DE2727193A1

DE2727193A1 - Verfahren und vorrichtung zum ruehren von geschmolzenem metall

Info

Publication number: DE2727193A1
Application number: DE19772727193
Authority: DE
Inventors: James Neville Byrne; Nigel Patrick Fitzpatrick; Angus James Macdonald
Original assignee: Alcan Research and Development Ltd
Current assignee: Alcan Research and Development Ltd
Priority date: 1976-06-17
Filing date: 1977-06-16
Publication date: 1977-12-22
Also published as: CH624756A5; NL7706716A; NO772129L; ES459820A1; FR2355263A1; AU2612777A; DE2727193B2; FR2355263B1; DE2727193C3; US4008884A; NO150610B; AU510520B2; GB1529174A; NO150610C; CA1090144A; JPS52153802A

Description

29 418 o/wa

ALCAN RESEARCH AND DEVELOPMENT LIMITED, MONTREAL

KANADA

Verfahren und Vorrichtung zum Rühren von geschmolzenem Metall

Die Erfindung betrifft das Rühren von geschmolzenem Metall, wie Aluminium, in einem Schmelzofen, wobei das Rühren für
jeden möglichen Zweck bewirkt wird, beispielsweise zum Erleichtern des Schmelz er. s von weiteren Anteilen an festem Metall in einer Menge an bereits geschmolzenem Metall oder dem Vermischen von zugegebenem geschmolzenen Metall oder um die Einbeziehung von zugegebenen Stoffen zu bewirken, beispielsweise

709851/1212

um Legierungen zu bilden, um die Korngrösse zu verkleinern oder um ähnliche Wirkungen zu erzielen, oder um die Gleichmässigkeit der Zusammensetzung oder der Temperatur bei einem stehenden Körper aus geschmolzenem Metall aufrecht zu erhalten.

Eine allgemeine Ofenart, wie sie für solche Verfahren verwendet wird, schliesst einen horizontalen Kessel mit vorzugsweise rechteckiger Ausführung ein, der im allgemeinen abgedeckt ist, so dass ein Raum gebildet wird, in dem die Wärme durch Direktfeuern zugeführt wird. Dabei sind Vorrichtungen zum Beladen des Ofens und ebenso zum Abstechen der Schmelze vorgesehen. In einigen Fällen ist der Ofen schwenkbar angeordnet, so dass das Metall durch einen Ausguss ausfliessen kann.

Bei Strahlungs- und anderen Schmelzöfen ist es wünschenswert, das geschmolzene Metall aus zahlreichen aus dem Stande der Technik bekannten Gründen zu rühren. Eine Vielzahl von Verfahren ist hierfür angewendet worden, einschliesslich dem manuellen Rühren und verschiedenen elektromagnetischen oder ähnlichen Verfahrensweisen. Zu den letzteren gehören: Induktionsrühren, ausgelöst durch äussere Strompfade, d.h. unterhalb des Bodens, Rühren durch Magnetvorrichtungen unterhalb des Bodens, die mit dem Strom zusammenwirken, beispielsweise dem Wechselstrom in dem Bad, und die Verwendung von sogenannten Sprungringpumpen die in Nebenbehältern angebracht sind, um einen Fluss zwischen dem Behälter und der Hauptkammer zu erzeugen. Rotierende mechanische Rührer sind auch schon verwendet worden, beispielsweise solche, die durch einen Luftmotor betrieben wurden. Obwohl dieses Verfahren einen grösseren

709851/1212

Massefluss,verursacht durch kräftige lokale Turbulenz, erzielen kann, ist es nicht geeignet, um kontinuierlich während des Heizens angewendet zu werden.

Die verschiedenen elektromagnetischen Verfahren können so ausgebildet sein, dass sie einen Massefluss und eine gewisse lokale Turbulenz erzeugen, aber sie sind teuer und in einem Ofen nur schwierig anwendbar.

Natürlich ist eine grosse Vielzahl von Verfahren angewendet oder vorgeschlagen worden, um Flüssigkeiten, die sich von geschmolzenen Metallen erheblich unterscheiden, zu rühren, d.h. normalen wässrigen oder anderen Stoffen, die bei viel niedrigeren Temperaturen flüssig sind. Aber solche Verfahren haben sich als nicht anwendbar für Metalle erwiesen. Komplexe Strukturen oder bewegbare Konstruktionen sind nicht anwendbar bei schweren mit Ziegeln ausgefütterten öfen oder bei Materialien, welche den hohen Temperaturen, den schweren mechanischen Belastungen oder der schnell zerstörenden Wirkung von geschmolzenem Aluminium oder anderen Metallen widerstehen.

Um das Rühren von geschmolzenem Metall zu bewirken, wird eine Menge des Metalles unterhalb der Oberfläche des Schmelzkörpers in einem Ofen abgezogen und schnell als ein Strahl mit verhältnismässig hoher Geschwindigkeit ausgestossen und zwar auch unterhalb der Oberfläche und wünschenswerterweise in horizontaler Richtung und in der Nähe des Bodens des Schmelzkörpers. Durch eine Änderung der Abzugs- und Strahlausstossung ist es möglich, einen massiven kreisförmigen Fluss durch ein

709851/1212

grosses Volumen geschmolzenen Metalls zu erzeugen oder einen geringeren Mischgrad zu erzielen, wenn es die Umstände erfordern .

Diese Wirkungsweise, bei dem das Metall abgezogen und wieder zugeführt wird, kann in einem Röhrenkessel bewirkt werden oder in einem Kreislauf, der sich oberhalb der Oberfläche des Schmelzkörpers, zweckmässigerweise ansteigend gegenüber einer Lokalität ausserhalb der Ofenwandung, befindet und der eine begrenzte Öffnung am unteren Ende aufweist, durch welche das Metall alternativ abgezogen und als Strahl ausgestossen wird.

Das alternative Abziehen des Metalls in einem aufwärts geneigten Kreislauf und das Ausstossen als Strahl kann zweckmässigerweise bewirkt werden durch alternierendes Verringern des Flüssigkeitsdrucks im oberen Ende des Kreislaufes, um das Metall einzuziehen und durch schnelles Umkehren und Erhöhen des Druckes auf oberhalb Atmosphärendurck, um das Metall auszustossen. Dadurch wird jeder mechnaische Kontakt mit dem geschmolzenen Metall vermieden.

