DE2837510B2 - Verfahren und Vorrichtung zur gasdynamischen Vermischung von flüssigen Metallen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des Hüttenwesens, und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vermischung von flüssigen Metallen während des Schmelzens unmittelbar im Bad von Schmelzofen, um den Schmelzvorgang zu beschleunigen und um eine homogene chemische Zusammensetzung der Schmelze und ein gleichmäßiges Temperaturfeld des Metallbades zu erhalten.
Es sind bereits mechanische, elektromagnetische, gasdynamische und andere Verfahren zur Vermischung von flüssigen Metallen unmittelbar im Schmelzofenbad bekannt Die Erfindung betrifft das in der Ausführung einfachste Verfahren, nämlich das gasdynamische Vermischen von flüssigen Metallen, besonders von aggressiven Metallen, wie Aluminiumlegierungen und ähnliche.

Das bekannte Vermisohungsverfahrcn. das einen bestimmten Schmelzleistungsgewinn bietet, besitzt wesentliche Nachteile. So ist die konstante Zeitspanne zwischen den Impulsen der Druckgaseinwirkung auf eine Metallcharge im Heberrohr, die für eine der Etappen optimal ist, für zwei andere Etappen nicht optimal.

Außerdem wird die Druckgasenergie für die Beschleunigung des Metalls im Heberrohr auf die geforderte Geschwindigkeit bei weitem nicht voll genutzt. Dies geschieht, weil ein beträchtlicher Teil der Energie des Druckgasimpulses für die Stillsetzung des Metalls im Heberrohr in der Periode seiner Entnahme aus dem Bad verbraucht wird. Ein Teil der Energie wird unmittelbar für die Stillsetzung des Metalls, der andere über für die Abtrennung des Vakuums von dem Arbeitsraum der Pumpe ausgenutzt. Nur der restliche Teil der Energie des Impulses wird für die Beschleunigung des Metalls bis auf eine bestimmte Geschwindigkeit genutzt. Hierbei gelingt es naturgemäß bei weitem nicht immer, die geforderte Ausflußgeschwindigkeit des Metalls aus dem Heberrohr zu erzielen, von der die Wirksamkeit der Vermischung des Metalls insgesamt

so abhängt. Es ist nicht zweckmäßig, die Anfangsenergie des Impulses zu steigern, weil die Gegenwirkung des im Heberrohr aufsteigenden Metalls und des Druckgasstromes, der die Geschwindigkeit des Metalls bis zur vollständigen Stillsetzung dämpft, in der Regel zu einer gewissen Gassättigung des Metalls führt.

Wenn somit der Impulswert vergrößert wird, führt dies zu einer stärkeren Sättigung des Metalls mit Gas, was äußerst unerwünscht ist.
Erfindungsgemäß soll das Vermischen von geschmolzenem Metall, beispielsweise Aluminium und seinen Legierungen, in Flammofen großen Fassungsvermögens mit vorwiegend rechteckigem Querschnitt intensiviert werden, bei denen die Tiefe des Schmelzbades ein Bruchteil der Ofenlänge ist.

Bekannt sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vermischung von geschmolzenem Metall (US-PS 40 08 884 bzw. DE-AS 27 27 193).

Bei diesem Vermischungsverfahren wird das ge-

schmolzene Metall aus dem Bad in einen begrenzten Raum, beispielsweise einen rohrförmigen Behälter, bis zu einem bestimmten Niveau über dem geschmolzenen Metall abwechselnd entnommen, und in das Bad in Form eines untergetauchten Strahls mit einer hohen Geschwindigkeit abgegeben. Diese Schritte werden zur Vermischung des Bades wiederholt, wobei der eingetauchte Strahl im unteren Bereich des Bades über eine Entfernung, die beträchtlich größer als die Badtiefe ist, horizontal geleitet wird.

Gemäß iem Verfahren werden abwechselnd Entnahme und Auslaß durch Ansaugung und Zuführung des Drucks des gasförmigen Mediums zum begrenzten Raum über dem geschmolzenen Metall, also zum oberen Teil des rohrförmigen Behälters, ausgeführt, wobei die Entnahme des flüssigen Metalls durch eine begrenzte Öffnung des erwähnten Behälters auf einem niedrigeren Niveau des Bades erfolgt, während das Auslassen des eingetauchten Strahls im unteren Bereich des Bades in der horizontalen Richtung geschieht

Bei diesem Verfahren gehören zu jedem Ansaugstadium die Lieferung eines Ansaugsignals bei der Bestimmung der Größe des Vakuums im oberen Teil des Behälters und die Kontrolle der Ansaugdauer entsprechend dem Vakuum in der vorgegebenen Höhe, die Vermittlung der Ansaugwirkung zum Heben des geschmolzenen Metalls im Behälter, die Bestimmung der Steighöhe des Metalls und die Unterbrechung der Ansaugung, wenn das Metall das vorbestimmte Niveau erreicht, einschließt.

