DE4129930A1 - Verfahren und vorrichtung fuer das entfernen von nichtmetallischen einschluessen aus fluessigem metall - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für das Entfernen von nichtmetallischen Einschlüssen aus flüssigem Metall bei der Probenentnahme sowie eine Vorrich­ tung zur Durchführung des Verfahrens in Probennehmern mit einer Kammer, die mindestens einen Einlauf aufweist.

Aus nachstehenden Veröffentlichungen ist es bekannt, nichtmetallische Ein­ schlüsse aus flüssigem Metall zu entfernen. In der DE-PS 30 00 201 ist eine Probennahmevorrichtung beschrieben, welche eine Kammer und einen Einlauf für die Metallschmelze aufweist. Die Kammer und der Einlauf sind von einem seit­ lichen Überzug umgeben, welcher die Einlauföffnung während des Eintauchvor­ ganges in die Schmelze verschließt, um beim Durchstoßen der Schlackeschicht ein Eindringen von Verunreinigungsteilchen in die Kammer zu verhindern. Nach Durchstoßen der Schlackeschicht wird der Überzug zerstört und der Einlauf freigegeben. Durch einen solchen Verschluß wird zwar das Eindringen von Schlacke während des Durchstoßens der Schlackeschicht verhindert, jedoch kann nicht verhindert werden, daß durch den dann frei liegenden Einlauf Verunreini­ gungen anderer Art, wie z. B. Gasblasen oder Teilchen des Seitenüberzuges in die Kammer eindringen und die Probe verunreinigen können.

Aus der DE-PS 28 49 333 ist es weiterhin bekannt, die Kammer im Bereich des Eintauchendes der Probennahmevorrichtung anzuordnen. Ein Einlaufkanal führt von dem Eintauchende der Probennahmevorrichtung zu der Kammer. Im Bereich des Einlaufkanals mündet im unteren Teil der Kammer ein Verbindungskanal, der durch die Kammer hindurch bis zur Probenkammer führt. Die Schmelze fließt beim Eintauchen der Probennahmevorrichtung in die Schmelze bis an die dem Einlauf­ kanal gegenüberliegende Stirnfläche der Kammer, erfährt dort eine Richtungsum­ kehr und fließt zur Mündung des Verbindungskanals. Dort ändert sich wiederum die Fließrichtung der Schmelze beim Einlauf in den Verbindungskanal. Dabei sollen sich die in der Schmelze vorhandenen Schlacketeilchen in der Kammer absetzen. Unebenheiten in der Wandung der Kammer sollen die Haftung der Schlacketeilchen an der Wandung verbessern. Durch die mehrfache Bewegungs­ umkehr in der Schmelze an den Stirnseiten der Kammer tritt jedoch eine un­ kontrollierte Wirbelbildung innerhalb der Schmelze auf, die noch durch die Unebenheiten in der Wandung der Kammer verstärkt wird, so daß die Schlacke­ teilchen mit der Schmelze gemischt und deshalb nicht vollständig in der Kammer abgeschieden werden können.