Die pulsierende Strahlausstossung des Metalls kann eine Zirkulation durch eine grosse horizontale Fläche innerhalb des Ofens und eine wünschenswerte Turbulenz bewirken, wodurch ein gutes Mischung und eine gute Wärmeübertragung bei einem beachtlichen Metallvolumen längs des Pfades der Strahlausstossung bewirkt wird.

Das Rührsystem der vorliegenden Erfindung ist besonders wertvoll

709851/1212

bei Ofen, wie Strahlungsöfen, bei denen der Schmelzkörper eine geringe Tiefe und eine grosse Oberfläche hat. Bei vielen öfen dieser Art ist die Ofenkammer rechteckig. Im allgemeinen wird es für ausreichend angesehen, das Metall zu rühren, um einen einzigen Strahlausstosspunkt mit dem Strahl parallel und entlang einer Seitenwand zu bewirken. Alternativ kann der Strahl von einer Lage an einer kürzeren Endwandung oder einer Ecke im allgemeinen über die Länge des Ofens und in Richtung auf den Mittelpunkt auf eine der längeren Seitenwandungen gerichtet werden. Obwohl ein Strahlungsausstosspunkt gewöhnlich ausreicht, kann es in einigen Fällen wünschenswert sein, den Strahlungsausstoss an zwei Stellen zu bewirken, so dass sich die beiden entstehenden Strahlen gegenseitig unterstützen.

Die Rührvorrichtung zur Bewirkung der Erfindung besteht vorzugsweise aus einem röhrenförmigen Kreislauf oder Kessel, welcher vorzugsweise einen aufwärts geneigten Endteil mit einem Winkel von 25 bis 60° gegenüber der Horizontalen, die sich nach aussen durch die Ofenwandung zu einem Niveau erstreckt, welches über dem Niveau liegt, welches durch das Metall erreicht werden kann, hat.

Bei weniger bevorzugten Konstruktionen kann der röhrenförmige Kreislauf stufenförmiger geneigt oder sogar vertikal oder tatsächlich sogar fast horizontal sein. Bei solchen Konstruktionen kann sich der röhrenförmige Kreislauf durch das Ofendach erstrecken, oder er kann an einer Seitenwand angebracht sein, so dass er für die alternative Einwirkung von Sog und positivem Druck zugänglich ist. Der Durchlass am unteren Ende

- 6 709851/1212

des röhrenförmigen Kreislaufs ist rund gebogen zu einer im wesentlichen horizontalen Lage, so dass er den Strahl des Metalles in die gewünschte Richtung ausstossen kann und endet vorzugsweise in einer engen Düse, die so gebaut ist, dass sie der Erosion durch das geschmolzene Metall widersteht.

Die alternative Anwendung von Sog und positivem Druck auf das äussere Ende des Kreislaufs kann auf verschiedene Weise erzielt werden. Am einfachsten wird sie jedoch erzielt mittels eines Ejektors, welcher einen Strom eines Druckfluids zur Erzielung des Soges anwendet, wobei der Ansauganschluss des Ejektors mit der Rührleitung verbunden ist. Der Ejektor wird in Zusammenhang mit einem Ventilsystem verwendet, welches in Zeiträumen wirksam ist, um die Sogwirkung des Ejektors abzustellen und einen Druck des Stroms des Druckfluids auf die Rührerröhre zu richten, um die Energie zum Antrieb des Strahlausstosses zu bewirken. Ein Rührer dieser Art wird vorzugsweise so eingestellt, dass der Ansaugzyklus beendet wird, wenn der Druck in der Leitung einen vorbestimmten niedrigen Wert erreicht, entsprechend dem gewünschten Anstieg des Metallniveaus in der Leitung, und dann wird das Ventilsystem so eingestellt, dass es einen Druckpuls vorbestimmter Dauer ausübt, so dass dieser beendet wird bevor das Druckfluid (Luft) die Strahl ausstossende Düse erreicht. Eine Übersteuerung wird vorzugsweise vorgesehen, um den Sog abzustellen, wenn das Metallniveau das gewünschte Niveau übersteigt. Hierfür kann eine Sonde, die beim Kontakt durch geschmolzenes Metall einen elektrischen Strom schliesst, in den oberen Teil des Rührerrohrs vorgesehen sein.

709851/1212

ΛΛ

Der Ansaugdruck, bei dem die normale Sogwirkung des Ejektors beendet wird, ist vorzugsweise einstellbar, so dass die Menge des durch Sog in das Kreislaufrohr abgezogenen Metalles in Übereinstimmung mit den Betriebsanforderungen kontrolliert werden kann. Da die Menge an Metall in dem Rührerrohr von der Eintauchtiefe des unteren Endes des Rohres und dem Extraanstieg aufgrund des Soges abhängt, ist es oft wünschenswert, die Möglichkeit zum Erhöhen des Anstiegs während des Soges zu haben, wenn die Tiefe des Rührerventils unterhalb der Metalloberfläche gering ist.

Bei der Anwendung zum Rühren von geschmolzenem Aluminium und Aluminiumlegierungen in einem Strahlungsofen hat man durch die Verwendung des Rührers eine erhebliche Wirtschaftlichkeit im Brennstoffverbrauch und eine Erhöhung des Ofenausstosses erzielt. Die wirksame Rühren erhöht den Wärmeübergang von dem Brenner auf den Körper aus geschmolzenem Metall bis zu 12 %. Wenn fester Schrott oder dergleichen dem Ofenansatz zugegeben wird, so beschleunigt das Rühren das Aufschmelzen eines grösseren Anteils des festen Metalls beim Untertauchen und bewirkt so eine Verminderung des durch Oxidation bewirkten Verlustes.

Ein grosser Vorteil des erfindungsgemässen Rührers ist darin zu sehen, dass er zu allen Zeiten betrieben werden kann, ohne Rücksicht auf das Funktionieren der Brenner und im allgemeinen auch ohne dass man das Offnen oder das Schliessen der Ofentüren berücksichtigen muss oder das Einführen von weiteren festen oder flüssigen Stoffen.