Die Vorrichtung der US-PS 40 08 884 hat als Einrichtung zur Vermischung des geschmolzenen Metalls einen rohrförmigen Behälter, der am unteren Ende eine in die Schmelze eingetauchte Düse besitzt, während an dem oberen Ende des rohrförmigen Behälters eine Einrichtung in Form eines Ejektors zur abwechselnden Entnahme bzw. Ansaugung des Metalls in den Behälter bis zu einem bestimmten Niveau über dem Schmelzbad und zum Auslaß des Metalls aus dem Behälter in das Bad durch die Düse unter der Wirkung des gasförmigen Mediums angeordnet ist. Das gasförmige Medium, Luft, gelangt aus einem Speicher über Solenoid- bzw. Magnetventile für Zu- und Abführung in den Ejektor.

Die Aufeinanderfolge der Zu- und Abführungsvorgänge wird von einem Vakuumrelais und einem elektrisch wirkenden chronometrischen Zeitrelais überwacht. Zur Kontrolle der zulässigen Steighöhe des Metalls ist in den Innenraum des rohrförmigen Behälters ein elektrischer Höhenstanasgeber eingeführt, der mit einen Abschaltrelais verbunden ist.

Das bekannte Verfahren und die bekannte Vorrichtung zur gasdynamischen Vermischung von flüssigen Metallen besitzen folgende Nachteile, die eine breite Anwendung einschränken.

Die unbewegliche Lage des Heberrohrs der Pumpe im Ofenbad ermöglicht eine intensive Vermischung in einer recht begrenzten Zone, was die Installation einer beträchtlichen Anzahl ähnlicher Pumpea erforderlich macht, insbesondere in großvolumigen Schmelzofen. Beim Schmelzen von Metall in runden oder quadratischen Öfen selbst mit einem relativ geringen Fassungsvermögen ist es erforderlich, mindestens zwei Pumpen zu installieren, um ein schnelles Schmelzen und Lösen von Legierungszusätzen zu erzielen. Die Montage einer erheblichen Anzahl von Pumpen an einem Schmelzofen ist nicht immer möglich, außerdem führt das zu einem erhöhten Druckgasverbrauch. Die Entnahme und die Abgabe des Metalls in einer bestimmten konstanten Höhe über der Bodenfläche des Ofens erlaubt keine optimalen Bedingungen für den Wärme- und Stoffaustausch. Dieser Nachteil zeigt sich besonders beim Schmelzen eines festen Einsatzes wenn die Temperatur der Metallschmelze noch verhältnismäßig niedrig ist Die Umspülung der festen Stücke des Einsatzgutes durch den Metallstrahl mit einer relativ niedrigen Temperatur führt zu keinen optimalen Resultaten hinsichtlich der Schmelzgeschwindigkeit und Wärmenutzung im Ofen.

Bei Schmelzofen mit einer beträchtlichen Badtiefe von 300 mm und mehr führt dieses Verfahren ebenfalls nicht zu guten Ergebnissen. In diesem Falle ist es relativ kompliziert, die optimale Anordnung der Pumpen über dem Bad während des Schmelzvorganges zu finden, wenn sich der Metallspiegel in weiten Grenzen verändert

Weiterhin wird die Energie des Druckgasimpulses nicht voll ausgenutzt, da das Druckgas seine Einwirkung auf den sich nach oben bewegenden oder bestenfalls auf den unbeweglichen Teil des flüssigen MetaJls im Heberrohr der Pumpe beginnt. Dadurch ist es unmöglich, maximale Ausflußgeschwindigkeiten des Metallstrahls aus dem Heberrohr der Pumpe bei einem vorgegebenen Gasdruck zu erreichen. Die Steigerung des Gasdrucks führt zu einer Erhöhung des Energieaufwandes und einer stärkeren Sättigung des Metalls mit Gas.

JO Das Arbeiten mit einer vorgegebenen Vakuumhöhe, die für jede Pumpe von einem Vakuumrelais überwacht wird, gestattet es nicht, die Geschwindigkeit merklich zu erhöhen und folglich die Zeit für die Entnahme einer Metallportion in das Heberrohr der Pumpe zu verkürzen. Außerdem vergrößert die Erzeugung des Vakuums eines Ejektors, der an der Pumpe montiert ist und erst nach beendeter Zuführung des Druckgasirr.pulses über das entsprechende Solinoid eingeschaltet wird, die für die Entnahme des Metalls ins Heberrohr erforderliche Zeitdauer stark. Auch hier sind keine Reserven zur Erhöhung der Geschwindigkeit der Metallentnahme ins Heberrohr der Pumpe abzusehen. Diese beiden Umstände setzen in gewissem Grad den Wirkungsgrad der Pumpe, insbesondere im Stadium des Herunterschmelzens des festen Einsatzes, herab, v.'enn eine erhöhte Häufigkeit der Zyklen der Entnahme und des Auswurfes der Metallportionen ins Bad erforderlich ist.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur gasdynamischen Vermischung von flüssigen Metallen beim Schmelzen, die es ermöglichen, die Wirksamkeit der Vermischung der flüssigen Metalle in großvolumigen Schmelzofen zu erhöhen und die Nachteile der bekannten Verfahren und Vorrichtungen zu vermeiden. Dabei ist eine solche Koordinierung der Kraftwirkungen auf die entnommene Metallportion im Rohr der Pumpe zu entwickeln, daß eine beschleunigte Ejektion des Metalls in die im Bad befindliche Schmelze mit höchster Wirksamkeit erreicht wird.

