DE4307867A1

DE4307867A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Schmelzereinigung von Flüssigaluminium

Info

Publication number: DE4307867A1
Application number: DE19934307867
Authority: DE
Inventors: Klaus Seidler; Rolf Bettinger
Original assignee: Vereinigte Aluminium Werke AG; Vaw Aluminium AG
Current assignee: Vereinigte Aluminium Werke AG; Vaw Aluminium AG
Priority date: 1993-03-12
Filing date: 1993-03-12
Publication date: 1994-06-01

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schmelzereinigung von Flüssigaluminium durch Inertgasbehandlung unter Vakuumbedingungen.

Die Schmelzereinigung von Aluminium ist ein wichtiger Ver fahrensschritt bei der weiteren Verarbeitung des flüssigen Metalls insbesondere vor dem Aluminium-Formguß. Zur Siche rung der geforderten mechanischen Eigenschaften der Guß stücke sind deshalb Sauberkeit, Homogenität und hohe Kristallisationsfähigkeit der zu vergießenden Schmelze wichtige Voraussetzungen. Durch das Umfüllen des Metalls in Warmhalte- und Gießöfen, Transportbehälter und Vergießen in die Form nimmt der Wasserstoff- und Oxidgehalt der Schmelze aufgrund intensiver Berührungen mit der Luft und der in ihr enthaltenen Feuchtigkeit zu. Der gegenwärtig aus Energiespargründen übliche Transport von Flüssigaluminium direkt zu den weiterverarbeitenden, externen Anwendern erfordert den Einsatz von Spezialbehältern und Spezialfahrzeugen mit den entsprechenden vorgeschriebenen Sicherheitseinrichtungen. Der durch die Umfüllung entstehende Luft- und Feuchtigkeitskontakt bringt wieder eine unerwünschte Verunreinigung der Schmelze, die für den Weiterverarbeiter Probleme und zusätzlichen Aufwand verursachen kann.

Je häufiger die Schmelze auf diese Weise Luftkontakt bekommt desto größere Wasserstoff- und Oxidmengen können entstehen. Hierbei bilden sich nicht nur Aluminiumoxid sondern auch Oxide eventuell vorhandener Legierungsbestandteile. Die in der zu vergießenden Schmelze befindlichen Oxide beeinträchtigen die Gießeigenschaften beträchtlich. Sie vermindern Fließ- und Form füllungsvermögen und stören bei Zusammenballung den gewünschten Erstarrungsablauf und die Wirksamkeit der Speiser. In den Gußstücken können diese oxidischen Verunreinigungen bedeutsame Gefügeinhomogenitäten hervor rufen, die die mechanischen Eigenschaften empfindlich beeinflussen. Bei den Umfüllprozeduren kontaktiert die Schmelze nicht nur mit dem Sauerstoff der Luft sondern auch fit Wasserdampf, der sich sowohl in der Luft als auch in den oder an den Gefäßwänden befindet. Dabei reagiert das flüssige Aluminium und seine Legierungsbestandteile, wie Natrium und Magnesium, reduktiv mit Wasserdampf, so daß Wasserstoff entsteht, der sich relativ gut in flüssigem Aluminium löst. In Abhängigkeit von der Erstar rungsgeschwindigkeit der Schmelze bilden sich dann durch Verringerung der Löslichkeit des Wasserstoffs in der Schmelze bei Abkühlung unterschiedlich große Bläschen, die ebenfalls zu nachteiligen Strukturinhomogenitäten in den Gußformkörpern mit den Folgen von Gefügeauflockerungen und mangelnder Druckdichtheit führen. In der Schmelze schwebende Oxidteilchen wirken dabei oft als Keime für die Entstehung der Wasserstoffgasbläschen.

So sind in den letzten Jahren Verfahren der Schmelze reinigung entwickelt worden, bei denen durch Anwendung eines Vakuums die Entgasung von Aluminium erreicht wird. Die dabei erreichbaren Endgehalte werden im wesentlichen durch die Höhe des Vakuums und die Badhöhe bestimmt. Eine zusätzliche Einblasung von Inertgasen beschleunigt die Verringerung des Wasserstoffgehaltes.