Die Erfindung wird in den Beispielen unter Bezugnahme auf die

709851/1212

«ι

Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen bedeuten: Fig. 1 einen Längsquerschnitt zur Linie 1-1 der Pig. 2,

einer Ausführung eines Schmelzofens, der mit einem. Rührer gemäss der Erfindung ausgerüstet ist.

Fig. 2 einen Horizontalschnitt entlang der Linie 2-2 der Fig. 1,

Fig. 3+4 jeweils vertikale Querschnitte entlang den Linien 3-3 und 4-4 der Fig. 2,

Fig. 5 einen elektrischen Kontrollkreislauf für einen Rührer gemäss der Erfindung,

Fig. 6 ein pneumatisches System zum kontrollierten Betreiben des Rührers in dem Kreislauf gemäss Fig. 5,

Fig. 7 einen vergrösserten Ausschnitt des unteren Endes des Rührers in Fig. 6,

Fig. 8 einen Aufriss der Vorrichtung gemäss Fig. 7,

Fig. 9+10 jeweils Querschnitte entlang der Linien 9-9 und 10-10 der Fig. 8,

Fig. 11 einen Horizontalschnitt, welcher das Niveau der Kaminöffnung hat, aber bei dem Teile des Querschnitts bei anderen Niveaus durch die unterbrochenen Linien angezeigt werden, eines Ofens mit einer Nebenkammer mit Angaben über mögliche Lokalisierung für ein oder mehrere Rührrohre, und

709851/1212 " ⁹ "

Fig. 12+13 zeigen jeweils vertikale Schnitte entlang der Linien 12-12 und 13-13 der Fig. 11.

Fig. 1 bis 4 zeigen einen Schmelzofen, welcher einen Körper aus geschmolzenem Aluminium enthält. Dieser Ofen ist kippbar zum Abstechen angeordnet, und enthält eine lange Seitenwand 21, eine Endwand 22, eine andere Endwand 23 mit einem geneigten oberen Teil 24 und eine Abdeckung 25. Die andere Seitenwand enthält eine Reihe von Schiebetoren 27, die hochgezogen werden können in die offene Position 27a. Diese Tore 27 werden geöffnet um Materialien zu dem Ansatz zu geben und für Beobachtungen, Probenentnahmen, zum Enthäuten und für andere Zwecke. Für die Entfernung des Metalls durch Ausgiessen hat der Boden des Ofens einen zentralen horizontalen Teil 28 und ansteigende Teile 29 und 30.

Der Metallkörper in dem Ofen kann durch Brenner 23 geheizt werden, die flach nach unten durch den geneigten Wandteil 24 sich erstrecken. Das Maximalniveau des geschmolzenen Metalls wird durch die unterbrochene Linie 34 angezeigt. Gase werden aus der Kammer durch eine flexible oder verbundene Anordnung, (nicht gezeigt) zur Erleichterung des Ausgiessens,durch einen Kamin 35 abgegeben.

Zum Abstechen des geschmolzenen Metalls wird die gesamte Ofenkammer in eine Positiion, die durch die unterbrochenen Linien 37 gezeigt wird, geschwenkt, so dass der Auslass 38 in der Wandung 21 nach unten gerichtet ist und das Metall auslaufen kann.

Gemäss der Erfindung ragt ein Rührer 40 nach unten in einem

- 10 709851/1212

Winkel (beispielsweise von 40 bis 50° gegenüber der Vertikalen) in den Ofen durch die Wandung 22 und endet in einer Düse 42, die in horizontaler Längsrichtung, beispielsweise im allgemeinen auf die andere Endwandung gerichtet ist. Das obere Ende des Rohres 40 kann in eine geeignete Kammer 43 ragen, die aus einem flachen umgekehrten U-förmigen Rohr, das an seinem hinteren Ende 44 geschlossen ist, bestehen, und die Kammer hat eine Verbindungsleitung 45 zu einer pneumatischen Vorrichtung, durch welche wiederholt Sog und Druck auf die Leitung 40 ausgeübt wird.

Auf diese Weise wird während der Ansaugstufe beim Anliegen eines Soges an das Rohr geschmolzenes Metall in der Röhre 4O angehoben. Bei Beendigung der Ansaugstufe wird Luft unter Druck durch die Leitung 45 auf die Röhre 40 einwirken gelassen, so dass das flüssige Metall schnell aus der Röhre durch die Düse 42 in Längsrichtung zum Ofen ausgestossen wird. Die Druckstufe wird kontrolliert, um zu vermeiden, dass Luftblasen durch die Düse 42 freigegeben werden.

Durch Wiederholung der Ansaug- und Druckausstosszyklen wird das Metall nacheinander angesaugt und aus der Düse 42 ausgestossen und dadurch wirken aufeinanderfolgende Strahlpulsierungen auf das geschmolzene Metall ein. Diese Strahleinwirkung wird im Diagramm bei 47 angedeutet, aber das Ausmass, die Grosse und die Form der Unruhe kann erheblich variieren. Im allgemeinen stellt man fest, dass ein schneller, pulsierender Strom unter der Oberfläche erzeugt wird in erheblicher Distanz von der Düse 42 und mit einer beachtlichen Turbulenz unterhalb der Oberfläche, welche von grossem Vorteil beim

- 11 709851/1212

-M-

Rühren und > Mischen und zum Bewirken einer Auflösung von zugegebenen Materialien in dem Schmelzkörper ist. Der unter
der Oberfläche fliessende Strom hält über eine grössere Entfernung an,bis zum entfernten Ende des Ofens und kehrt dann
an der anderen Seite (in der Nähe der Wand 21), wie durch
die Pfeile 48 angegeben wird, zurück.

Ein pneumatisches Betriebssystem wird in Fig. 6 gezeigt, mit einem elektrischen Überwachungskreislauf in Fig. 5. Das pneumatische System schliesst einen Ejektor 50 ein mit einer
engen Einlauf stelle zwischen den Durchlässen 52 und 53, die als Einlass und Auslass für die unter Druck befindliche Luft
dienen, so dass ein Sog an einer zentralen Stelle in Verbindung mit einem Durchlass 54, der verbunden ist mit der Leitung 45, entwickelt wird. Wenn die Luft unter Druck durch den Ejektor 50 fliesst, so wird aus dem Durchlass 52 zum Durchlass 53 in Fig. 6 ein Sog auf die Kammer 43a und das Rührerrohr
40 ausgeübt. Das Vakuum wird durch ein Messgerät 55 gemessen und ist auch an einen einstellbaren vakuumempfindlichen Schalter VS bekannter Art angeschlossen und zwar im vorliegenden Falle so, dass ein Paar elektrischer Kontakte VS-A geschlossen
wird,wenn das Vakuum einen vorgewählten Wert erreicht.