Diese Aufgabe wird ausgehend von den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Verfahrensmerkmalen mit den im Kennzeichen des Anspruches angegebenen Maßnahmen gelöst.

*>5 Mit dieser Lösung läßt sich die Wirksamkeit der Vermischung von flüssigen Metallen in großen öfen erhöhen, weil Bedingungen für die Beschleunigung der Metallmengen auf höhere Geschwindigkeiten für die

Abgabe ins Bad infolge der Einwirkung eines Druckgasimpulses auf die entnommene Metallmenge in dem Augenblick geschaffen werden, in dem die Abwärtsbewegung dieser Menge unter der Schwerkraftwirkung bereits eingesetzt hat. In diesem Fall wird die ganze Energie des Druckgasimpulses für die Beschleunigung der Metallmenge ausgenutzt, die schon eine bestimmte Anfangsgeschwindigkeit besitzt, was eine höhere Ausflußgeschwindigkeit des Metalls aus dem Heberrohr der Pumpe ergibt, so daß dieses auch einen größeren Weg im Bad zurücklegen kann. Die Wirkung des Druckgasimpulses hinter dem sich bewegenden Metall setzt die Möglichkeit zur Sättigung des Metalls mit Gas im Vergleich zu einer gegenläufigen Bewegung stark herab.

Vor der Zuführung des Druckgasimpulses, der die entnommene Metallmenge aus dem Heberrohr ausstößt, muß der Innenraum des Heberrohrs der Pumpe über dem Metall mit der Atmosphäre in Verbindung gesetzt werden.

Dadurch wird die Energie des Druckgases wirtschaftlicher ausgenutzt, weil für die Stillsetzung und die vorläufige Beschleunigung der Menge des entnommenen Metalls die Energie des umgebenden Mediums, der Atmosphäre, benutzt wird. Das Metall wird in diesem Fall unter der Wirkung der Schwerkraft vorläufig beschleunigt. Die Druckgasenergie wird vollständig für die Beschleunigung der sich im Heberrohr bewegenden Metallmenge verbraucht, wodurch die Ausflußgeschwindigkeit des Metallstrahls aus dem Heberrohr erhöht, der Weg im Bad vergrößert und der Vermischungsvorgang intensiviert werden können.

Zweckmäßigerweise wird der Druckgasimpuls mit dem Beginn des freien Falls der Metallmenge zeitlich zusammengelegt.

Dies ermöglicht eine noch bessere Ausnutzung der Druckgasenergie, weil der Druckgasstrom einen minimal notwendigen Weg bis zum Zusammentreffen mit dem sich im Heberrohr nach unten bewegenden Metall zurücklegt und die ganze Energie unmittelbar für die Beschleunigung des Metalls verbraucht.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur gasdynamischen Vermischung von flüssigen Metallen hat ein Rohr mit abnehmbarem Deckel, ein System der Zuführung eines Druckgasimpulses aus einem Speicher über einen Verteiler in eine Austrittsdüse, ein Vakuumsystem der Entnahme von Metallportionen mit einer Einrichtung zur Abtrennung des Vakuums und einen Geber des Metallhöhenstandes im Bad. Bei dieser Vorrichtung ist erfindungsgemäß die Austrittsdüse gegen die Unterseite des Deckels des Heberrohrs gerichtet und von einer beweglichen Ringhülse mit Bund umfaßt Im Deckel sind Schaftventile angeordnet, die mit dem Bund der Ringhülse bei der Verbindung des Innenraumes des Heberrohres mit der Atmosphäre bei ihrem Hub zusammenwirken, wobei die Ringhülse mit einem Schwimmer in Verbindung steht, welcher für die Anzeige des Schmelzniveaus des Metalls vorgesehen ist.

Diese technische Lösung gestattet es, ohne irgendeine Neukonstruktion die Pumpe in einem großen Schmelzofen zu installieren und eine wirksame Vermischung zu gewährleisten, weil sich die Einrichtung zur Verbindung des Innenraumes der Pumpe mit der Atmosphäre innerhalb des Innenraumes befindet und zum öffnen die Energie der im Heberrohr aufsteigenden Metallmenge ausnutzt Die Verbindung dieser Einrichtung mit dem Metall über den Schwimmer garantiert, daß der Innenraum der Pumpe bei jedem Zyklus der Entnahme der Metallmenge ins Heberrohr mit der Atmosphäre verbunden wird. Dies ergibt Bedingungen zur Erreichung einer hohen Ausflußgeschwindigkeit des Metallstrahls aus dem Heberrohr unter der nachfolgenden ι Einwirkung des Druckgasimpulses.

Zweckmäßigerweise wird der Deckel der Pumpe auf der Unterseite mit einem kegel^förmigen Zerteiler des Gasstromes versehen, der mittig in der Austrittsdüse angeordnet ist und in eine ringförmige Torusartige

ίο Ausnehmung übergeht, in deren Vertiefung Schaftventile untergebracht sind.

Dadurch läßt sich die Sättigung des Metalls mit Gas in der Periode der Abgabe unter der Einwirkung des Druckgasimpulses vermindern, weil der Preßgasstrom zerteilt und über den gesamten Querschnitt des Heberrohrs der Pu;npe gleichmäßig verteilt wird.