In der US-PS 42 91 585 und in der DE-PS 29 46 429 ist es beschrieben, die Schlacke durch Filtern von der Metallschmelze zu trennen. Die hier beschrie­ benen Probennahmevorrichtungen weisen mechanische Filter zur Rückhaltung der Schlacke auf. Diese Filter behindern den Einlauf der Schmelze in die Proben­ nahmevorrichtung, insbesondere in die Probenkammer. Vor den Filtern treten Jeweils Stauungen auf, so daß durch Wirbelbildung die Schmelze mit der zu ent­ fernenden Schlacke vermischt werden kann. Durch Anstauung von Schlacketeilchen vor den Filtern kann zudem die Einlaufzeit der Schmelze in die Probenkammer wesentlich verzögert oder sogar verhindert werden. Zusätzlich treten in den hier beschriebenen Probennahmevorrichtungen unkontrollierte Verwirbelungen der Schmelze durch mehrmalige Richtungsumkehr auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Probennahme­ vorrichtung zu schaffen, mit denen die Abscheidung von Verunreinigungen, ins­ besondere von Schlacketeilchen und Gaseinschlüssen, aus der Schmelzen-Probe verbessert und eine unkontrollierte Wirbelbildung vermieden wird.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die kinetische Energie des zur Probennahme fließenden Metalls wenigstens teilweise in eine Rotationsbewegung des flüssigen Metalls umgesetzt wird, derart, daß eine Separation der Einschlüsse von dem flüssigen Metall erfolgt. Die Aufgabe wird weiterhin für die eingangs charakterisierte Vorrichtung gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der mindestens eine Einlauf so gestaltet ist, daß die kinetische Energie des einfließenden Metalls teilweise in die Erzeugung einer Rotationsbewegung des flüssigen Metalls umgesetzt wird, derart, daß eine Separation der Einschlüsse von dem flüssigen Metall erfolgt. Beim Eintauchen der Probennahmevorrichtung in die Schmelze wird diese, bedingt durch ihre hohe Dichte, mit hoher Geschwindigkeit in die Kammer gedrückt. Durch die Gestaltung des Einlaufes wird die Schmelze derart in die Kammer geleitet, daß sie in Rotation versetzt wird. Durch die bei der Rotation auftretenden Kräfte werden Verunreinigungen, insbesondere Schlacke und in der Schmelze befindliche Gaseinschlüsse, die in der Regel eine geringere Dichte als die Metallschmelze aufweisen, in Richtung des Rotationszentrums verschoben. Die Geschwindigkeit der Verschiebung der Teilchen (Radialgeschwindigkeit) ist proportional zum Dichteunterschied zwischen Schmelze und Verunreinigung. Die Radialgeschwindig­ keit verhält sich außerdem proportional zum Quadrat der Rotationsgeschwindig­ keit. Die Radialgeschwindigkeit der Teilchen verringert sich zudem, je geringer ihr Abstand vom Rotationszentrum wird. Zu dieser radialen Komponente der Geschwindigkeit der Teilchen kommt, bedingt durch die Schwerkraft, eine vertikale Komponente der Teilchengeschwindigkeit. Durch diese vertikale Komponente bewegen sich die leichteren Verunreinigungsteilchen nach oben (Auftrieb), so daß sie sich im oberen Teil der Kammer in deren Rotations­ zentrum etwa in Form eines auf der Spitze stehenden Kegels ansammeln. Das Verhältnis von Höhe zu Durchmesser dieses Kegels wird wegen dieses Auftriebes mit zunehmender Aufenthaltsdauer der Schmelze in der Kammer kleiner.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Kammer eine Ablauföffnung für das von ,den Einschlüssen abgeschiedene flüssige Metall aufweist. Dadurch ist es möglich, das gereinigte Metall in einer separaten Probenkammer abzuscheiden. Mit zunehmender Aufenthaltsdauer der Schmelze in der Kammer und damit mit zunehmender Rotationsdauer wird die Entfernung der Spitze des Kegels zu der Ablauföffnung in die Probenkammer größer. Dadurch nimmt die Stärke der gereinigten Metallschmelzschicht über der Ablauföffnung zu.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß der Einlauf Leitflächen zur Änderung bzw. zur Beeinflussung der Strömungsrichtung des flüssigen Metalls aufweist. Dadurch ist es möglich, die Strömungsrichtung des flüssigen Metalles gezielt so zu lenken und an die spezielle Geometrie der Kammer anzupassen, daß eine störungsfreie Rotation der Schmelze erfolgen kann.