Die Einstellung der Luftzufuhr zum Ejektor 50 wird durch
die Magnetventile SV-1 (zwei Wege, zwei Positionen) und SV-2 (drei Wege, zwei Positionen), die beide in elektrisch energiefreier Position gezeigt werden, bewirkt. Luft mit einem ausreichende Druck wird in die Leitung 57 einschliesslich einem Ein-Aus-Ventil 58, die mit einem Tank verbunden ist, gegeben und von dort führt eine Leitung 60 die Luft zu den Zweigleitungen 61 und 62. Diese Leitungen haben jeweils Druckregulierventile

709851/1212 - 12 -

Al

und 64 und Druckmesser 65 und 67. Die Luftzufuhrzweigleitung

61 erstreckt sich zu einer Durchgangsöffnung des Ventils SV—1 dessen andere Durchlassöffnung verbunden 1st mit der Einlassöffnung des Ejektors 50. Die andere Luftzufuhrzweigleitung

62 erstreckt sich zu einem der beiden Durchlässe des Ventils SV-2 und der andere Durchlass dieses Ventils steht in Verbindung durch eine Auslassleitung 68 mit der Atmosphäre und die gegenüberliegende öffnung steht in Verbindung mit dem Ausstossdurchgang 53 des Ejektors 50.

Bei Betätigung ist das Ventil SV-1 so angeordnet, dass Luft unter Druck zum Ejektordurchlass 52 fliesst. in der dargestellten nicht erregten Stellung des Ventils SV-2 ist dieses gegen den Durchgang der Luft aus der Leitung 62 geschlossen aber offen für einen Durchgang zwischen dem Ejektorauslass 53 und der Abgasleitung 68. Das Ventil SV-2 schliesst im erregten Zustand den Durchlass der Abgasleitung 68 und öffnet eine Verbindung zwischen der Leitung 62 und dem Durchlass 53 des Ejektors, so dass der letztere Durchgang dazu dient, die Luft unter Druck aufzunehmen.

Die elektrische Schaltung in Fig. 5, die mit einer üblichen Wechselstromquelle 70 verbunden ist, ist so ausgebildet,dass der Betrieb der Ventile SV-1 und SV-2 Überwacht wird und schliesst Signalleuchten 71 und 72, die parallel mit den Magnetventilen geschaltet sind, ein. Leuchten 71 und 72 zeigen dann jeweils Sog (Ventil SV-1 in Betrieb) und Druckausstoss von Metall (Ventils SV-2 in Betrieb) an. Der Strom wird durch einen Hauptschalter 74 an-und abgeschaltet, wobei durch das Signallicht 75 angezeigt wird, wenn der Strom fliesst.

709851/1212

Die Hauptüberwachung des Kreislaufs erfolgt durch: ein Relais VR mit normalerweise offenen Kontakten VR-A, einem Verzögerungsrelais TR-DI (Ausstossüberwachung) mit normalerweise geschlossenen Kontakten TR-DI-A und einem Verzögerungsrelais TR-LO (Ladekontrolle) mit normalerweise geschlossenen Kontakten TR-LO-A und zwei Paaren von normalerweise offenen Kontakten TR-LO-B und TR-LO-C. Diese Verzögerungsrelais sind von der Art, bei der die Kontakte sich erst nach einer einstellbaren vorher eingestellten Zeit im Anschluss an die Erregung bewegen, aber in die Normalstellung zurückgehen, unmittelbar nach Abklingen der Erregung. Ausserdem ist ein Unterbrechungsrelais S)R für den Notfall vorhanden, das normalerweise geschlossene Kontakte SDR-A und zwei Paare von normalerweise offenen Kontakten SDR-B und SDR-C hat.

Wenn alle Relais nicht angeregt sind, und die Magnetventile wie in Fig. 6 angeordnet sind, so ist der Anlasschalter 74 geschlossen und die Ventile SV-1 (durch die Kontakte SDR-A, TR-DI-A und TR-LO-A) und das Licht 71 werden erregt. Luft unter Druck wird nun dem Ejektor 50 zugeführt und durch die Leitung 68 (Ventil SV-2, das in nicht angeregter Form verbleibt) ausgestossen, und dadurch wird ein Sog auf das Rührrelais 40 ausgeübt. Dadurch wird die Aufladephase des Zyklus eingeleitet: In dem Masse wie sich ein Vakuum in dem Rohr aufbaut, wird geschmolzenes Metall eingesogen. Wenn das Vakuum den Wert erreicht, der an dem Vakuumschalter VS eingestellt ist, schliessen sich die Kontakte VS-A, erregen das Relais VR und schliessen dessen Kontakte VR-A. Infolgedessen wird das Relais VR blockiert (unabhängig von einem anschliessenden Offnen der Vakuumschaltkontakte VS-A) und durch die Kontakte

- 14 709851/1212

VR-A wird auch das Relais TR-LO erregt, wodurch das Ende der Aufladungsstufe bestimmt wird.

Die Zeitkontakte des Relais TR-LO werden entweder sofort bei der Erregung des Relais TR-LO oder nach einer gewählten Verzugszeit (wodurch ein weiteres Ansteigen des Metalls im Rohr 40 ermöglicht wird )bewegt. Dadurch öffnen sich die Kontakte TR-LO-A, regen das Magnetventil SV-1 ab und unterbrechen dadurch die Luftzufuhr zum Durchgang 52 des Ejektors 50 und beenden damit die Aufladung. Zur gleichen Zeit schliessen sich die Kontakte TR-LO-B, regen das Relais TR-DI an und die Kontakte TR-LO-B schliessen sich, wodurch das Ventil SV-2 erregt wird. Mit der Erregung des Ventils SV-2 wird Luft unter Druck schnell durch die Leitung 42 durch einen Teil des Ejektors 50 und das Rohr 45 auf den Kopf des Rührrohres .. 4O geleitet, wodurch die Metallbeladung aus dem Rohr 40 in Form eines unter der Oberfläche befindlichen sehr schnellen Strahls durch die Düse 42 ausgestossen wird, und einen positiven Puls bei dem tatsächlichen Rührvorgang auslöst.

