DE2848829A1

DE2848829A1 - Vorrichtung und verfahren zum entgasen von geschmolzenem metall

Info

Publication number: DE2848829A1
Application number: DE19782848829
Authority: DE
Inventors: Joseph A Dr Clumpner
Original assignee: Alusuisse Holdings AG
Current assignee: Alcan Holdings Switzerland AG
Priority date: 1978-06-12
Filing date: 1978-11-10
Publication date: 1979-12-13
Also published as: US4179102A; JPS5811494B2; ZA792491B; JPS5518590A; SU1114344A3

Description

SCHWEIZERISCHE ALUMINIUM AG, 3965 Chippis

Vorrichtung und Verfahren zum Entgasen von geschmolzenem Metall

31.10.1978

FPA-HBr/bk - Case 1294 -

909850/0524

Vorrichtung und Verfahren zum Entgasen von geschmolzenem Metall

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für das Entgasen von geschmolzenem Metall sowie auf ein Verfahren zu
deren Verwendung, wobei ein in einer Reaktionskammer durchströmendes Gas eingesetzt wird, welches das Metall reinigt.

Geschmolzene Metalle, insbesondere geschmolzenes Aluminium, enthalten in der Praxis im allgemeinen mitgeschleppte und
gelöste Verunreinigungen, sowohl in gasförmiger als auch in fester Form, welche der Qualität des Gussstückes abträglich sind. Diese Verunreinigungen können die Gussstücke nach dem Verfestigen des geschmolzenen Metalls dahingehend nachteilig beeinflussen, dass das Endprodukt weniger duktil sein
oder geringe Nachbearbeitungs- oder Anodisiereigenschaften
haben kann. Dadurch wird der Anwendungsbereich des Verfahrens eingeschränkt.

Die Verunreinigungen können verschiedenen Ursprungs sein.
Beispielsweise können die Verunreinigungen metallische Einschlüsse, wie Alkali- oder Erdalkalimetalle, sowie gelösten Wasserstoff oder eingeschlossene, von der Oberfläche herrührende Oxidfilme, welche zerbröckelt und im geschmolzenen Metall mitgerissen worden sind, umfassen. Zusätzlich können Einschlüsse aus unlöslichen Verunreinigungen, wie Karbiden, Boriden und anderen, oder von erodierten Ofen- und Trogmaterialien herrühren.

Ein bekanntes· Verfahren zur Entfernung von gasförmigen Verunreinigungen aus geschmolzenem Metall besteht darin, dieses zu Entgasen. Dieses physikalische Verfahren umfasst das Einleiten eines durchströmenden Gases in die Schmelze. In der
Schmelze eingeschlossener Wasserstoff diffundiert durch die Schmelze zu den Blasen des Reinigungsgases, haftet an der

909850/05 2 4

Blasenoberfläche und wird schliesslich in der Blase selbst absorbiert. Der Wasserstoff wird dann mit der Blase aus der Schmelze entfernt.

Es ist natürlich höchst wünschenswert, das Entgasen von geschmolzenen Metallen zu verbessern, um Verunreinigungen im Gussstück, insbesondere aus geschmolzenem Aluminium, zu entfernen oder auf ein Minimum zu beschränken, vor allem wenn das Gussstück beispielsweise als dekoratives Erzeugnis, wie als Dekorationsschild, oder als Erzeugnis mit kritischen Eigenschaften, wie Schmiedestücke oder Strangpressprodukte für die Flugzeugindustrie und dünne Folienbahnen eingesetzt wird. Die oben beschriebenen Verunreinigungen verursachen auch, dass das Gussstück einen Verlust an physikalischen und chemischen Eigenschaften, wie Zugfestigkeit und Korrosionswiderstand, erleidet.

Rigoros durchgeführte Verfahren, wie die Gasreinigung oder die Schmelzefiltrierung haben das Auftreten solcher Fehler auf ein Minimum beschränkt. Obwohl solche Verfahren im allgemeinen erfolgreich angewendet worden sind, um das Auftreten von Fehlern auf ein befriedigendes Niveau zu reduzieren, ist festgestellt worden, dass sie einen zu geringen Wirkungsgrad haben und/oder unwirtschaftlich sind. In üblicher Weise durchgeführte Gasreinigungsverfahren, wie das allgemein angewendete Durchströmen eines Gases durch einen Schmelzeraum, haben die Einführung des durchströmenden Gases in einen Warmhalteofen, welcher eine grosse Menge von geschmolzenem Metall enthält, notwendig gemacht. Dieses Verfahren macht erforderlich, dass das geschmolzene Metall für eine gleichmassige Behandlung während langer Zeit bei durchströmendem Gas im Warmhalteofen belassen werden muss. Dieses Verfahren hat viele Nachteile, u.a. einen verminderten Wirkungsgrad und erhöhte Kosten, welche aus der durch das Entgasen

909850/0524

bewirkte, verlängerten Inaktivität des Ofens und, was wichtiger ist, aus dem geringen Wirkungsgrad des Entgasens wegen der ungenügenden Durchdringung des geschmolzenen Metalls mit strömendem Gas, welcher dem grossen Blasendurchmesser und der geringen Blasendispersion in der Schmelze zuzuschreiben ist, herrührt. Weitere nachteilige Faktoren umfassen die Beschränkung der Anwendung des Verfahrens auf den Ort des Ofens, was das Wiedereintreten von Verunreinigungen in die Schmelze vor dem Giessen erlaubt, und hohe Emissionen, welche sowohl ^von der Menge von erforderlichem Reinigungsgas als auch vom Ort ihres Durchflusses herrühren.