Bei einer sogenannten Pfannenentgasung, die in der Zeitschrift Gießerei 66 (1979) 59 beschrieben ist, wird die Schmelze aus einer Gießeinrichtung in eine vakuumdichte Warmhalte- oder Gießpfanne abgestochen, mit einem Warm haltedeckel versehen und zum Entgasungsstand transportiert. Hier wird ein wärmeisolierter Entgasungsdeckel vakuumdicht auf einen an der Pfanne angeschweißten Flanschring aufgesetzt, wobei die Abdichtung mit speziellen Gummidichtungen erreicht wird. Der Deckel ist mit Anschlüssen für Blaslanzen, Thermoelementen und Chargiervorrichtungen versehen. Eine Beheizung der Pfanne ist nicht vorgesehen. Die Blaslanze dient der Zuführung von inerten Gasen. Das Einblasen von Inertgas über Blaslanzen hat verschiedene Nachteile. So ist die Verteilung der austretenden Gasblasen in der Schmelze nicht optimal. Sie wird im wesentlichen durch den Druck bestimmt, mit dem das Inertgas in die Schmelze gedrückt wird. Eine radiale Ausbreitung der Blasen und damit ein Erreichen des gesamten Volumens der Schmelze ist auch bei Anwendung hoher Gasdrücke kaum möglich. Ein Transport der Schmelze zu anderen Abnehmern würde ein nochmaliges Umfüllen in Transportbehälter, die besonderen Sicherheitsvorschriften unterliegen, erforderlich machen. Ein weiteres Umfüllen bedeutet jedoch ein erneutes In-Kontakt-bringen der Schmelze mit der Luft und mit einem anderen Behälter. Die nun wieder stattfindende Reaktion des Aluminiums und seiner Legierungsbestandteile mit dem Luftsauerstoff und der Luftfeuchtigkeit führt wieder zu einem Anstieg der Wasserstoffkonzentration in der Schmelze und zur Oxidbildung.

In der DD 1 43 430 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von Wichteisenmetallschmelzen zur Entgasung und Abscheidung von nichtmetallischen Verunreinigungen beschrieben. Zur Durchführung des Verfahrens wird ein Schmelztiegel in einen evakuierbaren Raum plaziert. Ein Rührwerk, das auf einem Oberteil des evakuierbaren Raumes angeordnet ist und dessen Rührwendel bis in den Schmelztiegel hineintaucht, erlaubt eine Rührbehandlung der Schmelze unter Vakuumbedingungen im Tiegel. Die dadurch erreichbare Durchmischung der Schmelze begünstigt den Abscheideprozeß der Verunreinigungen wie Wasserstoff und Oxide. Nachteilig hierbei ist, daß eine Spülung des flüssigen Metalls mit Inertgas nicht möglich ist. Eine weitere zusätzliche Möglichkeit der beschleunigten Entfernung der Verunreinigungen entfällt damit. Ferner ist das relativ große, zu evakuierende Raumvolumen für das zügige Durchführen der Entgasung von Nachteil. Bei einem eventuell notwendigen Umfüllen des Flüssigmetalles in einen Transportbehälter würde die Schmelze nachteiligerweise wieder Luftkontakt bekommen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, Luft- und Feuchtigkeitskontakte von zum Transport vorgesehenem Flüssigaluminium zu verringern, ohne auf eine Schmelzereinigung unter Vakuumbedingungen und Inertgas einsatz zu verzichten.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Schmelzereinigung von Flüssig aluminium durch Inertgasbehandlung unter Vakuumbedingungen gelöst. Dabei wird die Inertgasbehandlung nach der Über führung der Schmelze in für einen Transport vorgesehenen Behältern durchgeführt, wobei das Inertgas nach Aufsetzen eines Kopfteiles mit integriertem Rührwerk und Vakuumpumpenanschluß, und vakuumdichtem Verschließen des Kopfteiles zugeführt wird. Das Einblasen des Inertgases erfolgt unter Aufrechterhaltung eines Vakuums von 1 bis 10 mbar und unter gleichzeitigem Rühren.

Nach der Inertgasbehandlung, dem Absetzen des Kopfteiles und dem Entfernen der abgeschiedenen und aufgeschwemmten Verunreinigungen und Reaktionsprodukte von der Schmelze oberfläche wird der Transportbehälter mit einem Transportdeckel auf bekannte Weise verschlossen. Ohne nochmaliges Umfüllen erfolgt dann auf bekannte Weise der sofortige Transport des Flüssigaluminiums zum weiter verarbeitenden Anwender.

Erfindungsgemäß besteht die Vorrichtung aus einem Kopfteil, das auf einen Transportbehälter für Flüssigaluminium vakuumdicht aufgesetzt ist, wobei auf dem Kopfteil ein Rührwerk angeordnet ist und eine Ruhrerwelle in axialer Richtung, bezogen auf die Behälter-Kopfteil-Achse, vakuumdicht durch das Kopfteil bis oberhalb des Behälterbodens geführt ist. Im Kern der Rührerwelle verläuft ein Gaskanal, der am unteren Ende der Rührerweile in Gasaustrittsdüsen mündet und außerhalb des Behälters an eine Inertgasquelle anschließbar ist.

