DE29812571U1 - Vorrichtung zum kontinuierlichen Entgasen von schmelzflüssigen Metallen - Google Patents

Description

Beschreibung

Vorrichtung zum kontinuierlichen Entgasen von schmelzflüssigen Metallen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Entgasen von schmelzflüssigen Metallen, vorzugsweise von schmelzflüssigem Kupfer, und anschließendem Vergießen des entgasten Metalles, mit einem die zugeführten schmelzflüssigen Metalle aufnehmenden Behälter, einem in diese Kammer hineinragenden Steigrohr, dessen oberes Ende in einen Entgasungsraum mündet, und mit einem Ablauf für das schmelzflüssige Metall.

Aus der sogenannten Sekundärmetallurgie ist die Entgasung von Metallschmelzen grundsätzlich unter dem Schlagwort Vakuumbehandlung bekannt. Hierunter wird eine Metallschmelzennachbehandlung unter stark vermindertem Druck verstanden, die auf der Erkenntnis beruht, daß bei abgesenktem Außendruck die in der Metallschmelze gelösten Gase, insbesondere Wasserstoff, entweichen. Bei der hier gattungsgemäß in Betracht kommenden Teilmengenentgasung wird jeweils nur ein Teil der flüssigen Schmelze dem Vakuum ausgesetzt, entweder durch eine Vakuum-Umlaufentgasung oder eine Vakuum-Heberentgasung.

Bei der Vakuum-Umlaufentgasung tauchen zwei Stutzen eines evakuierten Behälters in die Gießpfanne. In einen der beiden Stutzen wird ein Fördergas geleitet, wodurch eine Umlaufbewegung entsteht und die Metallschmelze durch diesen Stutzen in das Vakuumgefäß steigt, dort zerstäubt und den gewünschten Reaktionen unterworfen wird. Durch den anderen Stutzen kann die entgaste Metallschmelze wieder in die Pfanne zurückgelangen. Nach angemessener Anwendungsdauer ist der gesamte Pfanneninhalt durch das Vakuumgefäß geschleust und entgast.

Beim Vakuum-Heberverfahren wird durch das Heben und Senken des Vakuumgefäßes dessen stutzenförmiges Ende in die Schmelze eingetaucht. Beim Absenken des Vakuumgefäßes steigt ein Teil der Schmelze unter heftiger Bewegung in das Vakuumgefäß. Wird das Vakuumgefäß anschließend angehoben, fließt der Stahl infolge des Eigengewichtes in die Pfanne zurück. Durch wiederholte Anwendung können somit nach und nach Teilmengen in den Entgasungsraum gelangen, so daß nach einer Behandlungsdauer von rund 15 Minuten der Pfanneninhalt mehrfach durchgesetzt und entgast wird.

Auf diesem Prinzip beruht auch die aus der DE 36 09 900 C2 bekannte Verfahrenstechnologie bzw. die dort beschriebene Vorrichtung. Bei diesem Verfahren und der Vorrichtung sind zumindest zwei Vakuumkammern vorgesehen, in die geschmolzenes Metall hinaufgepumpt wird, und zwar in eine der Vakuumkammern für eine Entgasung, während das geschmolzene Metall von der anderen Vakuumkammer ausgestoßen wird, um es mit dem geschmolzenen Metall in dem Vorratsbehältnis zu vermischen, wodurch die beiden Vakuumkammern das geschmolzene Metall abwechselnd entgasen. Um die Schmelzflüssigkeit des Metalles aufrechtzuerhalten, werden die Vakuumkammern induktiv beheizt. Mittels dieser Technologie ist jedoch nur eine quasi-kontinuierliche Betriebsweise möglich, bei die Badspiegelschwankungen lediglich dadurch in engen Grenzen gehalten werden können, daß abwechselnd zwei Vakuumkammern die flüssige Metallschmelze ansaugen und ausstoßen. Nachteilig ist nicht nur die Notwendigkeit, zwei Vakuumkammern betreiben zu müssen, sondern auch, daß das behandelte Metall mit dem unbehandelten Metall vermischt wird, da kein Zwangsumlauf gewährleistet ist.

Daneben sind auch noch Verfahren bekannt, bei denen die Metallschmelze in einem separaten, nur für die Vakuumbehandlung optimierten Ofengefäß entgast und anschließend vergossen werden.

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Allerdings ist bei diesen Verfahren neben dem hohen apparativen Aufwand auch zusätzliche Zeit für die Metallschmelzennachbehandlung aufzuwenden, was insgesamt bei kontinuierlichen Stranggießverfahren zu erhöhten Produktionskosten führt. Entsprechendes gilt auch für die sogenannte Gießstrahlentgasung, bei der ein Gießstrahl in eine Vakuumatmosphäre geleitet wird. Schließlich werden auch zur Entgasung Spülgase benutzt, um über einen großen Partialdruckunterschied eine Wasserstoffabscheidung zu erwirken. Allerdings ist der Wirkungsgrad dieser Verfahren recht gering.