Am Ende der vorher eingestellten Zeit des Relais TR-DI (während TR-LO angeregt bleibt), welche die gewünschte kurze Unterbrechung darstellt für die schnelle Ausstossung des geschmolzenen Metalls ohne dass Luftblasen ausgestossen werde , öffnet das Relais TR-DI seine Kontakte TR-DI-A. Dadurch wird sofort das Magnetventil SV-2 abgeregt und dadurch wird der Metailausstoss beendet. Durch die gleiche Unterbrechung des Kreislaufs bei den Kontakten TR-DI-A werden auch die Relais VR und TR-LO abgeregt, wodurch sich die Kontakte

- 15 -

709851/1212

TR-LO-B schllessen (und dadurch die Wiedererregung des Magnetventils SV-1 ermöglichen).

Weil die Erregung der beiden Relais TR-LO und TR-DI unterbrochen ist, werden ihre normalerweise geschlossenen Kontakte TR-LO-A und TR-DI-A nun wieder geschlossen und der Zyklus ist nunmehr vollständig. Ein neuer Zyklus, einschliesslich Aufladungs- und Entladungsstufen, wird dann wieder begonnen und automatisch wiederholt, so lange, wie der Schalter 74 geschlossen ist und dadurch wird der gewünschte unter der Oberfläche befindliche Strahlausstoss aus Metall aus dem Rohr 40 gebildet, welcher die gewünschte Rührung in dem Schmelzkörper bewirkt.

Eine elektrisch leitende Sonde 77 erstreckt sich in den oberen Teil 43 des Rührerrohres um eine Unterbrechung des Verfahrens zu bewirken, wenn das Metall ansteigt bis zu einem Kontakt mit der Sonde, d.h. bis zu diesem unerwünscht hohen Niveau. Der Sondenkreislauf wird durch einen Umwandler 78, dessen PrimärStromkreis 79 von der Wechselstromleitung 70 durch einen normalerweise wieder geschlossenen Rückstellschalter 80 gespeist wird, isoliert. Wenn die Sonde 77 mit Metal] in Berührung kommt, ist der Kreislauf durch das Relais SDR, den Sekundärstromkreis 81 des Transformators 79 und der Erde geschlossen und dadurch wird das Relais angeregt und dessen Einrastkontakte SDR-D mit der Erde verbunden. Es schliessen sich auch dessen Kontakte SDR-C und dadurch leuchtet ein die Unterbrechung anzeigendes Signallicht 82 auf. Gleichzeitig öffnen sich die Kontakte SDR-A des Relais SDR und bleiben so lange offen, wie das Relais SDR eingerastet ist und dadurch wird der elektrische Strom zum gesamten Kontrollkreislauf der

709851/1212

anderen Relais unterbrochen und die Anregung der beiden Magnetventile SV-1 und SV-2 beendet. Der Rührer wird dadurch abgeschaltet und das Metall fällt in dem Rohr 4O zurück. Um das Rührverfahren wieder zu beginnen (wenn die Sonde sauber ist), wird der Einstellknopf des Schalters 8O kurz gedrückt, der Umwandler 78 und das Relais SD-R werden dadurch abgeregt und die Kontakte des letzteren gehen wieder in ihre normale (nicht angeregte) Position.zurück.

Einige Details des Rohrs 40 und dessen Düse 42 werden in den Fig. 6 bis 10 gezeigt.Das Rohr besteht vorzugsweise aus einem Material, welches zum Handhaben von geschmolzenem Aluminium geeignet ist, beispielsweise aus Gusseisen, welches geringe Mengen an Molybdän und Chrom enthält, und das schwere Gehäuse der Düse 42 besteht ebenfalls aus diesem Material. In einem Schlitz eines solchen Gehäuses befindet sich das Düsenelement 84 mit einer zentralen Öffnung 85, welche die einzige Düse ausmacht und aus einem stark refraktorischen Material bestehen kann, beispielsweise aus graphitgebundenem Siliziumcarbid, um der Erosion zu widerstehen. Das untere Ende des Rohres einschliesslich der Düsenanordnung kann, falls notwendig, so geformt sein, dass nicht nur eine Biegung in horizontaler Richtung vorliegt, sondern jeder weitere Drehwinkel möglich ist. Die gesamte Röhrenanordnung kann so eingerichtet sein, dass man sie leicht abbauen kann und von dem Ofen zum Auswechseln, Reparieren und dergleichen entfernen kann, oder wenn der gezeigte Ofen zum Abstechen gekippt wird.

Fig. 11 bis 13 zeigen in sehr vereinfachter Weise die Anwendung der Erfindung auf einem Nebenkammerofen, mit einem rechteckigen

709851/1212 " ^1? "

bedeckten Hauptherd 91, der an einer Wandung mit einer Abgasöffnung 92 zum Kamin ausgerüstet ist und der ein normalerweise geschlossenes Abstichloch 93 hat, und der an der gegenüberliegenden Handung einen oder mehrere Brenner oberhalb des Metallneveaus zur Zuführung der Wärme hat, beispielsweise wie es durch den Brenner 94 oberhalb der Oberfläche 95 des geschmolzenen Metalles angezeigt wird. Eine offene, enge Nebenkammer 97, welche eine (nicht gezeigte) entfernbare Abdeckung haben kann, erstreckt sich an einer Wandseite des Ofens und steht in freier Verbindung mit der Hauptkammer durch die Einlasse 98 und 99. Die Nebenkammer 97 wird hauptsächlich dazu verwendet, um Metall, wie feinteiligen Aluminiumschrott (Folie, Chips) und legierende Elemente und andere Stoffe, wie korngrösseregulierende Substanzen zuzugeben. Die Hauptkammer 91 kann ein (nicht gezeigtes) Tor haben, um grosse feste Teile, wie schwere Barren, zuzuführen.