In besonders vorteilhafter Weise ist die Vorrichtung derart gestaltet, daß die Kammer einen zylindrischen Querschnitt aufweist und durch die Ablauföffnung mit einer im Bereich des Eintauchendes der Vorrichtung angeordneten Proben­ kammer verbunden ist und daß der Einlauf an dem dem Eintauchende abgewandten Ende der Kammer angeordnet und als Einlaufkanal ausgebildet ist, wobei die in Einlaufrichtung weisende Achse des Einlaufkanals eingangs der Kammer wind­ schief zu der Zylinder-Achse der Kammer verläuft. Dabei kann zweckmäßigerweise ein Teil der Innenwand des Einlaufkanals tangential in die Wand der Kammer übergehen. Durch eine derart charakterisierte Vorrichtung können die Verun­ reinigungen besonders wirkungsvoll abgeschieden werden, so daß das sich in der Probenkammer sammelnde Metall weitestgehend frei von Verunreinigungen ist.

Vorteilhaft ist es, daß die in Einlaufrichtung weisende Achse des Einlauf­ kanals eingangs der Kammer senkrecht zur Zylinder-Achse der Kammer verläuft. Durch eine solche Anordnung entsteht eine optimale Rotation der Schmelze. Es ist jedoch auch denkbar, daß die in Einlaufrichtung weisende Achse des Ein­ laufkanals in einem anderen Winkel zur Zylinder-Achse der Kammer verläuft (beispielsweise "nach oben gerichtet").

Zur Vermeidung zusätzlicher Wirbel ist es vorteilhaft, daß der Durchmesser des Einlaufkanals gleich dem oder kleiner als der halbe Durchmesser der Kammer ist. Die Effektivität der Abtrennung der Verunreinigungen von der Schmelze kann durch Verlängerung der Kammer verbessert werden. Zweckmäßigerweise sollte die Länge der Kammer mindestens das Zweifache ihres Durchmessers betragen. Ebenso ist es von Vorteil, wenn das Volumen der Kammer mindestens das Vier­ fache des Volumens der Probenkammer beträgt, da der Anteil der Verunreinigun­ gen im unteren Teil der Schmelze, d. h. in dem Teil, in dem sich die Ablauf­ öffnung in die Probenkammer befindet, am geringsten ist.

Vorteilhafterweise kann die Kammer einen Durchmesser von 20 mm bis 100 mm, insbesondere 30 mm bis 60 mm, betragen. Der Durchmesser des Einlaufkanals sollte dementsprechend etwa 6 mm bis 25 mm betragen, jedoch nicht größer sein, als der halbe Durchmesser der Kammer.

Der Rotationseffekt der Schmelze kann dadurch verstärkt werden, daß innerhalb der Kammer im Bereich des Einlaufkanals, d. h. im oberen Teil der Kammer, koaxial zu der Zylinder-Achse der Kammer ein Kernteil, das vorteilhafterweise zylinderförmig gestaltet ist, angeordnet ist. Dieses Kernteil dient dazu, die Schmelze zu lenken und ein die Rotation zwangsläufig einleitendes Rotations­ zentrum zu bilden. Zweckmäßigerweise sollte der Innendurchmesser der Kammer mindestens das Zweifache des Durchmessers des Kernteils betragen.

Die Anordnung der Ablauföffnung in die Probenkammer exzentrisch am unteren Ende der Kammer hat sich als vorteilhaft erwiesen, da hier optimale Strömungs­ bedingungen für den Einlauf der Schmelze in die Probenkammer bestehen. Es sind jedoch auch andere Lösungen denkbar, zum Beispiel, daß die Ablauföffnung koaxial zur Zylinder-Achse an der Stirnseite angeordnet ist. Auch die Anord­ nung der Ablauföffnung an der zylindrischen Seitenfläche der Kammer im Bereich der Stirnseite, zum Beispiel ähnlich wie der Einlaufkanal, ist denkbar.