Als Alternative zu den oben erwähnten Gasdurchflussverfahren durch eine grosse Masse von geschmolzenem Metall sind auch Reinxgungsverfahren in einer Rohrleitung vorgeschlagen worden, d.h. das Verfahren und die damit verbundene Vorrichtung werden ausserhalb des Schmelz- oder Warmhalteofens angeordnet, oft zwischen dem Schmelzofen und dem Warmhalteofen oder zwischen dem Warmhalteofen und der Giessmaschine. Dies hilft mit, den Nachteil des geringen Wirkungsgrades und der hohen Kosten wegen der langen Inaktivität des Ofens zu vermindern, aber das Verfahren ist nicht erfolgreich in bezug auf die Verbesserung des Wirkungsgrades des Entgasungsverfahrens selbst, weil die grossen Abmessungen der Einheiten und die unerwünscht hohen Mengen von erforderlichem Reinigungsgas pro Einheit geschmolzenen Metalles sowohl kostspielig als auch einer genügend reinen Luft abträglich sind.

Ein typisches Gasdurchströmungsverfahren in einer Rohrleitung wird in der US-PS 3 737 304 beschrieben. Nach dieser Patentschrift wird ein Bett von "Steinen" in einem Gehäuse angeordnet, durch welches das geschmolzene Metall geleitet wird. Unterhalb des Bettes wird ein Reinigungsgas eingeleitet, durch welches die Zwischenräume der Steine aufwärts fliesst und so in bezug auf das geschmolzene Metall eine Gegenströmung

909850/0524

bildet. Die Verwendung eines Bettes von porösen "Steinen" hat aber einen damit verbundenen Nachteil. Die Tatsache, dass die Steine ihre Poren sehr nahe beieinander haben, bewirkt, dass die Gasblasen durch die Steine hindurchfliessen, an deren Oberfläche ineinanderfHessen und so eine verhältnismässig geringe Zahl von grossen Blasen, statt einer grossen Anzahl von kleinen Blasen bilden. Die Folge des IneinanderfHessens der Blasen ist eine Verminderung der Blasenoberfläche, auf welcher der Wasserstoff absorbiert werden kann, was wiederum eine niedrigere Wirksamkeit des Entgasens zur Folge hat.

Ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung für das Entgasen und das Filtrieren von geschmolzenem Metall in einer Rohrleitung wird in der US-PS 4 052 198 beschrieben. Diese Patentschrift der Anmelderin beschreibt eine Vorrichtung, welche ein Paar von hintereinander angeordneten, entfernbaren Filterelementen und mindestens einen dazwischen angeordneten Gaseinlass umfasst. Das durchströmende Gas wird durch den Einlass in die Schmelze eingeleitet und fliesst durch die erste der erwähnten Platten, und zwar im Gegenstrom in bezug auf die Schmelze. Die Filterplatte dient dazu, das durchströmende Gas in feindisperse Form zu bringen, wodurch ein ausgedehnter Kontakt mit der Schmelze gewährleistet ist. Die eingesetzten Filterplatten sind aus porösem keramischem Schaummaterial hergestellt, welche für das Filtrieren von geschmolzenem Metall aus einer Reihe von Gründen sehr nützlich sind, u.a. wegen ihrer ausgezeichneten Filtrierwirksamkeit, welche aus ihren gleichmässigen, kontrollierbaren Porengrössen herrührt, ihren niedrigen Kosten, sowie problemloser Verwendung und Ersetzbarkeit. Keramische Schaumfilter sind also bequem abzuwenden, kostengünstig herzustellen und bei einem Entgasen und Filtrieren in einer Rohrleitungseinheit problemlos anzuwenden.

