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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft die Herstellung von Produkten und Halbzeugen
aus Aluminiumlegierung, wie z.B. Walzbarren, Pressbarren oder Bleche,
aus wiederverwertbaren Rohstoffen wie Bearbeitungsspänen oder
-abfällen.
Die Erfindung betrifft insbesondere die Herstellung von Produkten
und Halbzeugen aus Legierungen der Serie 7000 der Aluminium Association
und der europäischen
Norm EN 573-3 (oder einer beliebigen anderen Spezifikation), d.h. den
Legierungen Al-Zn-Mg und Al-Zn-Mg-Cu und insbesondere den für die Luftfahrtindustrie
bestimmten Legierungen.
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Stand der Technik und
Aufgabenstellung
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In
mehreren Industrien fallen bei den Verfahren zur Herstellung metallischer
Fertigprodukte durch Bearbeitung, Verarbeitung, Stanzen usw. von
Halbzeugen große
Mengen Späne
und Abfälle
an. Im weiteren Verlauf des Textes steht der Begriff "Abfälle und Späne" (der insbesondere
unter dem Namen "scrap" in englischer Sprache
bekannt ist) für
das überschüssige Material,
das während
der Herstellungsverfahren durch Operationen wie Drehen, Dekolletieren, Hobeln,
Fräsen,
Plandrehen, Beschneiden, Lochen, Innen- und Außengewindeschneiden, Sägen, Bohren,
spanende Endbearbeitung oder ähnliche
Operationen von den Halbzeugen entfernt wird. Der Begriff "Abfälle und
Späne" bezeichnet hier
sowohl die kleinen Stücke
(oder "zerteilten Überschüsse") wie Späne als auch
die größeren Stücke wie
Verschnitte und Skelettgerüste
von dünnen
oder dicken Blechen, Profilen, Platten, Pressbarren, etc.
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Aus
praktischen Gründen
und aus Kostengründen
ist es üblich,
insbesondere im Fall der sogenannten "zerteilten" Überschüsse (d.h.
des Feinschrotts wie Späne),
die Abfälle
und Späne
ohne Unterscheidung der Legierungen zusammen beiseite zu schaffen.
Folglich werden diese Abfälle
und Späne auf
Basis von Aluminium, die grundsätzlich
alle wiederverwertbar sind, zumeist deklassiert, verlieren damit
an Wert und werden als sogenanntes Mischaluminium rezykliert. In
bestimmten Industrien wie der Luftfahrtindustrie besitzen die metallischen
Halbzeuge jedoch einen hohen inneren Wert, der größtenteils von
der Zusammensetzung selbst ihrer spezifischen Legierung herrührt, so
dass der Wertverlust der Abfälle
und Späne
die Produktionskosten der Fertigprodukte belastet. Darüber hinaus
kann es vorkommen, dass die zumeist besondere Zusammensetzung dieser
Legierungen mit deren Verwertbarkeit in Knetlegierungen mit geringerem
Gehalt an Legierungselementen und insbesondere in Knetlegierungen,
die anderen Familien angehören,
kaum vereinbar ist, was bei der Bildung des Schmelzbetts dieser
Legierungen zu technischwirtschaftlichen Zwängen führt, wenn man Schrott aus Luftfahrtlegierungen
der Familie 7000 verwenden will.
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Die
Luftfahrtindustrie verwendet eine große Zahl von Aluminiumlegierungen,
die im Wesentlichen den Serien 1000, 2000 und 7000 der Aluminium
Association und der europäischen
Norm EN 573-3 angehören.
Beispielsweise allein aus der 7000er Serie verwendet sie insbesondere
die Legierungen 7010, 7040, 7050, 7075, 7150, 7175 und 7475. Unter
diesen Bedingungen ist es aus Kosten-, Organisations- und Lagerdispositionsgründen kaum
denkbar, die Abfälle
und Späne
aus diesen verschiedenen Legierungen separat zu lagern. Die Schrottlager
sind deshalb generell von verschiedenartigster Natur und veränderlicher
Zusammensetzung. Selbst wenn ein Sortieren der Abfälle und
Späne nach
Legierungsart vorgesehen wäre,
würde es
sich zudem als schwierig erweisen, eine unbeabsichtigte Verschmutzung
der gelagerten Abfälle
und Späne
aus einer gegebenen Legierung durch Abfälle und Späne aus anderen Legierungen
der gleichen Serie oder unterschiedlichen Serien zu verhindern.
