DE29818006U1 - Gaseinleitungssystem für Schmelzbäder - Google Patents
Gaseinleitungssystem für SchmelzbäderInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Leitungssystem zur Einleitung von gasförmigen Reaktionsstoffen
in ein Schmelzbad, vorzugsweise in eine Aluminiumschmelze.
Ein Leitungssystem dieser Art ist im Stand der Technik allgemein bekannt. Durch
das Leitungssystem werden Gase in die Schmelze eingetragen. Die Gase dienen als Reaktionspartner für Verunreinigungsstoffe. Die mit dem Gas verbundenen
Verunreinigungsstoffe werden als Schlacke aus der zu reinigenden Schmelze ausgetragen. Dies erfolgt in der Regel durch Diffusion der Verunreinigungen
durch die Schmelze nach oben, wobei sich die Verunreinigungen als Schlacke von der Schmelze absetzen. Die Schlacke wird dann von der Schmelze getrennt
und die Schmelze kann weiterverarbeitet werden. Die Einleitung des Gases findet
in der Regel in einem Ofen statt, in dem die Schmelze, nachdem sie bereits verhüttet worden ist, flüssig gehalten wird, bzw. nach einem Erstarren wieder
verflüssigt wird. Dabei die Schmelze in einem Temperaturbereich gehalten, der eine Einleitung der gasförmigen Reaktionsstoffe und das Austragen der Verunreinigungen
ermöglicht.
Für den Eintrag des Gases in die Schmelze wird ein Einleitungsrohr oder Rührer
verwendet, diese sind dabei mit einem Endabschnitt außerhalb der Schmelze mit der Gaszufuhrleitung verbunden und mit dem anderen Endabschnitt ragen sie in
die Schmelze hinein.
Das Material des Leitungssystems, insbesondere das des Einleitungsrohres oder
des Rührers, muß, um bei den Schmelztemperaturen funktionsfähig zu bleiben,
hitzebeständig bzw. feuerfest sein. Dafür stehen Materialien mit Graphitanteilen
sowie mit keramischen Komponenten zur Verfügung. Diese Materialien sind überwiegend großporig und damit gasdurchlässig. Auch Einleitungsrohre, beispielsweise
aus Graphit mit einem Reinheitsgrad von über 97 %, vorzugsweise einem Reinheitsgrad von 99,5 - 99,8 %, weisen eine nicht vernachlässigbare
Bezeichnung: Gaseinleitungssystem für Schmelzbäder
P 98 083 001 DE Beschreibung: Seite 2
Gasdurchlässigkeit auf, die auf atomaren oder molekularen Zusammenhängen
basiert.
Aufgrund dieser Gasdurchlässigkeit gelangt das Reaktionsgas in den Innenraum
und in die Umgebung des Ofens. Dort entstehen wegen der radikalen Reaktionsfähigkeit
der Gase Korrosionsschäden an den Bauteilen. Des weiteren werden große Mengen an Gas unverbraucht ausgeblasen, die keinen Beitrag zu
Qualitätsverbesserung der Schmelze leisten, da sie dort überhaupt nicht eingetragen
wurden. Bedingt durch den hohen Anteil an radikalen Gasen ist auch das Gesundheitsrisiko für das Bedienungspersonal groß. Darüber hinaus ist der beschriebene
Gasverlust mit hohen Kosten verbunden.
Aufgabe der Erfindung ist es folglich, die vorgenannten Nachteile zu überwinden
und die Gaseinleitung zur Bearbeitung von Schmelzen effizienter zu gestalten.
Eine Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wird zur Verfügung gestellt,
durch ein Leitungssystem zur Einleitung von gasförmigen Reaktionsstoffen in ein Schmelzbad, vorzugsweise in eine Aluminiumschmelze, insbesondere Leitungssystem
aus Graphit, das eine über der Oberfläche des Schmelzbades liegende Gaszufuhrleitung
und wenigstens ein in das Schmelzbad ragendes, mit der Gaszufuhrleitung verbundenes
Einleitungsrohr oder Rührer aufweist, wobei das Leitungssystem eine im wesentlichen
gasdichte Auskleidung aufweist, die den Gasaustritt oberhalb der Oberfläche
des Schmelzbades weitgehend verhindert.