Obwohl die obenerwähnte US-PS 4 052 198 gegenüber vorher be-

909850/0524

kannten Gasreinigungsverfahren in Rohrleitungen wesentliche Verbesserungen bringt, treten dennoch einige Probleme auf. Wegen wirtschaftlichen Vorteilen und einer erhöhten Produktivität ist es wünschenswert, Entgasungs- und Filtriersysteme zu haben, welche geschmolzenes Metall kontinuierlich und in einer an die Giessverfahren angepassten Geschwindigkeit behandeln können. Die Verwendung von bekannten Entgasungseinheiten in Rohrleitungen, wie bei der oben erwähnten US-PS 3 737 304 für das kontinuierliche Entgasen und Filtrieren muss als nicht in befriedigendem Masse wirtschaftlich bezeichnet werden, weil eine grosse Anzahl von Kammeranordnungen notwendig ist, um die Mengen von geschmolzenem Metall, welche für Stranggussverfahren erforderlich sind, genügend zu behandeln. Wegen der grossen Abmessungen der Behandlungseinheiten ist im allgemeinen eine zusätzliche Heizung erforderlich, um das Einfrieren des geschmolzenen Metalls während der Behandlung zu verhindern. Obwohl nach der US-PS 4 052 198, welche Keramikfilter und eine Gegenströmung des Gases verwendet, grössere Mengen von geschmolzenem Metall als bei anderen bekannten Verfahren behandelt werden können, hat ein solches System dennoch eine in bezug auf die Menge von geschmolzenem Metall beschränkte Wirksamkeit, weil infolge des gleichzeitigen Gegenstromes des Gases durch den Filterkörper der Druck verhältnismässig stark sinkt. Infolge dieses Druckabfalls bildet sich oberhalb des Filterelementes ein Helm von geschmolzenem Metall, was entweder eine Vergrösserung des Raumes oberhalb des Filterelementes oder eine Erniedrigung der Durchflussgeschwindigkeit des flüssigen Metalls durch das Filterelement erforderlich macht. Zusätzlich zu der beschränkten Wirksamkeit in bezug auf den Durchsatz von geschmolzenem Metall, welcher nach der obenstehenden US-PS 4 052 198 bewältigt werden kann, ist gefunden worden, dass der Wirkungsgrad des Entgasungsverfahrens noch einige Wünsche offen lässt, weil die durchströmenden Gasblasen zum IneinanderfHessen neigen, und dadurch der kinetische Wirkungsgrad der Adsorptionsreaktion beschränkt wird.

909850/0524

Der Erfinder hat sich deshalb die Aufgabe gestellt, eine die obenstehenden Mangel beseitigende Vorrichtung, insbesondere einen Wxrbeltankreaktor, und ein Verfahren für das Entgasen und gegebenenfalls das Filtrieren von geschmolzenem Metall zu schaffen, welche ein minimales Ineinanderfliessen von Gasblasen ermöglichen und trotzdem einen erhöhten Durchsatz von gereinigtem flüssigen Metall erlauben. Die verbesserte Vorrichtung soll kostengünstig und bequem zu verwenden sein und ein hochwirksames Entgasen und Filtrieren des geschmolzenen Metalls gewährleisten.

Die Aufgae wird erfindungsgemäss gelöst durch eine Vorrichtung, gekennzeichnet durch

- eine langgestreckte Reaktionskammer mit einer Seitenwand und einem Boden,

- einen auf einer ersten Höhe angeordneten Einlassstutzen für das Zuführen des geschmolzenem Metalls in die Reaktionskammer ,

- einen auf einer zweiten Höhe angeordneten, unterhalb der ersten Höhe liegenden Auslassstutzen, für das Entfernen des geschmolzenen Metalls aus der Reaktionskammer,

- auf einer dritten Höhe angeordnete, unterhalb der ersten Höhe liegende Einlassstutzen für das Zuführen des durchströmenden Gases in die Reaktionskammer, wobei mindestens einer der Einlassstutzen in bezug auf die Seitenwand der Reaktionskammer derart angeordnet ist, dass das geschmolzene Metall und/oder das durchströmende Gas im Uhrzeiger- bzw. Gegenuhrzeigersinn in die Reaktionskammer eintritt und dadurch eine in entsprechendem Sinn rotierende Wirbelbewegung des geschmolzenen Metalls in Richtung der

909850/0524

Austrittsöffnung bewirkt, während das strömende Gas durch das geschmolzene Metall perlt.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die langgestreckte Reaktionskammer in bezug auf den Querschnitt im wesentlichen kreisförmig und hat am oberen Ende einen Metalleinlass und am Boden einen Metallauslass. Der Querschnitt der Reaktionskammer kann jedoch auch von oktagonaler Form oder dergleichen sein, die einzige Bedingung in bezug auf die Form des Querschnitts ist/ dass sie dem flüssigen Metall erlaubt, in einer rotierenden Wirbelbewegung vom Einlass der Reaktionskammer zu deren Auslass zu wirbeln.

Vorzugsweise werden mehrere Einlassdüsen für das strömende Gas in der Seitenwand, unterhalb des EinlassStutzens für das flüssige Metall, angeordnet, insbesondere zwischen dem Metalleinlass und dem Metallauslass. Um die erwünschte rotierende Wirbelbewegung des flüssigen Metalls vom Metalleinlassstutzen zum - auslassstutzen zu erreichen, ist es erforderlich, dass in bezug auf die Seitenwand der Reaktionskammer der Metalleinlassstutzen und/oder mindestens ein Einlassstutzen für das Reinigungsgas derart angeordnet ist, dass das entsprechende Medium tangential eingeführt wird. Wenn nur einer der Einlassstutzen derart angeordnet ist, dann bevorzugt derjenige für das flüssige Metall. Es ist jedoch vorteilhaft, wenn sowohl das flüssige Metall als auch das Gas tangential, in derselben Richtung, eingeführt werden, sodass das geschmolzene Metall wirbelnd vom Metalleinlass in die Reaktionskammer und hinunter zum Metallauslass fliesst. Durch die Einführung des strömenden Gases in die rotierende Wirbelbewegung des Metallstromes erreicht die Dispersion der Entgasungsblasen ein Maximum, und durch Optimalisierung der Düsengrösse wird die effektive Adsorption von gasförmigen Verunreinigungen weiter erhöht.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird ein mit einer

909850/0 524

offenporigen Struktur versehenes filterförmiges Medium, welches durch eine Vielzahl von mit einem Netzwerk aus keramischem Material umgebenen, miteinander verbundenen Hohlräumen gekennzeichnet ist, in der Reaktionskammer, zwischen dem Metalleinlass und dem Metallauslass angeordnet, im Idealfall unterhalb der Einlassdüsen für das durchströmende Gas. Wenn die Reaktionskammer zusammen mit einem filterförmigen Medium verwendet wird, ist die Position des Metallauslasses im unteren Bereich der Kammer nicht wesentlich. Wenn die Reaktionskammer jedoch ohne Filtermedium eingesetzt wird, ist der Metallauslass bevorzugt tangential angeordnet, um die Wirbelbewegung des flüssigen Metalls während des Durchflusses vom Einlass zum Auslass zu unterstützen.