Um die verschiedensten möglichen Funktionen des pneumatisch gesteuerten Rührverfahrens der Erfindung zu zeigen, werden in der Fig. 11 die kastenförmigen Simbole 101, 102, 103 und 104 gezeigt, welche die verschiedenen örtlichkeiten für dieAnbringung eines Rührrohres der beschriebenen Art aufzeigen, und es ist tatsächlich möglich, dass eine Vielzahl von solchen Rohren an zwei oder mehreren Stellen angebracht ist. Die Pfeile geben die Richtung an in welche das flüssige Metall ausgestossen wird; in allen Fällen befindet sich die Düse des Rohres vorzugsweise in der Nähe des Ofenbodens und ist horizontal ausgerichtet.

Beim Düsenausstossen von der Stelle 101 durch die Einlassöffnung 98 vermischt sich die Schmelze im Hauptherd 91 und Metall wird durch die Nebenkammer 97 angezogen. Durch das

709851/1212

- 18 -

-IX

Verdtisen des Metalles von der Stelle 102 diagonal gegen die äussere Wand der Seitenkammer wird eine maximale Durchmischung in der Nebenkammer erzeugt, während Metall vom Hauptherd durch die öffnung 99 einströmt. Eine ähnliche Wirkung ergibt sich beim Verdüsen von der Stelle 103 in Richtung zur öffnung 99, jedoch mit einer niedrigeren Metallgeschwindigkeit in der Nebenkammer, wobei aber die Zirkulation im Hauptherd erhöht wird. Die Projektion des Metalles von der Stelle 104 entlang der Seitenwand dient hauptsächlich dazu, ein Durchmischen im Hauptschmelzraum 91 zu erzielen, wie dies beispielsweise in der Anordnung der Fig. 1 bis 4 gezeigt wird. Fig. zeigt eine praktische Anordnung eines Rührrohres 40a an der Stelle 101 (der Fig. 11), wobei dessen Düse 42a durch die Einlassöffnung 98 gerichtet ist. Zurückkommend auf die Fig. 1 bis 4 sind einige Detriebsbeispiele der Erfindung vorhanden, bei denen ein Kippofen mit einem inneren horizontalen Durchmesser von etwa 9,5 χ 3,4 m der eine Maximalmenge von etwa 50.000 kg Aluminium enthalten kann, verwendet wurde. Eine wirksame Rührung wurde mit einem Rührrohr 40 erzielt, welches eine Neigung von etwa 45° hatte und dessen Düse 42 sich nahe am Boden befand und so ausgerichtet war, dass ein pulsierender Metallstrahl im wesentlichen an der Stelle und in die Richtung die in den Figuren gezeigt wird, erfolgte. Die maximale Metalltiefe in dem Ofen betrug etwa 91 cm und die Gesamtlänge des geraden Teils des Rohres bis zur Kammer 43 betrug etwa

2 274 cm und der innere Querschnitt betrug etwa 290 cm .

Berücksichtigt man, dass der Ausstoss—impuls jedes Rührzyklus das Metall in dem Rohr auf weniger als 30,5 cm oberhalb des Bodens herunterbrachte von einer Erhöhung, die etwa 182 cm betrug wenn das Vakuum angelegt wurde, so macht die

709851/1212 - 19 -

ZZ

Menge an ausgestossenem Aluminiummetall bei jedem Impuls etwa 90 bis 113 kg aus. Unter den nachfolgend noch zu beschreibenden Bedingungen betrug die Ausstossgeschwindigkeit des Metallstrahls durch eine Düse 85 mit einem Durchmesser von 3,8 cm etwa 32,18 kg/h. In manchen Fällen kann ein Rühren mit viel geringeren Geschwindigkeiten erfolgen, obwohl man auch erheblich höhere Geschwindigkeiten erzielen kann und zwar selbst mit massigen Luftdrücken von beispielsweise unterhalb 7 kg/cm .

Das verwendete Rohr hatte eine ovale Konfiguration mit einem inneren Querschnitt von 15,2 χ 22,9 cm, aber zur Zeit bevorzugt man ein zylindrisches Rohr, das in einfacher Weise mit einem provisorischen hitzebeständigen überzug Innen und Aussen beschichtet ist. Die bei jedem Impuls ausgestossene Metallmenge macht vorzugsweise 0,1 bis 1 % des Ofeninhaltes aus.

Bei einem Betriebsbeispiel in einem System, das in den Fig.

5 und 6 gezeigt wird, betrug der Hauptluftdruck

2
in der Leitung 60 6,3 kg/cm und die Regulatoren 63 und 64 waren jeweils so eingestellt, dass sie die Luft mit 5,18 bzw. 2,80 kg/cm eingaben. Wie schon festgestellt, kann man bei einer wirksamen Betriebsweise einfach ein Vakuum bis zu einer vorher eingestellten Höhe von beispielsweise 279 rom einstellen, und dann unmittelbar darauf die Ventile SV-1 und SV-2 (ohne Zeiverzögerung wie bei den Relais TR-LO) einschalten. In diesem speziellen Fall wird der Luftdruck für den Ausstossimpuls durch das Ventil SV-2 während 1 1/2 Sekunden geliefert, was die Zeitverzögerung des Ausstossrelais TR-DI

709851/1212

ausmacht. In anderen Fällen wurde die tatsächliche Zeit für den Sog bei einem gemessenen Wert des Vakuums eingestellt, beispielsweise auf 6 bis 7 Sekunden.

Bei Rührverfahren, wie sie in Fig. 1 dargestellt werden, stehen die bevorzugten eingestellten Werte für das Vakuum in Beziehung zur Tiefe der Rührdüse 42 unterhalb der Metalloberfläche des Ofens. Je höher das Niveau des Metalls ist, umso niedriger ist der Wert für das Vakuum, um das Metall im Rohr 40 auf eine vor be stimmte Höhe oberhalb der Düse zu heben.

Wenn die Tiefe des Aluminiummetalls (in dem Ofen) 30,5, 61 und 91,4 cm beträgt, dann betragen die geeigneten Einstellungen für das Vakuum etwa 27,9, 22,9 bzw, 17,8 cm Quecksilber und angemessene Vakuumzeiten (während des Soges) sind 7,0, 6,5 bzw. 6,0 Sekunden.