Ein bevorzugten Anwendungsgebiet der vorgestellten Verfahren ist die Herstellung von sauerstofffreiem Kupfer (OF-Kupfer), bei der neben niedrigen Sauerstoffgehalten in der Größenordnung von 1 bis 3 ppm auch niedrige Wasserstoffgehalte von typischerweise unter 1 ppm erreicht werden müssen. Hierbei wird ausgenutzt, daß die Wasserstofflöslichkeit im Kupfer mit fallendem Druck abnimmt und daher der normalerweise im Kupfer gelöste Wasserstoff unter Vakuumbedingungen aus dem Metall entweichen kann, ohne daß der Sauerstoffgehalt wieder zunimmt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die eingangs genannte Vorrichtung derart weiterzubilden, daß eine vollkommen kontinuierliche Arbeitsweise ermöglicht wird, daß das entgaste Metall nicht mit unbehandeltem Metall in Berührung kommt, wobei der apparative und verfahrenstechnische Aufwand möglichst gering sein soll.

Apparativ wird die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß das Steigrohr in eine erste Kammer hineinragt, die einen Zufluß für die schmelzflüssigen Metalle aufweist, daß eine Vakuumkammer zur Entgasung vorgesehen ist, in deren Boden das obere Ende des Steigrohres mündet,

daß der Boden eine Abflußöffnung besitzt, die mit einem Fallrohr verbunden ist, dessen unteres eine Auslaßöffnung bildendes Ende in eine zweite, als Gießkammer ausgebildete Kammer mit einer Auslaßdüse mündet.

Weiterbildungen dieser Vorrichtung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

So stehen vorzugsweise die erste und die zweite Kammer räumlich miteinander in Verbindung und weisen einen Damm auf, der die Kammern im unteren Bereich in zwei Badkammern teilt, wobei das Steigrohr und das Fallrohr in unterschiedliche Bereiche unterhalb der oberen Dammkante münden. Wie bereits zuvor beschrieben, kann das in der ersten Kammer vorliegende schmelzflüssige Metall nur über das Steigrohr, die Vakuumkammer und das Fallrohr in den Gießbehälter gelangen, solange die Badspiegel diesseits und jenseits des Dammes unterhalb der oberen Dammkante liegen. Dem ist durch Regelung des Metallschmelzenzuflusses in die erste Kammer sowie durch Abführung der behandelten Metallschmelze aus der Gießkammer Rechnung zu tragen. Bei Ausfall der Vakuumkammer wird der "Damm überflutet", so daß der Gießprozeß auch dann nicht unterbrochen werden muß, wenn keine Entgasung gewünscht wird bzw. wenn die Vakuumkammer ausfällt.

Vorzugsweise sind das Steigrohr und das Fallrohr jeweils parallel zueinander vertikal angeordnet.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung werden das Steigrohr und das Fallrohr beheizt, insbesondere mit mindestens einem Brenner. Durch entsprechende Regelungen bzw. Steuerungen wird gewährleistet, daß die Badspiegel unterhalb oder oberhalb der oberen Dammkante einstellbar sind. Vorzugsweise wird auch zur Temperaturregelung der Metallschmelze im Einlaufbereich ein Induktor angeordnet, über den eine Aufheizung der Metall-

schmelze auf gewünschte Temperaturen zur Steuerung der Entgasung während des kontinuierlichen Betriebes gewährleistet werden kann. Um zu verhindern, daß die Gießkammer unerwünschten atmosphärischen Einflüssen ausgesetzt ist, ist diese über ein Wehr, das unterhalb des Badspiegels endet, nach außen hermetisch abgeschlossen.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Metallschmelze aus einer ersten Kammer über ein Steigrohr mit einer unterhalb des Badspiegels liegenden EinlaufÖffnung in eine als Entgasungsraum dienende Vakuumkammer überführt und von dort schwerkraftbedingt in ein Fallrohr mit einer unteren Auslaßöffnung, die vorzugsweise unterhalb des Badspiegels in der Gießkammer liegt, in die Gießkammer abgeführt werden. Diese Verfahrenstechnik hat den Vorteil, daß die Metallschmelze, welche in die Gießkammer überführt wird, zuvor vollständig beim vorherigen Durchlauf der Vakuumkammer entgast worden ist. Eine Vermischung von bereits entgaster Metallschmelze mit einer unbehandelten Metallschmelze wird somit vermieden. Weiterhin ist auch nur eine Vakuumkammer erforderlich, in die unter alleiniger Nutzung der sich aus den Druckunterschieden zwischen der Vakuumkammer und dem ersten Gefäß ergebenden Hubkraft und unter Ausschluß weiterer Fördermittel die Metallschmelze überführt und von dort aus abgeführt wird. Im Gegensatz zu dem nach dem Stand der Technik beschriebenen Verfahren ist erfindungsgemäß eine kontinuierliche Arbeitsweise möglich.