Das erfindungsgemasse Verfahren zum Entgasen von geschmolzenem Metall mit einem in einer Reaktionskammer durchströmenden, das Metall reinigenden Gas ist dadurch gekennzeichnet, dass

- das flüssige Metall durch einen auf einer ersten Höhe angeordneten Einlassstutzen in die langgestreckte Reaktionskammer eingeführt und durch einen auf einer zweiten Höhe angeordneten, unterhalb der ersten Höhe liegenden Auslassstutzen wieder aus der Reaktionskammer entfernt,

- das durchströmende Gas durch auf einer dritten Höhe angeordnete, unterhalb der ersten Höhe liegende Einlassstutzen in das geschmolzene Metall eingeführt, und

- das geschmolzene Metall mit einer im Uhrzeiger- bzw. Gegenuhrzeigersinn rotierenden Wirbelbewegung durch die Reaktionskammer fliesst und gleichzeitig vom strömenden Gas durchperlt wird.

Nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung können als durchströmende Reinigungsgase vor allem inerte Gase, welche

909850/0524

vorzugsweise eine geringe Menge eines aktiven gasförmigen Zusatzstoffes, wie Chlor oder eine vollständig halogenierte Kohlenwasserstoff-Komponente enthalten, verwendet werden. Das eingesetzte Gas kann irgend ein bekanntes Gas oder ein Gasgemisch, wie Stickstoff, Argon, Chlor, Kohlenmonoxid, Freon 12 sein, welches zum Erreichen einer akzeptierbaren Entgasung geeignet ist. Für das Entgasen von Aluminiumschmelzen sind insbesondere Mischungen von Stickstoff/Freon oder Argon/Freon 12 besonders nützlich. Zusätzlich kann auf der Oberfläche des geschmolzenen Metalles eine Schutzschicht aus einem inerten Gas, wie Argon, Stickstoff usw. angelegt werden, um die Readsorbtion von gasförmigen Verunreinigungen an der Oberfläche der Schmelze auf ein Minimum zu beschränken.

Sowohl die vorliegende Vorrichtung als auch das Verfahren bringen eine beträchtliche Erhöhung der Produktivität in bezug auf das Entgasen von geschmolzenem Metall, weil das Entgasen ohne durch den Schmelzofen verursachte Unterbrüche fortgesetzt werden kann. Weiter ermöglicht die Gestaltung der Vorrichtung deren Anordnung in der Nähe der Giessmaschine, wodurch die Möglichkeit eines weiteren Eindringens von Verunreinigungen in die Schmelze wesentlich vermindert wird. Schliesslich wird das Entgasen von geschmolzenen Metall durch die Optimalisierung des Wirkungsgrades der Adsorption von gasförmigen Verunreinigungen verbessert.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung erniedrigt die Blasengrösse des Reinigungsgases auf ein Minimum, während die Dichte der Gasblasen auf ein Maximum gebracht wird, wodurch die wirksame Oberfläche für die Durchführung der Adsorptionsreaktion erhöht und so die Entgasung des geschmolzenen Metalls optima lisiert wird.

Zusätzlich erlaubt der hohe Wirkungsgrad der vorliegenden

909850/0524

Erfindung die Durchführung einer Entgasung mit einer genügend erniedrigten Menge des Durchflussmediums, wodurch die durch das Reinigungsverfahren erzeugte Abgasmenge in bedeutendem Ausmass vermindert wird.

Auf Grund der bevorzugten Verwendung eines filterföraiigen Mediums in der Reaktionskammer sind die Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung in der Lage, einen Reinheitsgrad der Schmelze zu erreichen, der vorher nur mit den rigorosesten Verfahrensbedingungen erreicht worden ist.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungen näher erläutert. Es zeigen:

- Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung mit zylinder

förmiger Reaktionskammer _f

- Fig. 2 eine Seitenansicht einer Reaktionskammer.

- Fig. 3 einen Horizontalschnitt durch die Linie 3-3 von

Fig. 2,

- Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine Reaktionskammer.

An die in den Figuren dargestellten Reaktionskammern sind nicht gezeichnete Giesspfannen, Giesströge, Transporttröge, Metallbehandlungswannen oder dgl. angeschlossen. Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann an einer beliebigen Stelle zwischen dem Schmelzofen und der Giessmaschine eingesetzt werden.