Der Schwimmer wird mit der beweglichen Ringhülse mittels in ihrer Länge regelbarer Streben verbunden.
Dadurch kann die Pumpe mit verschiedenen Steiggeschwindigkeiten der entnommenen Metallmengen im Heberrohr arbeiten, weil der Abstand zwischen dem Schwimmer und der Hülse verändert und deren optimale gegenseitige Lage in Abhängigkeit von der Steiggeschwindigkeit gewählt werden kann. Außerdem sind Schwimmer und Hülse leicht auswechselbar.

Im Deckel des Heberrohrs ist ein elektrischer Kontakt in Form eines Taststiftes angeordnet, der in den Steuerkreis für die Zuführung der Druckgasimpulse geschaltet ist, wobei die Länge dieses Taststiftes im

jo Innenraum des Heberrohres so gewählt ist, daß die Zeitdauer zwischen dem Erreichen des maximalen Schmelzniveaus bis zum Hub der Schaftventile größer ist als die Ansprechverzögerung bei der Zuführung des Druckgases.

j5 Diese Lösung gestattet es, die Steiggeschwindigkeit des Metalls im Heberrohr dadurch zu erhöhen, daß bei Vakuum gearbeitet werden kann, wenn das Metall theoretisch über den Deckel der Pumpe hinaus steigt. In diesem Fall kann ohne irgendwelche zusätzlichen Überwachungsmittel der Druckgasimpuls mit dem Beginn des freien Falls der Metallportion zeitlich in Übereinstimmung gebracht werden.

Der Taststift des elektrischen Kontaktes ist im Deckel des Heberrohrs in eine Zange axial verstellbar angeordnet.

Dadurch kann die Steighöhe des Metalls über dem Taststift eingestellt und die Zuführung des Druckgasimpulses mit dem Beginn des freien Falls der Metallportion zeitlich zusammengelegt werden.

Zweckmäßigerweise weist die Austrittsdüse an ihrem Einlaß die erwähnte Einrichtung zur Abtrennung des Vakuums auf, die mit dem Vakuumsystem und dem Druckgassystem parallel verbunden ist wobei diese Abtrenneinheit eine bewegliche Düse darstellt, die in Form eines Ventils in der zweiten äußeren Düse angeordnet und von ihr mittels einer Feder getrennt ist die für den Abschluß des Durchgangskanals und das Einsetzen der einen Düse in die andere bei der Zuführung des Druckgasimpulses ausgelegt ist

Dadurch wird der Einfluß des Vakuumsystems auf die zeitliche Zusammenlegung der Zuführung des Druckgasimpulses mit dem Beginn des freien Falls der Metallportion ausgeschlossen, weil in der Periode der Impulszuführung das Vakuumsystem von dem Innenraum des Heberrohres abgeschaltet wird und den freien Fall des Metalls im Heberrohr nicht behindert Zudem wird auf die entsprechende Einstellung hinsichtlich der Zusammenlegung dieser Vorgänge erleichtert AuBer-

dem kann die Schnellwirkung und folglich die Leistung der Pumpe erhöht werden, weil keine Ausrüstungen und keine entsprechende Zeit für den Anschluß des Vakuumsystems an den Innenraum des Heberrohrs der Pumpe nach beendetem Druckgasimpuls erforderlich sind. Die Häufigkeit der Zyklen läßt sich in diesem Fall mittels einer Drossel leicht regeln, die die Vakuumzunahme im Innenraum des Heberrohres und somit die Geschwindigkeit der Entnahme der Metallmenge aus dem Bad bestimmt.

Auf diese Weise wird das Metall bei der gasdynamischen Vermischung in allen Schmelzzuständen unabhängig von der Häufigkeit der Zuführung von Impulsen beschleunigt, wodurch die Schmelzzeit um mehr als 10% im Vergleich mit der Vermischung nach dem bekannten Verfahren verkürzt werden kann. Die Vermischung wird bis zum Abfluß des Metalls in einen Mischer beibehalten. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Vermischung verbessert und die Schmelzdauer nahezu um 15% reduziert.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Vermischung von flüssigem Metall ist durch vollständigere Ausnutzung des Rohrvolumens bei hinreichend hohen Vakuumwerten im System wirksamer und leistungsfähiger.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann mit der gleichen Effektivität sowohl an einem ortsfesten als auch an einem beweglichen Heberrohr angewendet werden und ermöglicht eine Leistungssteigerung der Pumpe beim Einsatz an Vakuumaggregaten im Durchschnitt um 8 bis 10%.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung in Ausführungsheispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch eine entnommene Metallmenge im Heberrohr der Pumpe;

Fig.2 im Diagramm die zeitliche Änderung der Bewegungsgeschwindigkeit der abgegebenen Metallmenge;

Fig.3 im Längsschnitt eine Mischvorrichtung mit einem Steuerungsschema;

F i g. 4 einen Schnitt des mit einem Ventil versehenen Heberrohrendes der Vorrichtung von Fig. 3 im Augenblick der Zuführung eines Druckgasimpulses;

F i g. 5 im Schnitt das mit einem Ventil versehene Heberrohrende der Vorrichtung von F i g. 3 im Augenblick der Verbindung des Innenraumes mit der Atmosphäre;

F i g. 6 ein Steuerungsschema für die Zuführung des Druckgasimpulses in der Vorrichtung von F i g. 3;

Fig.7 die Befestigung des elektrischen Kontaktes des Taststiftes am Deckel in der Vorrichtung von Fig. 3; und

F i g. 8 eine Einrichtung zur Abtrennung des Vakuums in der Vorrichtung von F i g. 3.