Vorteilhaft ist dabei, daß die gasförmigen Reaktionsstoffe in dem Leitungssystem
weitgehend verlustfrei zur Schmelze gelangen und in die Schmelze eingeleitet werden können. Hierdurch wird zunächst verhindert, daß die radikalen
Reaktionsstoffe in die Umgebung der Schmelze , insbesondere in die Innen- und
Außenbereiche des Ofens gelangen, ohne daß sie durch die Schmelze diffun-
Bezeichnung: Gaseinleitungssystem für Schmelzbäder
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diert sind. Sobald die Reaktionsstoffe in die Schmelze eingetragen werden, reagieren
sie, wie vorgesehen, mit den entsprechenden Bestandteilen der Schmelze und gehen Verbindungen ein, so daß die radikale Reaktionsfähigkeit verloren
geht. Die so entstehenden Verbindungen können entweder gasförmig, flüssig oder als Feststoffe der Schlacke aus der Schmelze ausgeschieden werden. Damit
ist es möglich, die Emmission radikaler Reaktionsstoffe zu verringern und Korrosionsschäden
an den Bauteilen des Ofens weitgehend zu vermeiden. Der Ofen kann somit länger in Betrieb bleiben und die Wartungsintervalle können verlängert
werden, so daß Betriebskosten und damit die gesamten Produktionskosten sinken.
Des weiteren nimmt die Gesundheitsbelastung des Bedienpersonals ab und die
Aufwendungen für den Arbeitsschutz in Bezug auf diese Belastungen sinken ebenfalls, was die Kosten weiter senkt.
Schließlich steigt auch der Wirkungsgrad der Anlage, da mit einer Erhöhung der
Gaseinleitung zur Erhöhung der Qualität der Schmelze überproportionale Gasverluste
vermieden werden können. Vorteilhafterweise führt jede Erhöhung der Gaszufuhr erfindungsgemäß zu einer äquivalenten Erhöhung des Eintrags des
Gases in die Schmelze.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Leitungssystems ist dadurch gegeben,
daß der Gasdruck und der hydrostatische Druck der Schmelze in einem unmittelbaren Verhältnis zueinander stehen, weil keine unkalkulierbaren, vom
Material des Leitungssystems abhängigen Gasverluste einzubeziehen sind. Damit werden Anlagen möglich, deren Gaseintrag in Abhängigkeit fester Kenngrößen,
wie der Tiefe des Gaseintrags und der Dichte bzw. dem spezifischen Gewicht des Schmelzenmaterials, berechenbar und damit automatisch steuerbar ist. Somit
ist es möglich, die Anlage mit entsprechenden Steuerelementen und Programmen auszurüsten, um Bedienfehler an der Anlage zu vermeiden.
Bezeichnung: Gaseinleitungssystem für Schmeizbäder
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Eine Ausgestaltung der Erfindung wird dadurch zur Verfügung gestellt, daß die
Auskleidung eine Versiegelung, eine Beschichtung und / oder ein rohrförmiger Einsatz ist. Je nach Ausgestaltung des Einleitungsrohres und nach Anforderung
an die Auskleidung sind verschiedene Möglichkeiten in Betracht zu ziehen, die gewünschte Gasdichtigkeit zu erreichen. Dazu ist erfindungsgemäß vorgesehen,
daß eine Versiegelung oder Beschichtung der entsprechenden Rohre des Leitungssystems
erfolgt. Vorzugsweise werden die Leitungen, die Gaszufuhrleitung und das Einleitungsrohr, im Inneren mit einem gasförmigen oder flüssigen Mittel
beaufschlagt, das an der Wandung anhaftet und diese auskleidet, wobei die Auskleidung fest und hitzebeständig wird.