Fig. 1 und 2 zeigen einen refraktären Wirbeltankreaktor 10, welcher eine langgestreckte zylindrische Seitenwand 12 und einen Boden 14, welche die Entgasungs--und Filtrierkammer

909850/0524

bzw. die Reaktionskaininer 16 bilden, umfasst. Durch einen Einlassstutzen 18 im oberen Bereich der zylindrischen Kammer 16 tritt geschmolzenes Metall in die Reaktionskammer 16 ein und tritt durch den Auslassstutzen 20 wieder daraus aus. Nach der bevorzugten, in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform ist der Auslass 20 tangential angeordnet, es sollte jedoch beachtet werden, dass ein tangential angeordneter Auslass 20 von geringer Bedeutung ist, wenn in der Vorrichtung ein Filtermedium 24 verwendet wird. Im oberen Bereich der Reaktionskammer 16 ist eine nicht dargestellte, inerte Gashaube, die beispielsweise aus Argon oder Stickstoff besteht, vorhanden, um die Readsorption von gasförmigen Verunreinigungen an der Oberfläche des geschmolzenen Metalls auf ein Minimum zu erniedrigen. Die zylinderförmige Seitenwand 12 der Reaktionskammer ist mit einer in Fig. 4 dargestellten, peripheren Randleiste 22, die oberhalb des Auslassstutzens 20 angeordnet ist, versehen. Diese Randleiste 22 hat eine sich nach unten verjüngende, konische innere Oberfläche, welche das Einfügen und Ersetzen eines entsprechend geformten filterförmigen Mediums 24 ermöglicht. Das filterförmige Medium 24 hat eine entsprechend konisch ausgebildete äussere Oberfläche 26, welche mit einem Dichtungsmittel 28 versehen ist und dichtend mit der Innenseite der Randleiste 22 in der zylindrischen Reaktionskammer 16 in Eingriff steht.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Seitenwand 12 oberhalb des filterförmigen Mediums 24 an ihrem äusseren Umfang mit mehreren Einlassdüsen 30 für das Reinigungsgas versehen. Diese Einlassdüsen sind derart angeordnet, dass das durchströmende Gas tangential in das geschmolzene Metall eingeleitet wird, welches durch die zylindrische Reaktionskammer, vom Einlass 18 zum Auslass 20, wirbelt. Es ist ein bevorzugtes Merkmal dieser Erfindung, dass das durchströmende Gas und das geschmolzene Metall in derselben Flussrichtung in die

, 909850/0524

Al₁ .J848829

zylindrische Reaktionskammer 16 eingeleitet werden, d.h. im Uhrzeiger- oder Gegenuhrzeigersinn, sodass das geschmolzene Metall in der Kammer 16 kontinuierlich wirbelt, wenn es vom Einlass 18 zum Auslass 20 fliesst. Es ist jedoch,

bereits
wie oben/erwähnt ,nur notwendig, dass eine ausreichende Wirbelbewegung erzeugt wird. Die Wirbelbewegung wird erreicht, wenn entweder das Metall und/oder das Gas unter bestimmten Bedingungen tangential in die Kammer eingeleitet werden. Die Verwendung einer zylinderförmigen Reaktionskammer für das Entgasen und ggf. das Filtrieren, in Kombination mit einem tangential angeordneten Metalleinlass und tangential angeordneten Einlassen für das durchströmende Gas hat im Vergleich zu üblicherweise angewendeten Verfahren und Vorrichtungen für das Filtrieren und Entgasen von geschmolzenem Metall einen deutlichen Vorteil.

Um den Wirkungsgrad des Entgasungsverfahren weiter zu optimalisieren, d.h. den Wirkungsgrad der Kinetik der Adsorptionsreaktion auf ein Maximum zu bringen,sollte die Einführung des durchströmenden Gases in die Schmelze dahingehend optimalisiert werden, dass eine minimale Blasengrösse und eine maximale Blasendichte erzeugt, das Ineinanderfliessen von Blasen hingegen eliminiert wird. So sollte die Ausflussöffnung der Gaseinlassdüsen derart gestaltet sein, dass die Blasengrösse auf ein Minimum reduziert wird, um die Oberfläche für die Adsorptionsreaktion auf ein Maximum zu bringen. Diese Austrittsöffnungen werden so klein wie möglich gemacht, was auch zum Verhindern des Verstopfens der Austrittsöffnung mit Metall beiträgt. Die Düsen können in Form eines geraden Rohres, einer konischen Düse oder einer doppeltrichterförmigen Ultraschalldüse ausgebildet sein. Austrittsöffnungen im Breich von 0,1-2 mm, vorzugsweise 0,2 - 1,3 mm, sind erfolgreich verwendet worden.

Die Blasenverteilung über die gesamte Schmelze, wie auch das Verhindern des IneinanderfHessens von Blasen wird durch den

909850/0524

Druck, mit welchem das durchströmende Gas eingeführt wird,

kontrolliert. Gasdrücke im Bereich von (35-1400)* 10³ N/m²

3 2

vorzugsweise grosser als 140' 10 N/m , haben sich für das Entgasen von geschmolzenem Aluminium und seinen Legierungen als optimal erwiesen. Das durchströmende Gas, welches nach der .vorliegenden Vorrichtung und dem Verfahren verwendet werden können, umfasst einen grossen Bereich von gutbekannten Komponenten, beispielsweise gasförmiges Chlor und andere halogenierte gasförmige Materialien, Kohlenstoffmonoxid, wie auch gewisse andere inerte Gasmischungen, welche Stickstoff, Argon, Helium oder dgl. enthalten oder Derivate von ihnen sind. Eine bevorzugte Gasmischung für die Entgasung von geschmolzenem Aluminium und Aluminiumlegierungen nach der vorliegenden Erfindung umfasst eine Mischung von Stickstoff oder Argon, mit ungefähr 2-20 Vol.-%, vorzugsweise 5-15 Vol.-% Dichlorodifluoromethan. Im Zusammenhang mit dieser Gasmischung kann über dem geschmolzenem Metall eine Schutzhülle aus Argon, Stickstoff oder dgl. aufrecht erhalten werden, um die Readsorption von gasförmigen Verunreinigungen an der Oberfläche der Sclimelze auf ein Minimum zu bringen.