Das prinzipielle Schema der Führung der gasdynamischen Vermischung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird anhand des Diagramms von Fig.2 erläutert, das die Pumpenarbeit für jeden Bewegungszustand des Metalls im Rohr der Pumpe zeigt. Dabei sind

V — die Bewegungsgeschwindigkeit des Metalls im Heberrohr, wobei das Vorzeichen die Bewegungsrichtung anzeigt,

τ — die Zeit,

Pi — der Druck für einen Hauptimpuls des Druckgases und

P₂ — der Druck für einen Zusatzimpuls des Druckgases.

Die Beschleunigung des Metalls im Heberrohr nach

65 dem bekannten Verfahren ist gestrichelt angedeutet. Gemäß F i g. 1 wird aus dem Schmelzbad 1 eines Ofens in das Rohr einer gasdynamischen Pumpe mit einem Heberrohr ein bestimmtes Volumen, nämlich eine Metallmenge 3 mit einer Geschwindigkeit V durch Einwirkung eines Vakuums im Arbeitsraum 4 des Heberrohres angesaugt.

Danach wird auf die Metallmenge im Rohr mit einem zusätzlichen Druckgasimpuls P2, beispielsweise mit Hilfe des atmosphärischen Drucks, eingewirkt, wobei gleichzeitig das Vakuum vom Arbeitsraum des Heberrohrs aufgehoben wird. Infolge dieser Einwirkung wird die Steiggeschwindigkeit des Metalls verlangsamt. Es bleibt im Rohr auf einem bestimmten berechneten Niveau stehen und fängt dann an sich zu senken, d. h. die Anfangsgeschwindigkeit nimmt eine entgegengesetzte Richtung an. In diesem Augehblick wird auf Befehl des Steuersignals, beispielsweise mit Hilfe eines Höhenstands-Kontaktgebers, der Hauptimpuls des Druckgases zugeführt, der das Metall im Heberrohr auf eine vorgegebene Geschwindigkeit beschleunigt. Der Metallstrahl fließt in das Bad aus und vermischt, indem die benachbarten Schichten mitgenommen werden, das Metall im ganzen Badvolumen.

Der Prozeß der Zuführung von zwei zeitlich zusammengelegten Impulsen kann von einem Steuerpult aus oder nach einem bestimmten Programm mit Hilfe eines Elektronenrechners mit entsprechenden Adaptern zur gleichzeitigen Abtrennung des Vakuums und Zuführung eines Zusatzimpulses durchgeführt werden, dessen Druck die Gassättigung des Metalls im Heberrohr ausschließt. Das Verfahren wird zweckmäßigerweise mit einer Zusammenlegung des Zusatzimpulses mit dem Hauptimpuls für den Durchlaufwert des Steuersignals ausgeführt.

Im folgenden wird der Prozeß anhand des Schmelzens einer Aluminiumlegierung mit gasdynamischer Vermischung mittels einer Pumpe für alle Schmelzzustände in einem 30 t-Schmelzofen erläutert.

Die gasdynamische Pumpe arbeitet mit einer Frequenz der Zuführung von Druckgasimpulsen im Bereich von 5 bis 20 Impulsen in der Minute. Bei der Beschleunigung des Metalls im Heberrohr und bei der Zuführung des Metalls zum Ofenbad wird auf die Metallmenge aufeinanderfolgend mit zwei Impulsen eingewirkt. Der erste Impuls, der Zusatzimpuls, wird mit einem Druck von einer Atmosphäre durch gleichzeitige Abschaltung des Vakuums von dem Arbeitsraum und Verbindung dieses Raums mit der Außenluft zugeführt. Hierbei wird die Steiggeschwindigkeit des Metalls im Heberrohr, die 1,2 m/s bei einem Vakuum von 0,4 atm beträgt, gedämpft. Sie verändert ihre Richtung in die entgegengesetzte Richtung 0,6 bis 0,8 s nach der Zuführung des Zusatzimpulses. Nach der Zuführung des zusätzlichen Impulses wird nach 0,5 s das Steuersignal abgegeben, worauf in etwa 0,1 s das ausführende Teil, der Verteiler, betätigt wird. Der Hauptimpuls von 5 bar Druck beschleunigt das Metall von der Anfangsgeschwindigkeit 03 m/s nach "beendeter Einwirkung des Zusatzimpulses auf 33 m/s am Ende der Wirkung des Hauptimpulses des Druckgases.

