DE2745773C2 - Verfahren zur Herstellung von Legierungen und Anwendung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Legierungen, wobei die Schmelze durch mechanisches Rühren in einem Behälter vermischt wird und die Anwendung dieses Verfahrens.

Metallegierungen enthalten gewöhnlich Bestandteile mit unterschiedlichen Dichten und unterschiedlichen Schmelzpunkten, so daß es bei ihrer Herstellung häufig notwendig ist, das schmelzflüssige Metall zur Erzielung einer gleichförmigen Schmelze zu rühren. Wenn z. B. dichtere Metalle wie Zirkon enthaltende Magnesiumlegierungen hergestellt werden, wird schmelzflüssiges Magnesium mit einer Zusatzlegierung gemischt, welche Zirkon und Magnesium enthält, und daviie Zusatzlegierung eine höhere Dichte aufweirj, neigt sie dazu, sich am Boden des die Schmelze enthaltenden Behälters abzusetzen. Ein erhebliches Rühren ist daher erforderlich, um eine gleichmäßige Legierung zu erhalten.

Bislang wurde dieses Rühren gewöhnlich mit Hilfe eines Verfahrens durchgeführt, welches als »Puddeln« bekannt ist, und bei welchem die Schmelze von Hand mit einer langen Stange gerührt wird (Emley, »Principles of Magnesium Technology«, Pergamon Press 1966, Seiten 153,154). Dieses Verfahren ist anstrengend, unangenehm und gelegentlich gefährlich für-Ien Arbeiter, wenn große Chargen schmelzflüssigen Materials gerührt werden müssen.

Das Rühren von Hand ist auc: nicht zufriedenstellend, wenn es auf die Dauer und Intensität des Rührens ankommt. Wenn z. B. Zirkon zu schmelzflüssigem Magnesium in einem Eisen- oder Stahlbehälter zugesetzt wird, neigt das Zirkon durch Eisenaufnahme aus der Behäiterwandung zur Ausscheidung, so daß fortgesetztes Rühren zu einem niedrigen Zirkongehalt in der fertigen Legierung führt. Manuelles Puddeln erfordert daher eine beträchtliche Fertigkeit, um ständig gute Ergebnisse zu erzielen.

Ähnliche Probleme ergeben sich, wenn Mischungen schmelzflüssiger Metalle mit anderen Materialien zu rühren sind. Zum Beispiel kann eine Zusatzlegierung bestehend aus Magnesium und einem hohsn Anteil Zirkon hergestellt werden, indem überschüssiges schmelzflüssiges Magnesium veranlaßt wird, mit einem Zirkongehalt (Fluorid oder Chlorid) zu reagieren, um das entsprechende Magnesiumhalogenid und Zirkonmetall zu ergeben, welches mit dem unreagierten Magnesium eine Legierung eingeht. Normalerweise muß hierbei während der Reaktion selbst gerührt werden und auch für eine Zeitspanne nach Beendigung der Reaktion, damit in beiden Fällen gleichmäßiges Mischen des Magnesiums und Zirkoris (welches eine höhere Dichte als Magnesium aufweist und daher dazu neigt, zum Behälterboden abzusinken) sichergestellt ist und damit eine Abtrennung durch Flotation des Magnesiumhalogenids von der Legierung möglich ist. Wegen der Bildung von Halogeniddämpfen ist manuelles Puddeln während des Reaktionsverlaufes unangenehm. Wenn die Reaktion abgeschlossen ist, besitzt die Schmelze eine hohe Viskosität, welshe ein starkes Rühren erforderlich macht, um dem Halogenid die Abscheidung zu ermöglichen, so daß sehr mühsames Puddeln erforderlich ist.

Es sind bereits Anstrengungen zum mechanischen Rühren von Schmelzen unternommen worden, bei welchem einfache in einer Drehrichtung durch einen Motor angetriebenen Paddelrührer verwendet werden. Es hat sich herausgestellt, daß solche Rührer einen hohen Kraftaufwand erfordern, nur eine geringe Scherwirkung der Schmelze mit entsprechend schlechter Mischwirkung ergeben und einen starken Vortex hervorrufen.