Erfindungsgemäß ist ein rohrförmiger Einsatz vorgesehen, der in die Rohre des
Leitungssystems eingesetzt wird. Um den rohrförmigen Einsatz in die Rohre des Leitungssystems einführen und befestigen zu können, können diese mit einem
Ausgleichmittel ausgekleidet werden, das zwischen der Außenwandung des rohrförmigen Einsatzes und der Innenwand der Rohre des Leitungssystems verbleibt.
Das Ausgleichmittel ist vorteilhafterweise zur besseren Befestigung des Einsatzes vorgesehen. Vorteilhaft ist auch ein Material, das ein unterschiedliches
Ausdehnungsverhalten der aneinander anliegenden Körper ausgleicht.
Die so ausgestalteten Leitungssysteme weisen durch die Verstärkung mit dem
rohrförmigen Einsatz im Einleitungsrohr, insbesondere bei sehr geringen oder gar keinen Toleranzen, erhöhte Bruchsicherheit auf, da der Einsatz zusätzliche
Stabilität bietet. Der Einsatz wirkt dabei als Verstärkung. Dadurch wird der Vorteil
erreicht, daß die Standzeiten erhöht werden können und es weniger häufig
zu Graphitbruch des Einleitungsrohres oder Rührers kommt, wodurch das gesamte Schmelzbad unbrauchbar würde. Außerdem wird die Schmelze nicht mit
Abbrand der Auskleidung verunreinigt, da der Graphit die Auskleidung schützt.
Bezeichnung:
Beschreibung:
Gaseinleitungssystem für Schmeizbäder
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Als rohrförmiger Einsatz wird ein gasdichtes Rohr aus chemisch inertem, hitzebeständigem
und / oder feuerfestem Material, vorzugsweise VA-Stahl vorgesehen,
VA-Stahl ist hierzu geeignet, da er bei Temperaturen oberhalb von 1000 °C noch
formbeständig ist und bei diesen Temperaturen gegenüber den durchzuleitenden radikalen Reaktionsstoffen chemisch inert ist. Korrosionsschäden bleiben
daher bei einem derartigen rohrförmigen Einsatz aus.
Die Verwendung von Graphit als Material des Einleitungsrohr, das mit der
Schmelze in Berührung kommt, ist erforderlich, um zu gewährleisten, daß Schmelzenmaterial das Einleitungsrohr oder den Rührer nicht benetzt und daran
anhaftet, womit ein Anbacken des Schmelzenmaterials bis zur Unbrauchbarkeit des Einleitungsrohrs oder des Rührers verbunden wäre. Als besonders günstig
hat sich Graphit erwiesen, das einen hohen Reinheitsgrad aufweist. Graphite mit einem Reinheitsgrad von über 99 % sind vorteilhaft, jedoch lassen sich auch andere
Graphitsorten erfindungsgemäß nutzen.
Für Auskleidungen sind erfindungsgemäß Mischungen mit einem Anteil an keramischem
Material, beispielsweise Glas oder Quarzglas, vorgesehen. Vorteilhafterweise können Rohre aus Graphit, die in bisher verwendeten Anlagen einsetzbar
waren, in einfacher Weise nachgerüstet werden. Neben den Schmiereigenschaften
gewährleisten Graphite eine hohe Thermoschockbeständigkeit. Darüber
hinaus nimmt die Festigkeit des Graphits bei steigender Einsatztemperatur zu, wodurch Kräfte durch die thermische Ausdehnung der Auskleidung zerstörungsfrei
aufgenommen werden können. Die Einsatztemperatur von Graphit kann bei der Verwendung von Schutzgasatmosphäre bis ca. 3000 0C erhöht werden.