In den Fig.3, 4 und 5 ist durch Pfeile die Bewegungsrichtung des Metalls und der Gasströme angedeutet Die Puirpe zur gasdynamischen Vermischung von flüssigem Metall 1 im Ofenbad 6 besteht aus einem gefütterten Heberrohr 2 mit abnehmbarem Deckel 8 und aus einer Düse 9, deren Auslaßöffnung zur Seite des Deckels weist Die Düse 9 ist über eine Leitung

10 mit einer Vorrichtung 11 zur Abtrennung des Vakuumsystems vom Herberrohr verbunden. Die Vorrichtung 11 steht mit einem Verteiler 12 für die Zuführung von Impulsen eines Druckgases, wie Stickstoff oder Argon, aus eine:m Speicher 13 in Verbindung. Der Speicher 13 besitzt ein bestimmtes Volumen, sein Gasdruck ist mit Hilfe eines Druckreglers 14 einstellbar und konstanthaltbar. Der Arbeitsraum des Heberrohres 2 steht über die Düse 9, die Leitung 10 und den Injektor 11 mit einer Hauptvakuumleitung ständig in Verbindung, in der ein regelbares Drosselelement 16 angeordnet ist, das die vorgegebene Steiggeschwindigkeit des Metalls im Heberrohr gewährleistet. Der Kontaktgeber für den Metallhöhenstand im Heberrohr leitet einem nicht gezeigten Elektromagneten des Verteilers 12 ein Steuersignal zu.

Am Deckel 8 ist ein Gasstromzerteiler 17 ausgebildet, der mittig in der Düse 9 angeordnet ist und in eine ringförmige torusartige Ausnehmung 18 zur Stabilisierung des Gasstromes im Rohr der Pumpe übergeht. Die Düse 9 ist von einer Ringhülse 19 mit Bund umfaßt, die längs der Düse beweglich ausgeführt ist. Die Hülse 19 stützt sich auf einem Ring 20 ab, dessen Lage über die Länge der Düse einstellbar ist, so daß ein optimaler Spalt zwischen der Hülse 19 und dem Deckel 8 eingestellt werden kann. Die Hülse 19 ist mit Hilfe von in ihrer Länge regelbaren Streben 21 mit einem Schwimmer 22 verbunden. Somit läßt sich der Abstand zwischen der Hülse 19 und dem Schwimmer 22 einstellen und folglich der Augenblick der Überdeckung der Vakuumleitung durch die Hülse und der Verbindung des Arbeitsraumes mit der Atmosphäre verändern. Der Schwimmer 22 kann aus einem leichten feuerbeständigen Material, beispielsweise aus Asbestthermosilikat oder dergleichen sowie hohl mit einer Hülle aus einem in der zu vermischenden Schmelze nichtlöslichen Metall ausgeführt werden. Die Form des Schwimmers äst strömungsgünstig, damit kein zusätzlicher Widerstand erzeugt wird. Der Schwimmer kann in Gestalt einer kugelförmigen Kuppel oder mit abgeschnittener Grundfläche ausgeführt sein. Im Prinzip ist auch eine andere Ausbildung, beispielsweise eine tropfenähnliche, kegelförmige und dergleichen möglich. Am Deckel 8 sind Schaftventile 23 mit Tellern 24 frei aufgehängt, die Kanäle 25 zur Verbindung des Arbeitsraumes des Heberrohres mit der Atmosphäre überdecken. Möglich ist auch die Verbindung mit dem Innenraum, der einen Überdruck hat, welcher geringer ist als der in dem Speicher 13, um einen »weichen« Impuls zu erzeugen.

Die Pumpe arbeitet folgendermaßen:

Bei einem bestimmten zulässigen Niveau des Metalls im Ofenbad 6, wenn die Austrittsöffnung des Heberrohres 2 nicht offen ist werden die Vakuumleitung 10 mit dem Arbeitsraum des Heberrohres 2 und der Speicher 13 über den Verteiler 12 und den Druckregler 14 mit der Druckgasleitung verbunden. Zu gleicher Zeit wird Strom in die Spule des Elektromagneten des Verteilers 12 eingespeist Der Stift des Kontaktgebers ist auf ein berechnetes Niveau in Abhängigkeit von der Einstellung des Drosselelementes 16 und der gegenseitigen Lage des Schwimmers 22 und der Hülse 19 abgesenkt.

Das flüssige Metall steigt unter Einwirkung des Vakuums im Heberrohr 2 in eine bestimmte Höhe und beginnt, den Schwimmer 22 mit der Hülse 19 anzuheben. Mit ihrem Bund hebt die Hülse die Ventile 23. Die Teller 24 öffnen die Kanäle 25, die das Heberrohr mit der Atmosphäre verbinden, wobei die Hülse 19 beginnt die Verbindung des Arbeitsraumes mit dem Vakuum zu überdecken. Das Metall verlangsamt seine Steiggeschwindigkeit und bleibt in einer bestimmten Höhe stehen, da die durch die Druckdifferenz bedingte Steigkraft und das Gewicht der Metallsäule einander ausgleichen. In diesem Moment schließt der Höhenstands-Kontaktgeber. Der Elektromagnet des Verteilers 12 spricht an. Der Speicher 13 wird mit dem Arbeitsraum des Heberrohres 2 über den Injektor 11, die Leitung 10 und die Düse 9 verbunden; hierbei findet