Das verwendete filterförmige Medium umfasst ein Filtermedium, wie es in Fig. 4 dargestellt wird. Das Filtermedium besitzt eine offenzellige Struktur, welche durch eine Vielzahl von miteinander verbundenen Hohlräumen gekennzeichnet ist, so dass das geschmolzene Metall zur Entfernung oder Verminderung der mitgeschleppten Partikel aus dem Gussstück durchfliessen kann. Solch ein Filtermedium kann beispielsweise ein festes, aus einem gesinterten Keramikaggregat oder einem porösen Kohlenstoffmedium hergestelltes Filter umfassen. Nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein keramisches Schaumfilter verwendet, wie es in der US-PS 3 962.081 beschrieben wird, und welches nach dem allgemeinen Verfahren der US-PS 3 893 917 hergestellt werden kann. Nach der Lehre dieser US-PS hat das keramische

909850/0524

-7 2 Schaumfilter eine Luftdurchlässigkeit von 400-8000x10 cm ,

-7 2
vorzugsweise 400-2500x10 cm eine Porosität von 0,80 - 0,95 und eine Porenzahl von 2 - 18 je 1 cm Länge, vorzugsweise von 8 - 18 je 1 cm Länge. Die Menge durch das Filter fliessenden geschmolzenen Metalls kann im Bereich

3 2

von 13 - 130 cm pro Min. und cm Filterfläche liegen.

Wenn das Filtermedium der vorliegenden Erfindung als Wegwerf gegen stand vorgesehen ist, muss ein wirksames Dichtungsmittel für das Filtermedium zur Verfügung stehen. Bevorzugt wird für das Abdichten des Filtermediums an Ort und Stelle ein elastisches Dichtungsmittel, welches das Filtermedium an seinem äusseren konischen Teil umgibt, verwendet, wie dies oben gezeigt und diskutiert worden ist. Das elastische Dichtungsmittel sollte durch das eingesetzte flüssige Metall nicht benetzbar sein, dessen chemischem Angriff widerstehen und refraktär genug sein, um die hohen Arbextstemperaturen auszuhalten. Typische Dichtungsmaterialien, welche bei der Behandlung von Aluminium verwendet werden, umfassen faserförmige, feuerfeste Abdichtungen verschiedenster Zusammensetzungen, wie die nachfolgenden Beispiele zeigen:

- Dichtungsmittel mit ungefähr 45% Aluminiumoxid, 52% Siliziumoxid, 1,3% Eisenoxid und 1,7% Titanoxid;

- Dichtungsmittel mit ungefähr 55% Siliziumoxid, 40,5% Aluminiumoxid, 4% Chromoxid und 0,5% Eisenoxid;

- Dichtungsmittel mit ungefähr 53% Siliziumoxid, 46% Aluminiumoxid und 1% Eisenoxid.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bestehen die Düsen für die Einleitung des Gases aus einem refraktären Material, welches gegen das geschmolzene Metall beständig ist. Hierfür geeignete Materialien umfassen beispielsweise Grafit, Aluminiumoxid und dgl..

909850/052 4

In Fig. 4 wird geschmolzenes Metall durch im obern Bereich der zylindrischen Reaktionskammer 16 tangential angeordnete Einlassstutzen 18 in einen refraktären Wirbeltankreaktor eingeführt. Das Reinigungsgas wird durch im untern Bereich der Reaktionskammer 16 angeordnete Düsen 30 in das geschmolzene Metall eingeführt, wobei das Reinigungsgas in derselben Richtung wie das geschmolzene Metall in die Reaktionskammer strömt. Das in die Reaktionskammer 16 eingeführte geschmolzene Metall fliesst abwärts zum Auslassstutzen 20 und fährt fort, in Richtung des eingeleiteten Gases eine Wirbelbewegung auszuführen. Während das geschmolzene Metall durch die Reaktionskammer 16 wirbelt, strömt das als eine Vielzahl von Blasen auftretende Reinigungsgas durch die Schmelze im Gegenstrom aufwärts, die gasförmigen Verunreinigungen diffundieren durch die Schmelze, adhärieren an den durchströmenden Gasblasen und werden von diesen adsorbiert, während die Blasen durch die Schmelze aufwärts perlen und dadurch die Verunreinigungen entfernen.