Das Kopfteil besitzt einen Anschluß für eine Vakuumpumpe. Sowohl das Rührwerk als auch der Bereich der Verbindung zwischen Behälter und Kopfteil weisen Kühleinrichtungen auf.

Mit der Erfindung wird im Anwendungsfall erreicht, daß beim Transport von Flüssigaluminium zu externen Anwendern die Schmelzereinigung im Transportbehälter durchgeführt werden kann. Damit wird ein sonst nicht zu vermeidender, zusätzlicher Luft- und Feuchtigkeitskontakt beim Einfüllen der Schmelze in den Transportbehälter ausgeschlossen.

Das Aufsetzen des erfindungsgemäßen, leicht handhabbaren Kopfteiles auf den Transportbehälter ist unkompliziert und verlangt keine aufwendigen Hilfsvorrichtungen.

Das relativ kleinvolumige und leichte Transportgefäß, dessen Höhe größer als sein größter Durchmesser ist, erlaubt es, die Schmelzereinigung mit großer Intensität, Effektivität und Schnelligkeit durchzuführen.

Durch die Rotation der mit der Rührerwelle verbundenen Gasaustrittsdüsen wird das Inertgas zu kleinen Bläschen verteilt. Diese Gasbläschen steigen über den gesamten Flüssigmetallquerschnitt vom Behälterboden nach oben an die Metallbadoberfläche. Die Auftriebsgeschwindigkeit der Bläschen wird durch das anliegende Vakuum erhöht. Der dadurch erzielte schnellere Blasenauftrieb ermöglicht die Reinigung der Schmelze von Wasserstoff und Oxiden in kürzerer Zeit als bei der sonst üblichen Behälter- oder Pfannenentgasung.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 5 angegeben.

Die Weiterbildung nach Anspruch 2, daß die Zuführung des Inertgases zur Schmelze mit einer oder mehreren Blaslanzen erfolgt, erlaubt es, in Abhängigkeit von der gewählten Rührerform und der Transportbehälterform eine Gaszuführung in einer oder mehreren Ebenen und in verschiedenen Abständen zum Rührer zu realisieren. Dadurch ist eine weitere Optimierung der Schmelzereinigung möglich.

Die in Anspruch 3 genannte weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung, daß die Zuführung des Inertgases zur Schmelze durch einen im Kern der sich drehende Rührerwelle axial verlaufenden Gaskanal erfolgt und daß über Verteilerdüsen am unteren Ende der Rührerwelle oberhalb des Transportbehälterbodens das Inertgas in radialer Richtung in die Schmelze gedrückt wird, stellt eine besonders effektive Variante dar. Hierbei entfällt die separate, vom Rührer unabhängige Gaszuführung. Der Austritt der Inertgasblasen wird durch die Quasischerwirkung zwischen der Schmelze und der rotierenden Rührerwelle mit den Gasaustrittsdüsen begünstigt. Die Gasblasen, die von kleiner Größe sind, driften dabei radial bis in die Nähe der Behälterwandung.

Entsprechend den Ansprüchen 4 und 5 ist eine Umdrehungsgeschwindigkeit von 100 bis 500 Umdrehungen/min für die Durchführung des Verfahrens optimal. Als Inertgas wird bevorzugt Argon eingesetzt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen sind in den Ansprüchen 7 bis 12 angegeben.

Die Weiterbildung der Vorrichtung nach Anspruch 7, daß als Inertgaszuführungen eine oder mehrere Blaslanzen, die durch das Kopfteil geführt sind, angeordnet sind, erlaubt es, bei Verwendung einer einfachen Rührerwelle ohne Gaskanal durch unterschiedliche Anordnung des Gaseintrittes in die Schmelze und durch Wahl der Größe der Gasaustrittsdüsen variationsreiche Optimierungen durchzuführen. Dabei ist vorteilhafterweise eine Veränderung der Ebene des Gasaustrittes während des Betriebes durch Verschieben der Blaslanze möglich. Der Kontakt zwischen Inertgasbläschen und Schmelze ist dadurch sehr intensiv gestaltbar.

Die Ausführung der Verbindung zwischen Kopfteil und Transportbehälter als eine luftgekühlte Flanschverbindung, wie in Anspruch 8 und 9 dargelegt, stellt eine besonders sichere und vakuumdichte Verbindung dar, die auch schnell wieder gelöst werden kann. Als Dichtungsmaterial empfiehlt sich eine Kombination aus keramischer und Gummidichtung.