ίο die Abtrennung des Vakuums mittels des Injektors statt. Der Druckgasvorrat gelangt schnell aus dem Speicher 13 in den Arbeitsraum. Der Druckgasimpuls wirkt auf das Metallvolumen im Heberrohr 2 ein und stößt das Metall mit hoher Geschwindigkeit in das Ofenbad hinaus. Die Dauer der Impulszuführung kann durch bekannte technische Mittel verlängert werden. Das aus dem Heberrohr verdrängte Metallvolumen bewegt sich im Bad und nimmt benachbarte Metallschichten mit, indem es dadurch das gesamte Badvolumen durchmischt. Nachdem sich das Metall im Heberrohr vom Stift des Kontaktgebers entfernt hat, wird der Elektromagnet des Verteilers 12 ausgeschaltet. Das Druckgas beginnt zum Speicher 13 aus der Hauptleitung 10 zu strömen. Danach wird das flüssige Metall erneut in das Heberrohr 2 eingesaugt, und der Arbeitszyklus der Vorrichtung wiederholt sich in derselben Reihenfolge.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann mit gleichem Effekt sowohl für ein ortsfeste, als auch für ein bewegliches Heberrohr angewendet werden.

Wie aus F i g. 6 zu ersehen ist, sitzt am Deckel 8 der Vorrichtung ein Höhenstands-Kontaktgeber, dessen Taststift 27 an einen der Kontakte der Spule des Elektromagneten eines Verteilers 28 angeschlossen ist, während an dem anderen Kontakt eine Spannung von 12 V anliegt. Das Metall im Bad ist geerdet, deshalb spricht bei einem Kontakt zwischen Metall und Taststift 27 der Elektromagnet des Verteilers 12 an, weil der Stromkreis zwischen der Stromquelle der Spannung von 12 V und Erde geschlossen ist Die Taststifte 27 der Kontaktgeber sind in Spannzangen 29 (F i g. 7) angeordnet, die mittels Muttern geschlossen oder geöffnet werden können, so daß die Taststifte 27 auf verschiedene Abstände zum Deckel 26 zur Einstellung des Nutzvolumens des Arbeiisraumes des Heberrohrs 2 betätigt werden können. Durch Drosselung läßt sich die Zeit bis zum Erreichen des erforderlichen Restdruckes im Arbeitsraum des Heberrohres und demzufolge die Steiggeschwindigkeit des Metalls in die vorgegebene Höhe regeln.

Die Vorrichtung arbeitet in folgender Weise.

Bei einem bestimmten zulässigen Metallniveau im Ofenbad, wenn die Austrittsöffnung des Heberrohres 2 überdeckt ist wird die Vakuumhauptleitung mit dem Arbeitsraum des Heberrohres 2, der Speicher 13 aber mit der Druckgasleitung über den Verteiler 12 und den Druckregler 14 verbunden. Gleichzeitig wird Strom in die Spulen der Elektromagneten des Verteilers 12 eingespeist; der Taststift 27 des Gebers sind auf das berechnete Niveau in Abhängigkeit von der Einstellung des Drosselelementes abgesenkt das die Steiggeschwindigkeit des Metalls im Heberrohr 2 bei einem vorgegebenen anfänglichen Restdruck im Vakuumsystem bestimmt
Das flüssige Metall steigt unter Einwirkung des Vakuums im Heberrohr 2 in eine bestimmte Höhe bis zum Taststift 27 des Kontaktgebers auf. Hierbei wird der Stromkreis Erde-Stromquelle mit Spannung von 12 V geschlossen. Der Elektromagnet des Verteilers 12

spricht an. Der Speicher 13 wird mit dem Arbeitsraum des Heberrohres 2 über die Hauptleitung 10 und die Düse 9 verbunden. Der Druckgasvorrat gelangt aus dem Speicher in den Arbeitsraum. Der Druckgasimpuls wirkt auf das Metallvolumen im Heberrohr und befördert das Metall mit hoher Geschwindigkeit in das Ofenbad hinaus. Das aus dem Heberrohr verdrängte Volumen des flüssigen Metalls bewegt sich im Bad und nimmt benachbarte Metallschichten mit, wobei es das gesamte Badvolumen durchmischt. in

Wenn sich das Metall im Heberrohr von dem Taststift 27 entfernt und der Stromkreis unterbrochen wird, wird der Elektromagnet des Verteilers 12 ausgeschaltet. Das Druckgas beginnt in den Speicher 13 aus der Hauptleitung 35 zu strömen. Danach wird das flüssige Metall erneut in das Heberrohr eingesaugt, und der Arbeitszyklus der Vorrichtung wiederholt sich in derselben Reihenfolge.