Die Ausstoss-(Ausblas)-Zeit beträgt in allen Fällen 0,5 Sekunden, wobei Ausblaszeiten von weniger als 0,5 Sekunden bis zu mehr als 1,5 Sekunden als geeignet gefunden wurden. Es ist offensichtlich, dass eine Änderung der Frequenz mit der vorher erwähnten Veränderung des Schmelzniveaus erfolgt, beispielsweise Perioden von 7,5, 7,0 und 6,5 Sekunden, aber die Frequenz kann konstant gehalten werden, indem man variable Unterbrechungen (beispielsweise von 0 bis 1 Sekunde) zwischen jedem Druckimpuls und der darauffolgenden Sogeinwirkung programmiert.

Obwohl die meisten Schmelzverfahren für Aluminium bei Temperaturen von 700°C und darüber durchgeführt werden, ist festzuhalten, dass bei sehr niedrigen Metalltemperaturen, wie

709851/1212

- 21 -

bis 66O°C,die Viskosität des geschmolzenen Aluminiums ansteigt und erheblich höhere Vakuumniveaus für den Sog angewendet werden können, beispielsweise 35,6 cm Quecksilber, wenn das Metall in dem Ofen 30,5 cm hoch steht.

Bei einem Verfahren, bei dem das pneumatische Rührverfahren angewendet wurde, wurden Schmelzansätze einer Aluminiumlegierung unter Verwendung von Schrott und heissem (d.h. geschmolzenem) Aluminium von beispielsweise 20 t. Schrott und 30 t heissem Metall durchgeführt. Der Schrott und das Legierungselement oder die Legierungselemente (beispielsweise Manganflocken) werden zunächst in den Ofen gegeben und dann wird, während das heisse Metall zugegeben wird, die Beheizung durchgeführt. Während des letzten Teils des Beheizungszeitraums wird der Rührer in Betrieb genommen und man rührt (bei abgeschaltetem Brenner) während der Zugabe von Kornverfeinerungsmittel und während des üblichen Aufschmelzens weiter. Wenn Proben zeigen, dass der Ansatz zufriedenstellend ist, kann das Heizen auf einem sehr niedrigen Niveau oder mit Unterbrechungen weitergeführt werden, solange wie der Ansatz in dem Ofen vor dem Giessen gehalten wird.

Bei einer solchen Verfahrensweise wurden erhebliche Einsparungen an Zeit und Brennstoff festgestellt, d.h. eine Gesamtzeit von 5 Stunden anstelle von etwa 7 Stunden und ein Verbrauch von etwa 25 % weniger Brennstoff. Die Energieeinsparung wurde erheblich dadurch unterstützt, dass es nicht erforderlich war, die Tore (gewöhnlich bei abgeschaltetem Brenner) zu öffnen, um ein Rühren durch äussere Mittel zu bewirken. Es wurde festgestellt, dass die Rührzeit vermindert wird, während eine ausgezeichnete Auflösung und Vermischung der legierenden Metalle

- 22 -

709851/1212

erzielt wurde. Während des Rührens wurde die Zugabe von Kornverfeinerungsmitteln in einfacher Weise ermöglicht und ebenso die Zugabe von anderen legierenden Zusätzen, wie Eisen. Eine Homogenisierung der Temperatur stellte ein besonderes Ergebnis dar. Gegen Ende der Heizperiode neigte die obere Schicht der Schmelze dazu sehr heiss zu werden und die untere Schicht sehr viel kühler zu sein, aber durch den Betrieb des Rührers wurde eine einheitliche Temperatur sehr schnell erzielt, d.h. dass e
wurde.

dass ein Wärmegradient von 50⁰C in etwa 5 Minuten abgebaut

Versuche zeigen, dass Schmelzverluste, z.B. durch Oberflächenoder andere Oxidation, durch das pneumatische Rührverfahren nicht erhöht werden, sondern dass sie anscheinend sogar vermindert werden. In gleicher Weise liegt kein Anzeichen vor, dass Schmutz in dem Metall aus dem Ofen suspendiert wird. Es liegen Anzeichen vor,, dass durch das gleichzeitige Rühren während des Aufschmelzens ein reineres Metall gebildet wird. Wie schon dargelegt wird durch das erfindungsgemässe Verfahren die Anwendung von legierenden Zusätzen erleichtert, weil sich nur ein kleinerer Anteil nicht mehr auflöst.

Ein Versuch, bei dem Schrott aufgeschmolzen wurde, zeigte, dass durch das erfindungsgemässe Rühren die dem flüssigen Metall zugeführte Wärme um etwa 12 % erhöht wird. Weil die Rührer ungewöhnlich wirksam in den Bodenregionen des Schmelzkörpers sind aber gleichzeitig eine gute Durchmischung in den oberen Regionen ergeben, scheint das pneumatische Rühren die Verwendung eines Ofens zu ermöglichen, der etwa tiefere Metallansätze enthalten kann.

709851/1212

Unter Bezugnahme auf die praktische Anwendung eines Systems wie es in den Fig. 5 und 6 gezeigt wird, kann eine tatsächliche Anfahrweise wie folgt durchgeführt werden: Zunächst wird der Vakkumschalter VS auf einen niedrigen Wert eingestellt, beispielsweise auf 15,3 cm Hg und die Blaszeit (Verzögerung des Relais TR-DI) wird kurz eingestellt, d.h. auf einige Zehntel einer Sekunde; dann wird das System gestartet und während die Ansaug- und Ausstosszyklen während eines Zeitraums von etwa 10 Minuten andauern, um den oberen Teil des Rohres zu erhitzen, werden die Einstellungen für das Vakuum und die Ausblaszeit auf die gewünschten endgültigen Werte eingestellt. Anschliessend kann das Verfahren automatisch weitergeführt werden. Für ein maximales Rühren sollte die obere Grenze des Vakuums so sein, dass kein Kontakt des Metalles mit der Sonde 77 stattfindet, und die endgültige Dauer des Blasimpulses sollte so sein, dass keine Blasen an der Düse 42 entwickelt werden. Die Zeitverzögerungsrelais haben ausreichend grosse Bereiche für eine einstellbare Verzögerung, um den verschiedenen Situationen angepasst zu werden, beispielsweise von 0,1 bis 10 Sekunden für das Relais TR-DI und 0,6 bis 60 Sekunden für das Relais TR-LO.