Die Ablauföffnung in die Probenkammer kann eine Kappe aus verbrauchbarem Material, z. B. aus Metall aufweisen. Dadurch wird ein Verzögerungseffekt erzielt, dadurch, daß die Ablauföffnung in die Probenkammer erst nach Auf­ schmelzen der Kappe freigegeben wird. Während dieser Verzögerung können sich die Verunreinigungen, wie oben beschrieben, sammeln, da in die mit Schmelze vollgelaufene Kammer kein neues Material nachfließt, welches die Verun­ reinigungsteilchen mitreißen könnte. Nach Aufschmelzen der Kappe der Ablauf­ öffnung fließt lediglich die Schmelze in die Probenkammer, welche sich im Bereich der das Eintauchende bildenden Stirnseite befindet.

Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeich­ nung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Probennahmevorrichtung in der Seitenansicht,

Fig. 2 einen Schnitt durch die Probennahmevorrichtung längs der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt durch die Probennahmevorrichtung längs der Linie III/III aus Fig. 2.

Die Probennahmevorrichtung weist eine zylindrische Kammer 1 und eine sich in der Zylinder-Achse anschließende Probenkammer auf, welche in einem Isolations­ körper 3 aus z. B. Al₂O₃ eingebettet sind. Der Isolationskörper 3 ist in den Fig. 1 und 2 an den Stirnseiten der Kammer 1 dargestellt. Er umgibt ebenfalls, in der Zeichnung nicht dargestellt, die Zylinderfläche der Kam­ mer 1. Die Probenkammer 2 ist im Bereich der Stirnseite der Probennahmevor­ richtung angeordnet, die das Eintauchende bildet.

In dem Bereich des dem Eintauchende entgegengesetzten Endes der Probennahme­ vorrichtung, das an einer nicht dargestellten Traglanze befestigt ist, ist der zylindrische Einlaufkanal 4 so angeordnet, daß ein Teil der Innenwand des Einlaufkanals 4 tangential in die Wand der Kammer 1 übergeht (Fig. 3). Der Durchmesser des Einlaufkanals 4 beträgt etwa 15 mm bei einem Durchmesser der Kammer 1 von etwa 40 mm. Die in Einlaufrichtung weisende Achse des Einlauf­ kanals 4 verläuft senkrecht zur Zylinder-Achse, der Kammer 1. Im Bereich des Einlaufkanals 4 ist innerhalb der Kammer 1 an ihrer Stirnseite koaxial zu ihrer Zylinder-Achse ein zylinderförmiges Kernteil 5 angeordnet, dessen Durch­ messer etwas geringer ist, als der Durchmesser des Einlaufkanals 4.

Die Kammer 1 weist eine Länge von ca. 120 mm auf. An ihrer dem Einlaufende zugewandten Stirnseite ist zentrisch die Ablauföffnung 6 in die Probenkammer 2 angeordnet. Die Ablauföffnung 6, welche aus der Stirnfläche herausragt, ist durch ein Verbindungsstück 7 mit der Probenkammer 2 verbunden. Die Proben­ kammer 2 weist einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf (Fig. 2). Ihr Volumen beträgt etwa ein Fünftel des Volumens der Kammer 1. Die Ablauf­ öffnung 6 ist mit einer Stahl-Kappe 8 abgedeckt. Die Kappe 8 kann auch aus anderen schmelzbaren Materialien bestehen.