Die Weiterbildung nach den Ansprüchen 10 und 11, daß das Rührwerk am Kopfteil vakuumdicht angeflanscht ist und mit einer Gebläseluftkühlung kombiniert ist, stellt ebenfalls eine vorteilhafte Variante der Verbindung und der Kühlung dar.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung nach Anspruch 12, daß der Transportbehälter eine zylindrische Grundform aufweist, wobei das Verhältnis der Höhe des Transportbehälters zu seinem größten Durchmesser größer als 1 ist und daß der Behälter im unteren Bereich eine konische Verjüngung oder eine kugelsegmentartige Form und im oberen Bereich ebenfalls eine konische Verjüngung aufweist, hat mehrere Vorteile. So verhindert die konische Verjüngung bzw. die kugelsegmentartige Form im unteren Bereich die Bildung sogenannter "Toträume", in die das Inertgas schwer eintreten kann und auch die Rührerwirkung stark verringert ist. Die konische Verjüngung im oberen Bereich verringert das zu evakuierende Volumen und beschleunigt damit die Schmelzereinigung. Außerdem kann vorteilhafterweise das Kopfteil kleingehalten werden, was das Auf- und Absetzen erleichtert. Schließlich verhindert die konische Verjüngung im oberen Bereich ein zu starkes durch die Rührwirkung verursachtes, seitliches Hochsteigen der heißen Schmelze. Damit wird die Dichtung geschont und die Kühlung des Kopfteiles mit den integrierten Funktionselementen nicht so stark beansprucht.

Ein Ausführungsbeispiel wird anhand der Zeichnung erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 einen Transportbehälter mit Kopfteil.

In der Fig. 1 ist ein Transportbehälter 1 mit einer Ausgießöffnung 3, einem Kopfteil 2 und einem Rührwerk 10 dargestellt. Auf dem Transportbehälter 1, der ein kugelsegmentartiges Bodenteil 6 aufweist, ist das Kopfteil 2 aufgesetzt. Das Kopfteil 2 ist mit einem Ringflansch 4 am Transportbehälter 1 vakuumdicht befestigt. Das Rührwerk 10 ist mit einem Flansch 13 und einer Vakuumdichtung 16 in der Mitte des Kopfteiles 2 angeordnet. Die Vakuumdichtung 16 ist eine Kombination aus einer keramischen Dichtung und einer Gummidichtung.

Eine Rührerwelle 8 des Rührwerkes 10 ist axial durch das Kopfteil 2 bis in den Bereich des Bodenteiles 6 geführt. Am Ende der Rührerwelle sitzt ein tellerförmiger Impeller 17 mit Gasaustrittsdüsen 7. Das Rührwerk 10, das von einem Elektromotor 19 angetrieben wird, sitzt in einem abschraubbaren Kühlkopf 12, an dem auch eine Kranhakenöse 14 für das Auf- und Absetzen des Kopfteiles 2 angebracht ist. Ein Lüfter 11 fordert Kühlluft in den Kühlkopf 12 und in eine Flanschkühlung 5 (?). Über einen Inertgasanschluß 18 erfolgt die Zuführung des Inertgases Argon durch einen Gaskanal 9, der in der Rührerwelle 8 bis in die Gasaustrittsdüsen 7 des Impellers 17 verläuft. Über einen Vakuumpumpenanschluß 15, der mit einer Vakuumpumpe verbunden ist, erfolgt die Evakuierung des Transportbehälters 1 nach dem die Schmelze eingefüllt wurde. Der Rührvorgang beginnt mit dem Einschalten der Vakuumpumpe. Die Rührgeschwindigkeit beträgt etwa 400 Umdrehungen/min bei einem Endvakuum von etwa 4 mbar.

Nach einer Bebandlungsdauer von etwa 30 min wird der Kopfteil 2 mit Hilfe eines Hebekranes abgehoben. Die an der Schmelzeoberfläche schwimmenden, überwiegend oxidischen Verunreinigungen werden entfernt, ein Transportdeckel wird aufgesetzt und der Transport zu externen Nutzern wird ohne nochmaliges Umfüllen unverzüglich durchgeführt.

Die Ausgangstemperatur der Schmelze wird so eingestellt, daß bei einer Abkühlungsgeschwindigkeit von 10 bis 20°C in der Stunde beim externen Nutzer auch nach dem Transport die Schmelzetemperatur noch ausreichend hoch ist.