Die in Fig.8 gezeigte Einrichtung zur Abtrennung des Vakuums der gasdynamischen Pumpe zur Vermischung von flüssigem Metall besitzt eine Kammer mit einer feststehenden Düse 36. Ins Innere der Düse 36 ist eine bewegliche Düse 37 eingeführt, die über die Leitung 35 (Fig.6) mit dem Verteiler 12 des Systems zur Zuführung von Impulsen eines Druckgases (Stickstoff, Argon) aus dem Speicher 13 verbunden ist, der aus der Hauptleitung über den Druckregler 14 gefüllt wird. Zwischen einem Bund 38 der Düse und einer Eindrehung 39, die in die Kegelfläche 40 der Kammer übergeht, ist ein elastisches Element, beispielsweise eine Druckfeder 44, angeordnet, die die Düse 37 nachgiebig festhält. Die Größe des Spaltes zwischen der Kante der Düse 37 und der Kegelfläche 40 wird mit Hilfe eines Deckels 41 eingestellt, der mit der Düse 36 mittels einer Gewindeverbindung gekoppelt ist. Am Austrittsteil der Düse 37 sind Kanäle 42 ausgeführt, die die Leitung 35 der Zuführung von Druckgasimpulsen mit einem Hohlraum 43 zwischen der Außen- und der Innenfläche der Düse 37 bzw. der Kammer der Düse 36 verbinden.
Die Vorrichtung arbeitet folgendermaßen:
In der in Fig.8 dargestellten Ausgangslage ist die Vakuumleitung 35 mit der Kammer der Düse 36 verbunden. Das Druckgas strömt über den Verteiler 12 (F i g. 6) in den Speicher 13 ein. Bei der Umschaltung des Verteilers 12 gelangt das Druckgas aus dem Speicher 13 über die Leitung 35 zur Düse 37 (Fig.8). Beim Ausströmen des Gases durch die Düse 37 entsteht ein Druckgefälle vor und nach der Düse. Das Druckgas strömt gleichzeitig durch die Kanäle 42 in die Kammer

43 und wirkt auf eine Fläche ein, die von der Oberfläche des Bundes der Düse bestimmt wird. Die Düse 37 verschiebt sich unter der Wirkung einer durch den Druck des Gases auf den Bund 38 erzeugten Kraft bis zum Anschlag der Kantt der Düse 37 gegen die Kegelfläche 40 des Kanals und trennt dabei die Vakuumleitung vom Innenraum des Heberrohres 2 ab. Die Feder 44 wird durch dieselbe Kraft zusammengedrückt und bleibt in dieser Lage bis zur Beendigung der Zuführung des Druckgasimpulses. Nach Beendigung des Impulses wird die Düse 37 unter der Wirkung der Feder

44 in die Ausgangsstellung gehoben.

Der Aibeitszyklus wiederholt sich in derselben Reihenfolge.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur gasdynamischen Vermischung von flüssigen Metallen beim Schmelzen, bei welchem wechselweise Metallportionen aus dem Schmelzbad in das Heberrohr einer Pumpe mittels Vakuum angehoben und rückläufig in die Schmelze durch Einwirkung von Druckgasimpulsen abgegeben werden, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar vor der Zuführung eines Druckgasimpulses in das Heberrohr der Pumpe die Wirkung des Vakuums aufgehoben und der Innenraum des Heberrohres oberhalb des Metalls mit der Atmosphäre verbunden wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Rohr mit abnehmbarem Deckel, mit einem System für die Zuführung eines Druckgasimpulses aus einem Speicher über einen Verteiler in eine Austrittsdüse, mit einem Vakuumsystem für die Entnahme von Metallportionen mit einer Einrichtung zur Abtrennung des Vakuums und mit einem Geber des Metallhöhenstandes im Bad, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsdüse (9) gegen die Unterseite des Deckels (8) des Heberrohres (2) gerichtet und von einer beweglichen Ringhülse (19) mit Bund umfaßt ist, daß im Deckel Schaftventile (23) angeordnet sind, die mit dem Bund der Ringhülse bei der Verbindung des Innenraumes des Heberrohres (2) mit der Atmosphäre bei ihrem Hub zusammenwirken, wobei die Ringhülse mit einem Schwimmer (22) in Verbindung steht, welcher für die Anzeige des Schmelzenniveaus des Metalls (1) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (8) auf der Unterseite mit einem kegelförmigen Gasstromzerteiler (17) versehen ist, der mittig in der Austrittsdüse (9) angeordnet ist und in eine ringförmige torusartige Ausnehmung (18) übergeht, in deren Vertiefungen die Schaftventile (23) untergebracht sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwimmer (22) mit der beweglichen Ringhülse (19) mittels in ihrer Länge regelbarer Streben (21) verbunden ist

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Deckel (8) des Heberrohres ein elektrischer Kontakt in Form eines Taststiftes (27) angeordnet ist, der in den Steuerkreis für die Zuführung von Druckgasimpulsen geschaltet ist, wobei die Länge dieses Taststiftes (27) im Innenraum des Heberrohres so gewählt ist, daß die Zeitdauer zwischen dem Erreichen des max. Schmelzeniveaus bis zum Hub der Schaftventile (23) größer ist als die Ansprechverzögerung des Systems bei der Zuführung des Druckgasimpulses.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Taststift (27) des elektrischen Kontaktes im Deckel (8) des Heberrohres in einer Spannzange (29) axial verstellbar angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsdüse an ihrem Ausgang eine Einrichtung zur Abtrennung des Vakuums aufweist, die mit dem Vakuum-System und dem Druckgas-System parallel verbunden ist, wobei diese Abtrenneinheit eine bewegliche Düse (37) darstellt, die in Form eines Ventils in einer zweiten äußeren Düse (36) angeordnet und von ihr mittels einer Feder (44) getrennt ist, welche für den Abschluß eines Durchgangskanals und das Einsetzen der einen Düse (37) in die andere (36) bei der Zuführungeines Druckgasimpulses ausgelegt ist