Es sind auch bereits Versuche durchgeführt worden, solche Schmelzen mit einer Vibrationsvorrichtung und mit einer rotierenden Archimedesschraube zu rühren. Es hat sich herausgestellt, daß eine große Vibrationsvorrichtung dazu neigt, die Schmelze mit nur geringer effektiver Rührwirkung als Block zu bewegen, und daß eine kleine Vibrationsvorrichtung lediglich einen sehr lokalisierten Effekt ergibt. Eine Archimedesschraube neigt zur Hervorrufung von Entmischungen in einer Magnesiumlegierung und führt zu unerwünschter Trennung der Metallbestandteile der Legierung.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit dessen Hilfe bei der Herstellung von Legierungen eine Metallschmelze motorangetrieben wirkungsvoll und unter Erzielung von gegenüber manuellen Rühren wesentlich leichter reproduzierbaren Resultaten gerührt werden kann. Ferner soll eine Anwendung dieses Verfahrens angegeben werden.

Die gestellte Aufgabe wird ausgehend von der eingangs bezeichneten Gattung durch das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gelöst, daß ein ösenförmiger Paddelrührer um eine Achse in der Ebene der öse rotiert, während diese Achse orbital um eine feste Achse rotiert, wobei aufgrund der Formgebung des Paddelrührers und der Bodenfläche des Behälters der Paddelrührer die gesamte Bodenfläche des Behälters innerhalb weniger

Millimeter überstreicht.

Der beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Paddelrührer kann von kreisförmiger, ovaler oder irgendeiner anderen Ösenform sein. Es hat sich herausgestellt, daß eine Öse, die einen verhältnismäßig kleinen Querschnitt besitzt und eine große freie Fläche einschließt, zu viel besseren Resultaten führt als ein Paddelrührer bestehend aus einem vollen Blatt und darüber hinaus eine wesentliche geringere Antriebskraft erfordert. Darüber hinaus ist die Scherwirksamkeit einer Öse wesentlich größer als diejenige eines vollen Blattes. Vorteilhaft ist die Verwendung eines Materials von etwa 12 mm Dicke für die Öse. Die Öse kann geschlossen sein oder kann einen Spalt aufweisen, vorausgesetzt, daß sie dennoch eine verhältnismäßig große Fläche wirksam einschließt. Die V/eite der öse kann mindestens dem halben Behälterdurchmesser entsprechen.

Die Formgebung der öse sollte im Hinblick auf den Boden des Behälters erfolgen, so daß sie während der Rotation im wesentlichen die gesamte Bodenfläche des Behälters in deren Nähe (d. h. innerhalb weniger Millimeter) überstreichen kann. Dies stellt sicher, daß im wesentlichen alles am Behälterboden befindliche Material einschließlich von Material höherer Dichte, welches sich aus der flüssigen Masse abgesetzt haben kann und sonst unerfaßt am Boden des Behälters verbleiben würde, in der Masse dispergiert wird. Der Boden des Behälters ist vorzugsweise gekrümmt und kann halbkugelförmig sein, so daß er schnell durch die Öse überstrichen wird.

Zur Durchführung des Verfahrens kann die Öse an einer aufwärts überstehenden Stange befestigt sein, weiche die Rotationsachse bildet, wobei die Stange mit Antriebsmitteln über eine flexible Kupplung verbunden ist, die in einfacher Weise aus einem Haken und einem Auge bestehen kann. Die Antriebsmittel selbst sind um die feste Achse drehbar angeordnet Wenn die Öse in der Flüssigkeit rotiert wird und die Antriebsmittel ^c.i ;ii um die feste Achse drehen, nimmt bei Benutzung dieser Anordnung die Stange eine Steiiung ein, weiche einen Wickel mit der festen Achse bildet und die Öse präzediert um die feste Achse, wobei sie sowohl an der Wandung als auch am Boden des Behälters vorbeistreicht.

Es kann von Vorteil sein, wenn die Öse während der Rotation vom Behälterboden angehoben oder abgesenkt wird. Dies kann auf einfache Weise durch Anheben oder Absenkf.T der Antriebsmittel herbeigeführt werden. Auf diese Weise wird im wesentlichen der gesamte Inhalt des Behälters durch die rotierende Öse erfaßt, wodurch ein sehr wirksames Mischen erzielt wird.