Die Dimensionen des Wirbeltankreaktors, die Anzahl von Düsen und die Menge von durchströmendem Gas hängen eng mit der flussgeschwindigkeit des zu behandelnden geschmolzenen Metalls ab. Für bei handelsüblichem Aluminium typische Durchflussgeschwindigkeiten bis zu 900 kg/Min, liegt der Durchmesser des Wirbeltankreaktors im allgemeinen zwischen 20 und 92 cm, die Länge der Reaktionskammer zwischen dem Metalleinlass und dem Metallauslass kann zwischen 0,3 und 2,5 m liegen. Für die vorstehend genannten Durchflussgeschwindigkeiten des flüssigen Metalls ist gefunden worden, dass 14-340 l/Min, durchströmenden Gases ausreichend sind. Mit zunehmendem Durchmesser des Wirbeltankreaktors erhöht sich sowohl die Anzahl der Düsen als auch der Winkel mit welchem das Reinigungsgas in das geschmolzene Metall eingespritzt wird. Für einen Reaktor mit 20 cm Durchmesser genügen zwei Düsen, während gefunden worden ist, dass für einen Reaktor mit 92 cm Durchmesser im allgemeinen sechs

909850/0524

Düsen erforderlich sind, um eine genügende Blasenverteilung zu erhalten. Der Winkel der Einspritzdüsen für das Reinigungsgas kann zwischen 10 und 90 , bezogen auf die Längsachse der Düsen und die Tangente an den Reaktionszylinder am Ort des Durchstossens des Gaseinlassstutzens, liegen. Dieser Winkel nimmt, wie bereits erwähnt, mit zunehmendem Durchmesser der Reaktionskammer zu. Wenn mehr als eine Düse angeordnet wird, brauchen sie nicht denselben Winkel zu haben. Für Reaktionskammern mit einem Durchmesser von 20 cm haben sich Düsenwinkel von 20 - 5 als vorteilhaft herausgestellt, während für Reaktionszylinder mit 46 cm Durchmesser Düsenwinkel von 60 - 10 erfolgreicl· verwendet worden sind. Generell beträgt der Winkel der Düsen bevorzugt weniger als 80 , um besser zur Wirbelbe wegung des geschmolzenen Metalles beitragen zu können.

Beispiel 1

Ein WirbeItankreaktor nach Fig. 1 mit einem inneren Durchmesser der Reaktionskammer von 20,5 cm wurde in ein bereits vorhandenes Ueberführungssystem für geschmolzenes Metall eingebaut. Der Abstand zwischen dem Metalleinlass und -auslass betrug 63,5 cm, der Abstand des Metalleinlasses von den Gaseinspritzdüsen lag bei 45,5 cm. Ein aus Keramikschaum bestehendes Filtermedium wurde zwischen den Gaseinspritzdüsen und dem Auslass für das geschmolzene Metall angeordnet. Für die Zuführung des durchfliessenden Gases waren zwei Düsen mit einer Einlassöffnung von 0,64 mm eingebaut. Die Längsachse der Düse und die entsprechende Tangente der Seitenwand der Reaktionskammer bildeten einen Winkel von 20°. Die Durchflussgeschwindigkeit des geschmolzenen Metalles lag bei 39 kg/Min. Eine Gasmischung von 10 Vol.-% Dichlorodifluoromethan und 90 Vol.-% Argon wurde durch die Düsen mit einer Durchflussrate ^{von 14} l/Min, in die Reakti ons kammer eingeführt. Sowohl das flüssige Metall als auch das

909850/0524

durchströmende Gas wurden, von oben betrachtet, im Gegenuhrzeigersinn in die Reaktionskammer eingeführt. Der Wasserstoffgehalt des geschmolzenen Metalls wurde vor und nach der Behandlung in der Reaktionskammer gemessen, er betrug vor dem Behandeln 0,36 - 0,40 cm pro 100 g Aluminium und 0,08 - 0,14 cm pro 100 g Aluminium nach dem Entgasen. Durch diese Zahlen wird der äusserst hohe Wirkungsgrad der Entgasung gezeigt.

Beispiel 2

Es wurde die gleiche Vorrichtung wie in Beispiel 1 verwendet. Die Durchflussgeschwindigkeit des geschmolzenen Metalls durch den Wirbeltankreaktor betrug 43,5 kg/Min. Die Zusammensetzung und Durchflussgeschwindigkeit des Reinigungsgases waren dieselbe wie in Beispiel 1. Es wurde gefunden, dass der gemessene Wasserstoffgehalt zwischen 0,35 und 0,38 cm pro 100 g Aluminium vor der Behandlung durch die Entgasung von 0,10 - 0,12 cm pro 100 g Aluminium reduziert werden konnte. Damit wird erneut der sehr hohe Wirkungsgrad der Entgasung gezeigt.

Die Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung, in allen möglichen Ausführungsformen, haben einen sehr breiten Verwendungsbereich. Insbesondere bei Stranggus sverfahren kann ein Paar von VJirbeltankreaktoren in Parallelschaltung verwendet werden. Bei Stranggussverfahren von langer Dauer und einem damit verbundenen grossen Durchfluss von Metall kann es erforderlich sein, dass im Verlauf des Giessens ein Auswechseln des Filtermediums notwendig ist. Ein solches Auswechseln kann durch die Verwendung von parallel angeordneten Eingusskanälen mit je einem Reaktor erleichtert werden, wenn gewährleistet ist, dass das geschmolzene Metall ohne Unterbruch von einen Kanal in den andern umgeleitet werden kann, beispielsweise durch Ventile, Klappen oder dgl..Der Fluss des geschmolzenen

90 9850/0524

Metalls kann so auf eine Reaktionskaitimer beschränkt, bzw. sofort auf einen andern Kanal umgeleitet werden, wenn der Wirkungsgrad der ersten Kammer abfallen würde. Damit ist gewährleistet, dass ein ununterbrochener Strom von gereinigtem flüssigem Metall zu einer Stranggussmaschine geführt werden kann.