Graphite können des weiteren mit einer Imprägnierung versehen werden, die eine zusätzliche Verbesserung der Eigenschaften hinsichtlich des Abbrandschutzes
bewirken. Derartige Imprägnierungen wurden im Stand der Technik eingesetzt, ohne daß ein Einfluß auf die Gasdurchlässigkeit des Graphits gewünscht
• ·
Bezeichnung: Gaseinleitungssystem für Schmelzbäder
P 98 083 001 DE
Beschreibung: Seite 6
oder erreicht wurde. Erfindungsgemäß ist jedoch auch eine Kombination dieser
Wirkungen vorsteübar. Diese Wirkungen können durch Auskleidung oder imprägnierung
mit einem Material erzeugt werden, das neben dem Abbrandschutz auch die Gasdichtigkeit erhöht. Vorsteübar ist auch eine mehrstufige Herstellung
der Auskleidung, beispielsweise unter Verwendung des rohrförmigen Einsatzes, wobei in je einem Schritt die Imprägnierung und die Gasdichtigkeit hergestellt
wird.
Als Leitungssystem sind verschiedene Anlagen vorgesehen. Erfindungsgemäß
wird ein Leitungssystem bevorzugt, dessen Einleitungsrohr mittels einer dreh- und schwenkbaren gasdichten Rohrverbindung mit der Gaszufuhrleitung verbunden
ist. Vorteilhafterweise läßt sich die Erfindung dadurch neben statischen
Systemen auch an rotierenden oder linear bewegbaren Rührer- und / oder Leitungssystemen
verwenden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung läßt sich dadurch erreichen, daß das Einleitungsrohr
mit einem Endabschnitt in das Schmelzbad einführbar ist, der mit einer teilweisen Auskleidung versehen ist, die unterhalb der Oberfläche des Schmelzbades
endet. Dieser Teil der Auskleidung kommt aufgrund der Gasdurchleitung mit der Schmelze nicht in Berührung. Allerdings wird so die Gasdichtigkeit bis
kurz unter die Oberfläche der Schmelze erreicht. Vorteilhafterweise können so Gasverluste über diese oberflächennahen Bereiche der Schmelze weiter reduziert
werden.
Dabei ist erfindungsgemäß auch vorgesehen, daß der Endabschnitt mit wenigstens
einem Gasverteiler verbunden ist, der Öffnungen zum gleichmäßigen Gaseintrag
in die Schmelze aufweist.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß eine Anlage mit erfindungsgemäßem
Leitungssystem den erhöhten Anforderungen an den Umweltschutz gerecht
Bezeichnung: Gaseinleitungssystem für Schmeizbäder
P 98 083 001 DE
Beschreibung: Seite 7
wird. Die erfindungsgemäßen Verbesserungen lassen sich darüber hinaus bei älteren
Anlagen mit Leitungssystemen aus Graphit mit entsprechenden Mitteln kostengünstig nachrüsten.
Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Einleitungsrohrs wird zunächst das Bauteil
aus Graphit hergestellt. Dies erfolgt auf konventionelle Weise durch Pressen und Sintern sowie anschließendem Aushärten des Rohlings. Der Rohling wird
nach der Bearbeitung mit der erfindungsgemäßen Auskleidung versehen, die
gasförmig, flüssig oder als fester Körper in den Graphitrohling eingebracht wird.
Die Auskleidung ist in dem Rohling in dem Durchlaßkanal für die gasförmigen Reaktionsstoffe formschlüssig an der Innenwandung vorgesehen. Zur Befestigung
der Auskleidung kann diese entweder toleranzfrei eingepreßt oder mit Ausgleichmittel zwischen der Innenwandung des Rohlings und der Außenwandung
befestigt sein. Die Befestigung sowohl ohne Toleranzen als auch mit Ausgleichmitte!
kann in der Weise erfolgen, daß die unterschiedlichen Ausdehnungsverhalten der unterschiedlichen Materialien ausgeglichen werden. Einerseits
steigt die Festigkeit des Graphits mit zunehmender Temperatur, anderseits wirkt das Ausgleichmittel als Puffer. Das Ausgleichmittel wird entweder auf den
rohrförmigen Einsatz oder auf die Innenwandung des Graphitrohiings aufgetragen,
bevor diese ausgekleidet wird.