Bezugszeichenliste

1 Transportbehälter
2 Kopfteil
3 Ausgießöffnung
4 Ringflansch
5 Flanschkühlung
6 Bodenteil
7 Gasaustrittsdüsen
8 Rührerwelle
9 Gaskanal
10 Rührwerk
11 Lüfter
12 Kühlkopf
13 Flansch
14 Kranhakenöse
15 Vakuumpumpenanschluß
16 Vakuumdichtung
17 Impeller
18 Inertgasanschluß
19 Elektromotor

Claims

1. Verfahren zur Schmelzereinigung von Flüssigaluminium durch Inertgasbehandlung unter Vakuumbedingungen, dadurch gekennzeichnet,
daß die Inertgasbehandlung von Flüssigaluminium zum Zwecke der Reinigung nach der Überführung der Schmelze in für einen Transport vorgesehenen Behältern durchgeführt wird, wobei die Inertgasbehandlung nach Aufsetzen eines Kopfteiles mit integriertem Rührwerk und Vakuumpumpenanschluß, und vakuumdichtem Verschließen des Kopfteiles - unter Aufrechterhaltung eines Vakuums von 1 bis 10 mbar - durch Einblasen von Inertgas unter gleichzeitigem Rühren erfolgt,
daß nach der Inertgasbehandlung, dem Absetzen des Kopfteiles und dem Entfernen der abgeschiedenen und aufgeschwemmten Verunreinigungen und Reaktionsprodukte von der Schmelzeoberfläche der Transportbehälter mit einem Transportdeckel auf bekannte Weise verschlossen wird
und daß danach ohne nochmaliges Umfüllen auf bekannte Weise der sofortige Transport des Flüssigaluminiums erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung des Inertgases zur Schmelze mit einer oder mehreren Blaslanzen erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung des Inertgases zur Schmelze durch einen im Kern der sich drehende Rührerwelle axial verlaufenden Gaskanal erfolgt und daß über Verteilerdüsen am unteren Ende der Rührerwelle oberhalb des Transportbehälterbodens das Inertgas in radialer Richtung in die Schmelze gedrückt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umdrehungsgeschwindigkeit des Rührers in der Schmelze 100-500 Umdrehungen pro Minute beträgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprache 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Inertgase Edelgase wie Argon und/oder Stickstoff eingesetzt werden.

6. Vorrichtung zur Schmelzereinigung von Flüssigaluminium durch Behandlung mit Inertgasen unter Vakuum bedingungen, bestehend aus einem wärmegedämmten, evakuierbaren Behälter, dadurch gekennzeichnet,
daß der Behälter ein Transportbehälter (1) für Flüssigaluminium ist, auf dem ein abnehmbares Kopfteil (2) vakuumdicht auf gesetzt ist, wobei auf dem Kopfteil (2) ein Rührwerk (10) angeordnet ist und eine Rührer welle (8) in axialer Richtung, bezogen auf die Behälter-Kopfteil-Achse, vakuumdicht durch das Kopfteil (2) bis oberhalb des Behälterbodens geführt ist,
daß im Kern der Rührerwelle (8) ein Gaskanal (9) verläuft, der am unteren Ende der Rührerwelle (8) in Gasaustrittsdüsen (7) mündet und außerhalb der Vorrichtung an eine Inertgasquelle anschließbar ist,
daß das Kopfteil (2) ein Anschluß für eine Vakuumpumpe besitzt und daß sowohl das Rührwerk (10) als auch der Bereich der Verbindung zwischen Behälter (1) und Kopfteil (2) Kühleinrichtungen aufweisen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Inertgaszuführungen eine oder mehrere Blas lanzen, die durch das Kopfteil geführt sind, angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopfteil (2) am Behälter (1) vakuumdicht angeflanscht ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Flanschverbindung zwischen Kopfteil und Behälter einen umlaufenden Kühlkanal für Luftkühlung aufweist.

10. Vorrichtung nach einem Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet daß das Rührwerk (10) im Kopfteil (2) vakuumdicht angeflanscht ist.

11. Vorrichtung nach einem Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Rührwerk (10) mit einer Gebläseluftkühlung kombiniert ist.

12. Vorrichtung nach einem Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
daß der Transportbehälter (1) eine zylindrische Grundform aufweist, wobei das Verhältnis der Höhe des Transportbehälters (1) zu seinem größten Durchmesser größer als 1 ist,
und daß der Transportbehälter (1) im unteren Bereich eine konische Verjüngung oder eine kugelsegmentartige Ausbildung und im oberen Bereich ebenfalls eine konische Verjüngung aufweist.