Es können auch andere Verfahren zum Beenden des Aufladungsimpulses, beispielsweise allein durch die Zeit oder durch andere Sondenvorrichtungen, ins Auge gefasst werden. Ein ausführlicheres überwachungsverfahren kann eine Kontaktsonde im Rohr 40, unterhalb der für den Störungsfall vorgesehenen Sonde, verwenden, um das gewünschte Niveau der Metallbeladung zu registrieren. Beim Starten dieser Verfahrensweise werden die Ansaugimpulse mehrere Minuten unter einem eingestellten Vakuum von 15,2 cm durchgeführt, weitere Zyklen finden dann

709851/1212

bei einer Einstellung des Vakuums bis zu einer Begrenzung von 20,3 cm statt und schliesslich wird der Impuls des Arbeitsvakuums durch die Betriebssonde überwacht, wodurch inhärent immer das Metall auf die gewünschte Maximalhöhe gehoben wird unabhängig von der Niveauveränderung in dem Ofen. Bei diesem Verfahren zum Starten wird die Ausblaszeit nach und nach auf das gewünschte Maximum, welches ohne Blasenbildung möglich ist, verlängert.

709851/1212

L e e r s e i t e

Claims

ALCAN RESEARCH AND DEVELOPMENT LIMITED, MONTREAL KANADA Verfahren und Vorrichtung zum Rühren von geschmolzenem Metall PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Rühren eines geschmolzenen Metallkörpers in einem Ofen, dadurch gekennzeichnet, dass zyklisch eine Metallmenge in einem geschlossenen Raum angesaugt wird, der in Verbindung steht mit dem genannten Körper aus geschmolzenem Metall und durch einen von aussen zugeführten Fluiddruck in den genannten Körper aus geschmolzenem Metall unterhalb der Oberfläche aus geschmolzenem Metall ausgestossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass der Strahl aus geschmolzenem Metall in im wesentlichen horizontaler Richtung ausgestossen wird.

3. Verfahren nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass der Körper aus geschmolzenem

709851/1212

ORIGINAL INSPECTED

Metall im wesentlichen in horizontaler Richtung eine grössere Ausdehnung hat als in Richtung der Tiefe.

4. Verfahren nach Ansprüchen 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , dass der Strahl aus geschmolzenem Metall in einem unteren Bereich des genannten Körpers aus geschmolzenem Metall ausgestossen wird.

5. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet , dass der Strahl aus geschmolzenem Metall in einen rechteckigen Ofen parallel zu einer Seitenwand ausgestossen wird oder von einer Stelle an oder in der Nähe einer Ecke in Richtung zum Mittelpunkt der gegenüberliegenden Wand.

6. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet , dass die genannte Metallmenge in ein aufwärts geneigtes Rohr welche den genannten umschlossenen Raum darstellt, gezogen wird.

7. Ofen zur Aufnahme eines Körpers aus geschmolzenem Metall, der mit einem Rührer zum Zirkulieren des genannten Körpers aus geschmolzenem Metall in dem Ofen ausgerüstet ist, dadurch gekennzeichnet , dass der genannte Rührer aus einem Rohr besteht, dessen unterer Teil mit einer Düse versehen ist, welches so angeordnet ist, dass ein Strahl in im wesentlichen horizontaler Richtung in einer unteren Region des genannten Ofens ausgestossen wird und dessen oberer Teil oberhalb des normalen Niveaus des Metalls in dem genannten Ofen herausragt, wobei das Rohr ausgerüstet

70 9851/1212

ist mit Vorrichtungen zum alternativen Anlegen eines Soges und eines Fluiddruckes auf den oberen Teil des genannten Rohres, um alternativ eine Menge des geschmolzenen Metalles in das genannte Rohr zu saugen und diese Menge als einen Metallstrahl mit hoher Geschwindigkeit in den Körper aus geschmolzenem Metall auszustossen.

8. Ofen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Teil des genannten Rohres in einem Winkel von 25 bis 60° gegenüber der Horizontalen angeordnet ist und sich nach aussen durch eine Wandung des genannten Ofens erstreckt.

9. Ofen nach Ansprüchen 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet , dass der Sog in dem genannten Rohr automatisch beendet wird, wenn der Druck in dem genannten Rohr auf einen vorbestimmten Wert gefallen ist.

10. Ofen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sog beendet wird durch einen auf Druck ansprechenden Schalter.

11. Ofen nach Ansprüchen 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet , dass die Druckeinwirkung auf das genannte Rohr beendet wird durch dieBerührung von geschmolzenem Metall in dem genannten Rohr mit einer Sonde, wodurch ein Kontakt mit einem elektrischen Stromkreis, welcher sich ausserhalb der Wandung des genannten Rohres erstreckt, ausgebildet wird.

709851/1212

12. Ofen nach Ansprüchen 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet , dass der Sog auf das genannte Rohr mittels eines Ejektors ausgeübt wird, der mittels eines unter Druck befindlichen Fluids angetrieben wird, wobei der Ejektor mit Ventilen ausgerüstet ist, um zyklisch die Anwendung des Soges zu unterbrechen, wenn das geschmolzene Metall in dem genannten Rohr ein vorbestimmtes Niveau erreicht hat, worauf dann das genannte Druckfluid auf das genannte Rohr während- einer vorbestimmten Zeitspanne einwirken gelassen wird, um das geschmolzene Metall in Form eines Hochgeschwindigkeitsstrahls auszustossen.

13. Ofen nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Ejektor durch ein Paar Magnetventile gesteuert wird, wobei ein erstes Magnetventil auf den Einlass des Druckfluids in den genannten Ejektor einwirkt und ein zweites Magnetventil auf den Auslass des genannten Ejektors einwirkt und das erste Magnetventil ein Druckfluid auf den genannten Ejektor einwirken lässt und das zweite Magnetventil das Druckfluid zur Atmosphäre abgibt, bis das Metall zu einem vorbestimmten Niveau in dem genannten Rohr gestiegen ist, wobei die Ventile so geschaltet sind, dass das erste Ventil den Ejektoreinlass abschaltet und das zweite Ventil den Auslass abschaltet und Druckfluid auf den Auslass des genannten Ejektors und damit auf das genannte Rohr zum Ausstossen des Metalles daraus einwirkt, wobei das genannte zweite Ventil wiederum automatisch nach einem vorbestimmten Zeitraum geschaltet wird.

709851/1212