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Da
außerdem
die Zusammensetzung der Legierungen – selbst innerhalb einer gegebenen
Legierungsserie – sehr
unterschiedlich ist, ist es in der Regel nicht geboten, Bearbeitungsabfälle und
-späne zusammen
zu rezyklieren, um Produkte aus einer Legierung spezifischer Zusammensetzung
herzustellen. So besteht die industrielle Praxis der Verarbeitungswerke
darin, solche Produkte nur unter Verwendung von Legierungen zu fertigen,
die aus relativ reinen oder schwach legierten, durch Zugabe spezifischer
Legierungselemente entsprechend zusammengesetzten Ausgangsstoffen
und/oder aus sortierten, grobstückigen,
aus der Werksproduktion selbst stammenden Abfällen und Spänen aus einer spezifischen
Legierung eingestellten Gehalts wie abgefrästen Außenhäuten oder beim Walzen anfallenden Ausschussteilen
hergestellt werden. Diese industrielle Praxis gewährleistet
eine umfangreiche Kontrolle der spezifischen Legierungsbestandteile,
wodurch insbesondere aleatorische Veränderungen in der Zusammensetzung
der hergestellten Produkte vermieden werden können.
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Dieses
Problem ist von besonderer Bedeutung bei den Legierungen der Serie
7000 für
die Luftfahrtindustrie, insbesondere wegen der dort verwendeten
großen
Zahl von Legierungssorten. Zum einen muss die recht komplexe Zusammensetzung
dieser Legierungen in engen Zusammensetzungsbereichen gehalten werden.
Zum anderen haben diese Legierungen sehr unterschiedliche Gehalte
an Zirkonium und Chrom, bei denen es sich um rekristallisationshemmende
Elemente handelt, deren Gehalt in der Endlegierung genau eingehalten
werden muss.
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Die
Anmelderin suchte deshalb nach einem Verfahren zur Herstellung von
Halbzeugen aus Legierungen der Serie 7000 gemäß der Norm der Aluminium Association
oder des CEN (EN 573-3) oder einer beliebigen anderen Spezifikation
unter Verwendung von Bearbeitungsabfällen und -spänen von Produkten
aus Legierungen dieser Serie, bei dem die Vorteile der derzeitigen
industriellen Praxis erhalten bleiben und die Herstellungskosten
nicht in hinderlicher Weise belastet werden.
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Beschreibung der Erfindung
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Erfindungsgemäß ist das
Verfahren zur Herstellung eines Halbzeuges wie z.B. eines Walzbarrens,
eines Pressbarrens, eines Schmiedeblocks oder einer Massel aus einer
bestimmten Legierung der Serie 7000 (gemäß der Aluminium Association, der
europäischen
Norm EN 573-3 oder einer beliebigen anderen Spezifikation), wobei
die bestimmte Legierung einen Zielgehalt an mindestens einem rekristallisatianshemmenden
Element, dem sogenannten "Element
Z1", gewählt aus
der Gruppe bestehend aus Zr und Cr, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass
es umfasst:
- • die Bereitstellung von wiederverwertbarem Schrott
(oder "scrap") bestehend aus wiederverwertbarem
Schrott (scrap) aus verschiedenen Legierungen der Serie 7000 einschließlich mindestens
einer zweiten Legierung der Serie 7000, die einen Zielgehalt an
mindestens einem zweiten rekristallisationshemmenden Element, dem
sogenannten „Element
Z2", gewählt aus
der Gruppe bestehend aus Zr und Cr, aufweist, der höher ist als
der akzeptierte Höchstgehalt
in der bestimmten Legierung;
- • mindestens
eine Raffination des wiederverwertbaren Schrottes (scrap), die es
gestattet, den Gehalt an dem zweiten rekristallisationshemmenden Element
bis auf einen Wert zu reduzieren, der geringer ist als der akzeptierte
Höchstgehalt
in der bestimmten Legierung;
- • die
Herstellung einer Schmelzcharge eingestellten Gehalts, wovon ein
Teil aus dem gereinigten Metall aus der Raffination stammt
- • die
Erzeugung des Halbzeuges durch Abgießen der Schmelze eingestellten
Gehalts.
