeventil 5 (das nach
Beendigung der Entgasung umgestellt werden muß) und die Rohrleitung 9 in den Raum
13 über die Metallschmelze geleitet wird. Sie wirkt auf die Metalloberfläche und
drdckt die Schmelze 3 durch das Steigrohr 11 aus dem Ofengefäß zur Gießeinrichtung.