Durch Regelung der Metallschmelzenzufuhr in die erste Kammer und des Ablassens der Metallschmelze aus der Gießkammer werden die Badspiegel in der ersten Kammer und der Gießkammer in unterschiedlichen Höhenniveaus eingestellt. Durch das Steigrohr und das Fallrohr ist zwischen den beiden Kammern eine Verbindung geschaffen, die nach Art der kommunizierenden Röhren arbeitet, wobei entsprechend der Höhendifferenz zwischen dem

höheren Badspiegel in der ersten Kammer und dem Badspiegel in der Gießkammer ein Metallschmelzenfluß aufrechterhalten wird. Aus der Gießkammer kann die Metallschmelze kontinuierlich oder diskontinuierlich abgelassen werden.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die erste und die zweite Kammer räumlich miteinander verbunden und im unteren Bereich durch einen Damm in zwei Badkammern geteilt. Liegen die Badspiegel in der ersten und der zweiten Kammer unterhalb der oberen Kante des Dammes, wird die Metallschmelze aus der ersten Kammer über das Steigrohr in die Vakuumkammer und von dort über das Fallrohr in die Gießkammer geführt. Bei Ausfall der Vakuumkammer, z.B. bei einem Pumpendefekt, oder auch in Fällen, in denen keine Entgasung gewünscht wird, wird der Badspiegel so eingestellt, daß dieser oberhalb der Kante des genannten Dammes liegt, so daß sich in der ersten und der zweiten Kammer ein gemeinsamer durchgehender Badspiegel bildet und daß schmelzflüssige Metall unter Umgehung der Vakuumkammer unmittelbar in die Gießkammer gelangt.

Um die Fließfähigkeit der Metallschmelze insbesondere in der Startphase sicherzustellen, werden das Steigrohr und das Fallrohr beheizt. Insbesondere wird die Heizung mit Brennern durchgeführt.

Die Entgasungskinetik ist sehr stark von der Temperatur abhängig, weshalb nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Metallschmelze induktiv beheizt wird, womit es möglich ist, die Entgasung zu steuern.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Aufenthaltsdauer der Metallschmelze in der Vakuumkammer über den Druck in dieser Vakuumkammer geregelt.

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden anhand eines konkreten Ausführungsbeispieles näher anhand der Abbildungen erläutert. Es zeigen

Fig. 1 und 2 jeweils Querschnitte durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung.

Die dargestellte Anlage besitzt eine Eingießkammer 10, in die das flüssige Metall kontinuierlich aus einem vorgelagerten Speicherofen eingefüllt wird. Aus dieser Eingießkammer 10 läuft das schmelzflüssige Metall durch einen Induktorkanal bzw. Induktorkanäle 11 in die erste Kammer 20, in die ein vertikal angeordnetes Steigrohr 15 hineinragt, so daß das Steigrohr mit seiner unteren Öffnung unterhalb des Badspiegels liegt. Das Steigrohr 15 sowie das Fallrohr 16, das in eine Gießkammer 13 hineinragt und dessen untere Öffnung ebenfalls unter dem dortigen Badspiegel liegt, sind in Form von Stutzen des Bodens der Vakuumkammer 17 ausgebildet, die über einen Stutzen 18 mittels einer Pumpe evakuierbar ist. Die Gießkammer 13 sowie die erste Kammer 20 werden durch einen Damm 12 voneinander getrennt. Solange der Badspiegel in der Eingießkammer 10 bzw. der ersten Kammer 20 zwischen den Grenzen 21 und 22 eingestellt ist, kann das schmelzflüssige Metall entsprechend der Darstellung in Fig. 1 von der ersten Kammer 20 nur über das Steigrohr, die Vakuumkammer 17 und das Fallrohr in die Gießkammer 13 gelangen. Wird die Maximallinie 21 für das Badniveau in der ersten Kammer 20 überschritten, fließt das schmelzflüssige Metall, wie in Fig. 2 dargestellt, unmittelbar in die Gießkammer 13, was in dem Falle genutzt werden kann, wenn das flüssige Metall nicht entgast werden soll oder die Vakuumkammer 17 aus anderen Gründen ausfällt. Im Einlaufbereich befindet sich weiterhin ein Induktor, mittels dessen die fließende Metallschmelze aufgeheizt werden kann. Mit diesem Induktor ist ein ideales Mittel zur Steuerung der Entgasung möglich, die stark temperaturabhängig ist.