Die an einer Traglanze befestigte Probennahmevorrichtung wird mit dem Ein­ tauchende zuerst in die Metallschmelze getaucht. Bei Eintauchen des Einlauf­ kanals 4 fließt die Metallschmelze in die Kammer 1, wo sie aufgrund ihrer Fließrichtung zu rotieren beginnt. Während der Rotation sammeln sich die Schlacketeilchen und Gaseinschlüsse im Rotationszentrum an. Gleichzeitig sinkt die Schmelze nach unten in Richtung der Stirnseite der Kammer 1, an der sich die Ablauföffnung 6 in die Probenkammer 2 befindet. Aufgrund der geringeren Dichte der Schlacketeilchen und Gaseinschlüsse setzen sich diese nach oben ab. Sie sammeln sich kegelförmig im Rotationszentrum des oberen Teils der Schmelze. Dies ist ein zeitlich abhängiger Vorgang da, solange Schmelze in die Kammer 1 einfließt, Schlacketeilchen und Gaseinschlüsse nach unten mitgerissen werden, so daß sich über der Ablauföffnung 6 in die Probenkammer 2 ein Gemisch aus Metallschmelze und Schlacke befindet. In diesem Stadium verhindert die Kappe 8 ein Einfließen der Metallschmelze in die Probenkammer 2. Wenn keine neue Schmelze in die Kammer 1 nachfließt, bewegen sich die Schlacketeilchen und Gaseinschlüsse nach oben, so daß die Höhe des auf der Spitze stehenden Schlackekegels abnimmt und die Entfernung der Schlacketeilchen und Gasein­ schlüsse von der Ablauföffnung 6 in die Probenkammer 2 zunimmt. Nach Auf­ schmelzen der Kappe 8 dringt jetzt verunreinigungsfreie Metallschmelze in die Probenkammer ein.

Claims (17)

1. Verfahren für das Entfernen von nichtmetallischen Einschlüssen aus flüssigem Metall bei der Probenentnahme, dadurch gekennzeichnet, daß die kinetische Energie des zur Probennahme fließenden Metalls wenigstens teil­ weise in eine Rotationsbewegung des flüssigen Metalls umgesetzt wird derart, daß eine Separation der Einschlüsse von dem flüssigen Metall er­ folgt.

2. Vorrichtung für das Entfernen von nichtmetallischen Einschlüssen aus flüssigem Metall in Probennehmern mit einer Kammer, die mindestens einen Einlauf aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Einlauf so gestaltet ist, daß die kinetische Energie des einfließenden Metalls teilweise in die Erzeugung einer Rotationsbewegung des flüssigen Metalls umgesetzt wird derart, daß eine Separation der Einschlüsse von dem flüssigen Metall erfolgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (1) eine Ablauföffnung (6) für das von den Einschlüssen abgeschiedene flüssige Metall aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ein­ lauf Leitflächen zur Änderung der Strömungsrichtung des flüssigen Metalles aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (1) einen zylindrischen Querschnitt aufweist und durch die Ablauföffnung (6) mit einer im Bereich eines Eintauchendes angeordneten Probenkammer (2) verbunden ist und daß der Einlauf an dem dem Eintauchende abgewandten Ende der Kammer (1) angeordnet und als Einlaufkanal (4) ausgebildet ist, wobei die in Einlaufrichtung weisende Achse des Einlaufkanals eingangs der Kam­ mer (1) windschief zu der Zylinder-Achse der Kammer (1) verläuft.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Innenwand des Einlaufkanals (4) tangential in die Wand der Kammer (1) übergeht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die in Einlaufrichtung weisende Achse des Einlaufkanals (4) eingangs der Kammer (1) senkrecht zur Zylinder-Achse der Kammer (1) verläuft.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Einlaufkanals (4) kleiner als der halbe Durchmesser der Kammer (1) ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Kammer (1) mindestens das Zweifache deren Durchmessers be­ trägt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der Kammer (1) mindestens das Vierfache des Volumens der Probenkammer (2) beträgt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Kammer (1) 20 mm bis 100 mm beträgt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Kammer (1) 30 mm bis 60 mm beträgt.

13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Einlaufkanals (4) 6 mm bis 25 mm beträgt.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Kammer (1) im Bereich des Einlaufkanals (4) koaxial zu der Zylinder-Achse der Kammer (1) ein Kernteil (5) angeordnet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernteil (5) zylinderförmig ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablauföffnung exzentrisch am unteren Ende der Kammer angeordnet ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablauföffnung (6) eine Kappe (8) aus Metall aufweist.