In der Zeichnung wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.
Es zeigen
Figur 1 eine schematische Zeichnung eines Ofens mit Schmelzbad und Einleitungsrohr;
Figur 2 ein Einleitungsrohr im Querschnitt durch die Längsachse; Figur 3 eine schematische Zeichnung eines Schmelzbades im Quer
schnitt von einer Seite mit Einleitungsrohr und Gasverteiler.
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Bezeichnung; Gaseinleitungssystem für Schmelzbäder
P 98 083 001 DE Beschreibung: Seite 8
In Figur 1 ist ein Leitungssystem 1 dargestellt, das Gas über eine Gaszufuhrleitung
2 und einem Einleitungsrohr 3 in das Schmelzbad 4 leitet. Das Schmelzbad 4 befindet sich im Ofen 5, der durch die Ofenwandung 6 begrenzt ist. Das Gas
7 wird unter Druck , welcher höher ist als der hydrostatische Druck der Schmelze
in der gewünschten Einleitungstiefe, aus einem Reservoir, das in der Zeichnung nicht dargestellt ist, durch die Gaszufuhrleitung 2 in das Innere des Ofens 5 geleitet
und dort durch das Einleitungsrohr 3 in das Schmelzbad 4 eingetragen. Die Gaszufuhrleitung 2 und das Einieitungsrohr 3 sind aus Graphit. Das
Schmelzbad 4 ist vorzugsweise eine Aluminiumschmelze. Durch Einleitung des Gases 7 werden unerwünschte Bestandteile der Aluminiumschmeize von den
Gasatomen, bzw. -molekülen gebunden und gasförmig, flüssig oder als Feststoff von der Aluminiumschmelze getrennt. In der Regel kann dies durch Entgasen
oder Abziehen der Schlacke erfolgen, welche sich aufgrund unterschiedlicher spezifischen Gewichts von der Schmelze absetzt.
Oberhalb der Oberfläche 8 des Schmelzbades 4 ist eine Gasdurchiässigkeit des
Leitungssystems 1 nicht erwünscht. Die einsetzbaren Materialien, insbesondere Graphit, weisen allerdings bei der Verwendung von Chlor aber auch bei anderen
gasförmigen Reaktionsstoffen eine materialbedingte Gasdurchlässigkeit auf, die bei den notwendigen Einleitungsdrücken zu einem nicht vernachlässigbaren
Verlust an Gas außerhalb des Schmelzbades führt. Diese unverbrauchten Gase sind radikal, d.h. sie greifen chemisch reaktionsfähige Stoffe wie einfachen Stahl
an und erzeugen so Korrosion am Ofen bzw. an den umliegenden Anlagen. Des weiteren entsteht eine erhebliche Umwelt- bzw. Gesundheitsbelastung.
In Figur 2 ist ein erfindungsgemäßes Einleitungsrohr 3 dargestellt, das mit einem
rohrförmigen Einsatz 9 ausgekleidet ist. Der rohrförmige Einsatz 9 ist mit einem
nicht dargestellten Ausgleichmittel 10 im Einleitungsrohr 3 angeordnet. Nicht
dargestellt sind auch die Gaszufuhrleitungen 2, die erfindungsgemäß den glei-
Bezeichnung: Gaseinleitungssystem für Schmelzbäder
P 98 083 001 DE Beschreibung: Seite 9
chen Aufbau aufweisen können. Das Einleitungsrohr 3 ist an einem Endabschnitt
11, der in der Figur 2 oben wiedergegeben ist, mit der Gaszufuhrleitung 2 verbunden
und ragt mit dem gegenüber liegenden Endabschnitt 12 in das
Schmelzbad 4 hinein. Am Endabschnitt 12 weist das Einleitungsrohr 3 einen
Gasverteiler 13 auf, durch welchen das Gas 7 durch Öffnungen 14 in das
Schmelzbad eingeleitet wird.