Das Verfahren kann so durchgeführt werden, daß der Drehsinn der Rotation der öse entweder dem Drehsinn der orbitalen Rotation entgegengesetzt oder gleich dem Drehsinn der orbitalen Rotation ist. Die gewünschte Rotationsrichtung hängt von der Natur der gewünschten Rührwirkung ab. Falls die Öse in derselben Richtung um ihre Achse rotiert wie ihre Rotation um die feste Achse, tritt eine starke Rührwirkung ein mit besonders hoher Scherwirkung in der Nähe der Wandung des Behälters und die Flüssigkeit im Behälter wird heftig gerührt unter Ausbildung eines Vortex.

Wenn die Öse um ihre Achse in Gegenrichtung zur Rotation um die feste Achse rotiert, wird eine sanftere Rührwirkung in der Nähe der Wand erzielt und die Wahrscheinlichkeit der Bildung eines Vortex ist sehr viel geringer.

Es hat sich herausgestellt, daß die zuletzt erwähnte Rührweise besonders vorteilhaft ist, wenn die Abscheidung von Komponenten mit unterschiedlichen Dichten aus einer viskosen flüssigen Mischung gewünscht wird. In einer viskosen flüssigen Mischung werden hinter der rotierenden Öse fortwährend Hohlräume erzeugt, die nur verhältnismäßig langsam einfallen, wodurch die Bestandteile der Mischung die Möglichkeit erhalten, sich abzuscheiden. Wenn die Öse durch die Mischung während dieses Vorganges angehoben wird, wird ein großer Anteil der leichteren Bestandteile mit der ö;e an die Oberfläche gebracht und kann einfach entfernt werden.

Die Vermeidung der Vortexbildung mit diesem Verfahren ist besonders nützlich, wenn das schmeteflüssige Material gegen Oxidation geschützt werden muß, wie es bei Magnesiumlegierungen der Fall ist, die eine Schutzatmosphäre benötigen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders für die Anwendung auf die Mischung von Magnesium und Zirkonium geeignet.

Die öse und das Behälterinnere können aus irgendeinem geeigneten feuerfesten Material bestehen, welches der Temperatur und dem Korrosionsangriff der schmelzflüssigen Masse standhält. Die Temperatur einer geschmolzenes Material enthaltenden Masse kann in Abhängigkeit von der Natur der schmelzflüssigen Bestandteile irgendwo zwischen 300 und 2000°C liegen. Für Magnesiumlegierungen können die Öse und der Behälter im allgemeinen aus Flußstahl hergestellt sein.

Eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Ausführungsform einer Rührvorrichtung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung nachfolgend erläutert. Die Zeichnung stellt einen Vertikalschnitt durch einen Behälter dar, der für die Aufnahme schmelzflüssigen Metalls ausgebildet und mit einem Rührer versehen ist.

Ein im Querschnitt kreisförmiger Stahlbehälter 1 besitzt einen gekrümmten Boden und ist mit einem abnehmbaren Deckel 2 versehen, der einen Flansch zum Übergreifen des Behälterrandes besitzt. Der Deckel 2 besitzt eine Zentralöffnung, durch weiche die Rührstange 3, bestehend aus einem Stabprofil von etwa 12 mm, hindurchreicht. Die öffnung besitzt einen sich nach auswärts erstreckenden und «ach außen erweiternden Flansch 4.

Die Stange 3 ist am unteren Ende mit einer öse 9, gebildet aus einem Stahlprofil von etwa 12 mm, ausgerüstet, die so geformt ist, daß die Kante der öse im wesentlichen die gesamte untere Innenfläche des Behälters überstreicht, wenn die Stange 3 präzediert.

Das obere Ende der Stange 3 besitzt einen Haken, der in einen an einer drehbaren Welle 6 angebrachten Ring 5 eingeführt werden kann. Die Welle 6 ist an einem Arm 7 gelagert, der wiederum um eine feste vertikale Achse 8 drehbar angebracht ist. Die Achse 8 fällt mit der vertikalen Symmetrieachse des Behälters 1 zusammen.