Zur thermischen Stabilisierung während der Anlaufphase sind Brenner 19 vorgesehen, welche das Steigrohr 15 und das Fallrohr 16 heizen. Gegenüber einer induktiven Beheizung hat diese Brennerbeheizung den Vorteil, daß sie eine Vorwärmung der gesamten Kammer einschließlich der Steigrohre erlaubt. Die Gießkammer 13 besitzt ferner eine Düse 14, worüber das schmelzflüssige Metall abgelassen werden kann. Um das entgaste Metall vor einem Luftzutritt zu schützen, ist die Gießkammer 13 über ein Wehr 24 von der übrigen Ofenatmosphäre getrennt, so daß die Gießkammer nach außen hermetisch abgeschlossen ist. Das Wehr endet mit seiner unteren Kante unterhalb des Badspiegels in der Gießkammer.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet folgendermaßen:

Über einen Zulauf wird die Eingießkammer 10 mit schmelzflüssigem Metall kontinuierlich gefüllt, wobei der Badspiegel zwischen den Grenzlinien 21 und 22 liegt. Gleichzeitig wird in der Vakuumkammer 17 ein Unterdruck eingestellt, der bewirkt, daß das schmelzflüssige Metall über das Steigrohr 15 aufsteigt, in der Vakuumkammer 17 entgast wird. Das schmelzflüssige Metall fließt über das Fallrohr 16 jenseits des Dammes 12 in die Gießkammer 13, solange der dortige Badspiegel unterhalb dem Niveau des Badspiegels der Eingießkammer liegt. Während des Entgasens werden die Brenner 19 betrieben, die für eine hinreichende Temperaturführung sorgen. Das Niveau des Badspiegels 27 in dem Behälter 22 entspricht jeweils dem statischen Druck in der Vakuumkammer 17.

Nach Beendigung der Vakuumbehandlung oder in den Fällen, in denen keine Vakuumbehandlung benötigt oder gewünscht wird, wird der Badspiegel in der ersten Kammer 20 so eingestellt, daß der Damm 12 überflutet wird, so daß das schmelzflüssige Metall unmittelbar in die Gießkammer 13 gelangen kann.

Claims (8)

Schutzansprüche

1. Vorrichtung zum Entgasen von schmelzflüssigen Metallen, vorzugsweise von schmelzflüssigem Kupfer, und anschließendem Vergießen des entgasten Metalles, mit einem die zugeführten schmelzflüssigen Metalle aufnehmenden Behälter (10, 20), einem in diese Kammer (20) hereinragenden Steigrohr (15), dessen oberes Ende in einen Entgasungsraum (17) mündet, und mit einem Ablauf (16) für das schmelzflüssige Metall, dadurch gekennzeichnet, daß das Steigrohr (15) in eine erste Kammer (20) hineinragt, die einen Zufluß für die schmelzflüssigen Metalle aufweist, daß eine Vakuumkammer (17) zur Entgasung vorgesehen ist, in deren Boden das obere Ende des Steigrohres (15) mündet, daß der Boden eine Abflußöffnung besitzt, die mit einem Fallrohr (16) verbunden ist, dessen unteres eine Auslaßöffnung bildendes Ende in eine zweite, als Gießkammer (13) ausgebildete Kammer mit einer Auslaßdüse (14) mündet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kammer (20) und die Gießkammer (13) räumlich miteinander in Verbindung stehen und einen Damm (12) aufweisen, der die Kammern (20, 13) im unteren Bereich in zwei Badkammern teilt, wobei das Steigrohr (15) und das Fallrohr (16) in unterschiedliche Bereiche unterhalb der oberen Dammkante münden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steigrohr (15) und das Fallrohr (16) parallel zueinander jeweils vertikal angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steigrohr (15) und das Fallrohr (16) beheizbar sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizung für das Steigrohr (15) und das Fallrohr (16) aus mindestens einem Brenner (19) besteht.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Badspiegel in der ersten Kammer (20) und in der Gießkammer (13) oder in einer gemeinsamen Kammer unterhalb oder oberhalb der oberen Kante des Dammes (12) einstellbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießkammer (13) über ein Wehr (24), das unterhalb des Badspiegels endet, nach außen hermetisch abgeschlossen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Temperaturregelung der Metallbadschmelze im Einlaufbereich (10, 11, 20) ein Induktor (23) vorgesehen ist.