909850/0524

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung für das Entgasen von geschmolzenem Metall, insbesondere Wirbeltankreaktor, gekennzeichnet durch

- eine langgestreckte Reaktionskammer (10) mit einer Seitenwand (12) und einem Boden (14),

- einen auf einer ersten Höhe angeordneten Einlassstutzen (18) für das Zuführen des geschmolzenen Metalls in die Reaktionskammer (10),

- einen auf einer zweiten Höhe angeordneten, unterhalb der ersten Höhe liegenden Auslassstutzen (20) , für das Entfernen des geschmolzenen Metalls aus der Reaktionskammer (10) ,

- auf einer dritten Höhe angeordnete, unterhalb der ersten Höhe liegende Einlassstutzen (30) für das Zuführen des durchströmenden Gases in die Reaktionskammer (10), wobei mindestens einer der Einlassstutzen (18, 30) in bezug auf die Seitenwand (12) der Reaktionskammer (10) derart angeordnet ist, dass das geschmolzene Metall und/oder das durchströmende Gas im Uhrzeiger- bzw. Gegenuhrzeigersinn in die Reaktionskammer (10) eintritt und dadurch eine in entsprechendem Sinn rotierende Wirbelbewegung des geschmolzenen Metalls in Richtung der Austrittsöffnung bewirkt, während das strömende Gas durch das geschmolzene Metall perlt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch in bezug auf die Seitenwand (12) der Reaktionskammer (10) derart tangential angeordnete, vorzugsweise am oberen Ende bzw. am Boden befindliche Einlassstutzen (18, 30) bzw. äuslassstutzen (20), dass das geschmolzene Metall und das durchströmende Gas in derselben. Richtung in die Rsaktionskammer (10) einführbar und wieder daraus entfernbar sind.

!098S0/OB24

ORIGINAL INSPECTED

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die langgestreckte Reaktionskammer (10) im wesentlichen kreisförmig oder oktagonal ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch vorzugsweise zwischen dem Einlassstutzen (18) und dem Auslassstutzen (20) angeordnete Gaseinlassstutzen (30) mit Düsen, die derart geformte Oeffnungen haben, dass die Gasblasengrösse zur Erreichung eines optimalen Wirkungsgrades der Entgasung des geschmolzenen Metalls minimal ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch in bezug auf die entsprechenden Tangenten der Reaktorseitenwand (12) in einem Winkel von 10 - 90* angeordnete Gaseinlassstutzen (30), welche Düsen mit Oeffnungen von 0,1-2 mm, vorzugsweise 0.2 - 1,3 mm, haben.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, gekennzeichnet durch eine auf einer vierten Höhe in der Reaktionskammer (10) angeordnete Randleiste (22), die vorzugsweise zwischen der zweiten und dritten Höhe liegt, für die Halterung eines auswechselbaren Filtermediums (24).

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtermedium (24) aus keramischem Schaummaterial mit offenzelliger Struktur, gebildet durch eine Vielzahl von mit einem Netzwerk aus keramischem Material umgebenen, miteinander verbundenen Hohlräumen besteht, wobei das keramische Schaummaterial vorzugsweise eine Luftdurch-

-7 2 lässigkeit im Bereich von 400 - 8000 χ 10 cm , eine Porosität von 0,80 - 0,95 und eine Porenzahl von 2-18 je 1 cm Länge hat.

8. Verfahren zum Entgasen von geschmolzenem Metall mit einem in einer Reaktionskammer durchströmenden, das Metall

809850/0S24

reinigenden Gas, dadurch gekennzeichnet, dass

- das flüssige Metall durch einen auf einer ersten Höhe angeordneten Einlassstutzen (18) in die langgestreckte Reaktionskammer (10) eingeführt und durch einen auf einer zweiten Höhe angeordneten, unterhalb der ersten Höhe liegenden Auslassstutzen (20) wieder aus der Reaktionskammer (10) entfernt

- das durchströmende Gas durch auf einer dritten Höhe angeordnete, unterhalb der ersten Höhe liegende Einlassstutzen (30) in das geschmolzene Metall eingeführt und

- das geschmolzene Metall mit einer im Uhrzeiger- bzw. Gegenuhrzeigersinn rotierenden Wirbelbewegung durch die Reaktionskammer (10) fliesst und gleichzeitig vom strömenden Gas durchperlt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das durchströmende Gas vorzugsweise eine Mischung von Stickstoff oder Argon mit 2-20 Vol.% Dichlorodifluoromethan

3 2 mit einem Druck von (35 - 1400).10 N/m , vorzugsweise

3 2
(140 - 1400)*10 N/m , durch die Oeffnungen der Düsen in den Gaseinlassstutzen (30) geführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass 0,01 - 0,34 m /Min. durchströmendes Gas in die Reaktionskammer geleitet werden.

9Q9850/052A