Ein Motor und ein Raderwerk konventionellen Typs (nicht dargestellt) sind vorgesehen, um den Arm 7 um die Achse 8 zu rotieren, während die Welle 6 gleichzeitig drehend angetrieben wird. Die Achse 8 und die Welle 6 sind

durch ein am Arm 7 angebrachtes Getriebe miteinander verbunden, so daß ihre Relativdrehzahlen auf unterschiedliche Verhältnisse eingestellt werden können, wobei die Welle 6 in jeder ihrer beiden möglichen Drehrichtungen relativ zur Rotation des Armes um die Achse 8 rotierend angetrieben werden kann.

Die Achse 8 und der Arm 7 können angehoben und gesenkt werden während des Rührvorganges, z. B. mit > Hilfe einer hydraulischen Hubvorrichtung (nicht dargestellt). Die öse 9 kann daher das gesamte im Behälter befindliche Material erfassen.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, können die festen und die schmelzflüssigen Bestandteile in den Behälter gegeben werden, worauf die Stange 3 eingeführt, der Deckel 2 aufgesetzt, die Stange 3 mit dem Ring 5 verbunden und der Rührer für die erforderliche Zeit mit der gewünschten Geschwindigkeit drehend angetrieben wird. Das schmelzflüssige Material im Behälter kann mit einer Schicht aus Schutzmaterial abgedeckt sein. z. B. im Falle geschmolzenen Magnesiums mit einem Flußmittel, Schwefeldioxid oder Schwefelhexafluorid. Das Schutzmaterial kann durch die im Deckel befindliche öffnung hindurch durch den Flansch 4 geführt in den Behälter eingegeben werden.

Da die öse den größten Teil der unteren Fläche des Behälters überstreicht, werden feste oder flüssige

!5 Bestandteile, die schwerer sind als der übrige Behälterinhalt und daher sonst am Boden verbleiben würden, wirksam in der flüssigen Masse dispergiert. Eine hohe Scherwirkung, die zu einer wirksamen Mischung führt.

wird ebenfalls überall in der Flüssigkeit erzielt. Wenn die ösendrehrichtung um die Stange entgegengesetzt ist der orbitalen Rotation um die Achse, wird allenfalls ein sehr geringer Vortex ausgebildet, so daß die Oberfläche der Flüssigkeit nicht nennenswert gestört wird, wodurch nur eine minimale atmosphärische Oxidation des schmelzflüssigen Materials eintreten kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand zweier Beispiele zur Herstellung von Legierungen näher erläutert.

Beispiel 1

In dem Behälter gemäß Zeichnung wurden 20 kg Magnesium und 0.8 kg einer Zusatzlegierung, bestehend aus Magnesium mit etwa Vj Gewichtsanteil Zirkon zur Verfeinerung der Korngröße auf nicht mehr als 0,03 mm, geschmolzen. Die Schmelze wurde unter Verwendung des in der Zeichnung dargestellten Rührers mit einer Rotationsgeschwindigkeit des Arms von 60 U/min um die Achse 8 und einer Rotationsgeschwindigkeit der öse von 80 U/min um die Achse der Stange 3 in entgegengesetzter Richtung zur Drehrichtung des Arms gerührt. Die öse blieb dabei in die Schmelze eingetaucht. Für Vergleichszwecke wurden dieselben Bestandteile zusammen geschmolzen und von Hand gepuddelt.

Proben der Schmelzen wurden zu bestimmten Zeitintervallen während des Rührens gezogen, gegossen und auf ihre Korngröße durch eine Standardmethode untersucht. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle

Si zusammengestellt.

Wie aus diesen Resultaten hervorgeht, wurde mit der rotierenden öse die minimale Korngröße nach 30 Sekunden erreicht gegenüber 2 Minuten bei von Hand gepuddelter Schmelze. Die minimale erzielte Korngröße war kleiner, und das Ausmaß der Kornvergröberung bei ausgedehntem Rühren war geringer.