Um oberhalb der Oberfläche 8 des Schmelzbades 4 die erforderliche Gasdichtägkeit
zu erreichen, wird das Leitungssystem aus Graphit d.h. die Gaszufuhrleitung 2 und das Einleitungsrohr 3 wie in Figur 3 dargestellt mit einer Auskleidung 1 5
versehen, die erfindungsgemäß etwas unterhalb des vorgesehenen Standes der
Oberfläche 8 des Schmelzbades 4 endet. Damit wird ermöglicht, daß unterhalb der Oberfläche 8 Gas durch die poröse Wandung aus dem Einleitungsrohr 3
ausströmen kann, was dort dem vorgesehenen Zweck, nämlich der Reinigung der Schmelze dient. Oberhalb der Oberfläche 8 des Schmeizbades 4 ist das Leitungssystem
jedoch weitgehend gasdicht. Der überwiegende Teil des Gasaustritts erfolgt jedoch durch die Öffnung 14 am Rohr oder einem damit Gasverteiler
13, der in der Figur 3 nicht dargestellt ist direkt in die Schmelze hinein.
Zur besseren Befestigung der Auskleidung 15, die den rohrförmigen Einsatz 9
umfaßt, ist ein Ausgleichmittel 16 zwischen dem rohrförmigen Einsatz 9 und
dem Rohr 2 oder 3 des Leitungssystems 1 vorgesehen.
Claims (7)
1. Leitungssystem zur Einleitung von gasförmigen Reaktionsstoffen in ein Schmelzbad,
vorzugsweise in. eine Aluminiumschmelze, insbesondere Leitungssystem aus Graphit,
das eine über der Oberfläche des Schmelzbades liegende Gaszufuhrleitung und wenigstens ein in das Schmelzbad ragendes, mit der Gaszufuhrleitung verbundenes
Einleitungsrohr oder Rührer aufweist, wobei das Leitungssystem eine im wesentlichen
gasdichte Auskleidung aufweist, die den Gasaustritt oberhalb der Oberfläche des Schmelzbades weitgehend verhindert.
2. Leitungssystem nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung eine
Versiegelung, eine Beschichtung und/oder ein rohrförmiger Einsatz ist.
3. Leitungssystem nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Auskleidung durch Ausgleichmittel mit dem Rohrmaterial verbunden ist.
4. Leitungssystem nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Auskleidung aus chemisch inertem, hitzebeständigem und /
oder feuerfestem Material, vorzugsweise aus VA-Stahl, Glas oder Quarzglas besteht.
5. Leitungssystem nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Auskleidung keramisches Material aufweist.
6. Leitungssystem nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Einleitungsrohr mittels einer dreh- und / oder schwenkbaren
gasdichten Rohrverbindung mit der Gaszufuhrleitung verbunden ist.
7. Leitungssystem nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Einleitungsrohr mit einem Endabschnitt in das Schmelzbad
einführbar ist, der mit einer teilweisen Auskleidung versehen ist, die unterhalb der
Oberfläche des Schmelzbades endet.
Bezeichnung: Gaseinieitungssystem für Schmelzbäder
P 98 083 001 DE
Ansprüche Seite 2
8, Leitungssystem nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet daß der Endabschnitt mit wenigstens einem Gasverteiler verbunden ist, der öffnungen zum gleichmäßigen Gaseintrag in die Schmelze aufweist.
gekennzeichnet daß der Endabschnitt mit wenigstens einem Gasverteiler verbunden ist, der öffnungen zum gleichmäßigen Gaseintrag in die Schmelze aufweist.
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