Beispiel 2

18,6 kg einer Halogenidsalzmischung, enthaltend ein reduzierbares Zirkonhalogenid, wurden in einem Behälter geschmolzen und unter Verwendung eines in der Zeichnung dargestellten Rührers gerührt, wobei die ösenrotation in Gegenrichtung zur Orbitalrotation erfolgte und 1,6 kg schmelzflüssiges Magnesiums bei fortgesetztem Rühren zugegeben wurden. Rotationsgeschwindigkeiten gemäß Beispiel 1 fanden Anwendung. Es erfolgte eine rasche Reaktion, welche zu einer viskosen Salze und Magnesium und Zirkonmetall enthaltenden Masse führte. Die Reaktion war innerhalb 1 Minute beendet.

Dasselbe Verfahren wurde durchgeführt, jedoch wurde dabei anstelle mechanischen Rührens von Hand gepuddelt. Hierbei mußte 18 Minuten lang gepuddelt werden, um die Reaktion zu Ende zu führen, was sich in den späteren Abschnitten wegen der hohen Viskosität der Mischung als sehr anstrengend erwies.

Nach Abschluß der Reaktion wurde das Rühren mit der Öse wie zuvor fortgesetzt, dabei wurde jedoch die Öse allmählich durch die Mischung hindurch angehoben. Die in der Mischung befindlichen Salze wurden von der Metallegierung abgeschieden, wurden durch die rotierende öse zur Oberfläche bewegt und konnten ohne Schwierigkeiter, durch Dekantieren entfernt werden.

Die Entfernung der Salze durch manuelles Puddeln war sehr mühsam und erforderte mehr als 1 Stunde Arbeit, um zum selben Resultat zu gelangen.
Wie ersichtlich ist, ist der vorstehend beschriebene zur Verfahrensdurchführung vorgesehene Rührer billig in

-T-U-Il- ιaucnc	0 .065	.017	1 .029	2 .028	3 .030	5 .032	7 .036
mit Öse gerührt Rührdauer(min) Korngröße (mm)	0 .065	V2 .030	1 .030	2 .024	3 .030	5 .035	7 .042
von Hand gepuddelt Rührdauer (min) Korngröße (mm)

der Herstellung, robust und besitzt einen Paddelrührer, der einfach austauschbar ist für die Verwendung bei
unterschiedlichen schmelzflüssigen Materialien oder unterschiedlichen Behälterformen. Es hat sich herausgestellt, daß eine sorgfältige Mischung viel schneller erzielbar ist als im Vergleich mit manuellem Puddeln. Die
Geschwindigkeit und Dauer de^r Rotation kann einfach gesteuert werden, so daß identische Rührbedingungen
für unterschiedliche Schmelzen auch durch unerfahrene Arbeiter erzielbar sind.

Die Erzeugung einer Oberflächenrührwirkung ist im allgemeinen unerwünscht, wenn oxidierbare Metalle und
Legierungen hergestellt werden. Falls jedoch in besonderen Fällen Oberflächenrühren gewünscht wird, kann der
Padür..rührer solche Abmessungen erhalten, daß er über die Oberfläche der Schmelze vorsteht, so daß zusätzlich
zu der im Behälter befindlichen Masse auch die Oberfläche gerührt wird. Auf ähnliche Weise kann gewünschtenfalls ein Vortex ausgebildet werden, indem die Antriebsmittel dieselbe Drehrichtung erhalten wie der Paddelrührer um seine Achse.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Legierungen, wobei die Schmelze durch mechanisches Rühren in einem Behälter vermischt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein ösenförmiger Paddelrührer um eine Achse in der Ebene der Öse rotiert, während diese Achse orbita! um eine feste Achse rotiert, wobei aufgrund der Formgebung des Paddelrührers und der Bodenfläche des Behälters der Paddelrührer die gesamte Bodenfläche des Behälters innerhalb weniger Millimeter überstreicht

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehsinn der Rotation der Öse dem Drehsinn der orbitalen Rotation entgegengesetzt ist.

ίο 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öse während der Rotation vom Behälterboden angehoben und wieder abgesenkt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehsinn der Rotation der öse gleich dem Drehsinn der orbitalen Rotation ist.

5. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 auf die Mischung von Magnesium und Zirkonium.