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Der
Ausdruck "wiederverwertbarer
Schrott" bezeichnet
hier Material aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen, das aus der
Sammlung oder Rückgewinnung
von Metallen in verschiedenen Fertigungsstufen oder aus gebrauchten
Fertigprodukten oder Halbzeugen stammt und für die Herstellung von Aluminiumlegierungen
wiederverwendet werden soll. Der Fachmann benutzt das Wort "scrap" im Singular oder
den Ausdruck "wiederverwertbare
Rohstoffe" auch
zur Bezeichnung des wiederverwertbaren Schrotts. Der Begriff "Produktionsschrott" bezeichnet Schrott
aus der Produktion und der Herstellung von Aluminiumprodukten, während der
Schrott aus gebrauchten Produkten Altschrott genannt wird.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung besteht der wiederverwertbare
Schrott typischerweise aus Produktionsschrott oder Neuschrott, der
bei der Herstellung von Endprodukten durch Bearbeitung, Verarbeitung,
Stanzen usw. des Halbzeuges anfällt. Dieser
Produktionsschrott besteht zumeist vorwiegend (d.h. zu mindestens
90 oder sogar 95 %) aus Aluminiumabfällen wie Bearbeitungs- und
Drehabfällen
und -spänen.
Der Produktionsschrott kann auch Abfallprodukte enthalten, insbesondere
Ausschussteile wie beispielsweise während der Produktion oder des
Transports beschädigte
Halbzeuge. Der wiederverwertbare Schrott kann auch Abfall- und/oder
Sammelprodukte beinhalten, die bei den verschiedenen Fertigungsstufen
des Halbzeuges bzw. seiner späteren
Nutzung anfallen, wie Altschrott bzw. Produktionsschrott oder Neuschrott.
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Die
Erfindung gilt bevorzugt für
den Fall, dass das erste rekristallisationshemmende Element Chrom
(Cr) und das zweite rekristallisationshemmende Element Zirkonium
(Zr) ist. Sie gilt aber auch für den
umgekehrten Fall, dass das erste rekristallisationshemmende Element
Zirkonium und das zweite rekristallisationshemmende Element Chrom
ist.
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Die
Anmelderin stellte unerwarteterweise fest, dass Chargen, die vorwiegend
aus Bearbeitungsabfällen
und -spänen
aus Legierungen der Serie 7000 bestehen, allerdings mit aleatorischer
durchschnittlicher Zusammensetzung, im Rahmen eines relativ einfachen
Verfahrens rezykliert werden können,
ahne dass dabei Veränderungen
in der Zusammensetzung der umgewandelten Produkte auftreten, indem
nämlich
mindestens ein Raffinationsschritt bei der Herstellung des Metalls
eingestellten Gehalts eingeführt
wird. Sie stellte überraschenderweise
weiterhin fest, dass es möglich
ist, eine Legierung mit den gleichen Gehalten an Legierungselementen
wie eine Legierung der Serie 7000 partiell und selektiv zu raffinieren.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren brauchen
die Abfälle
und Späne
nicht nach Legierung sortiert zu werden; es genügt, wenn die Abfälle und
Späne (und
allgemeiner gesagt der wiederverwertbare Schrott) aus der Serie
7000 stammen, auch wenn die Zusammensetzung der Legierungen dieser Serie
deutlich unterschiedlich ist. Dadurch kann wiederverwertbarer Schrott
aus verschiedenen Legierungen der Serie 7000 zusammen rezykliert
werden.
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Überdies
gestattet das Verfahren ein leichtes Rezyklieren von Abfällen und
Spänen
aus Legierungen der Serie 7000, auch wenn die bereitgestellten Abfallstoffe
in ihrer durchschnittlichen Zusammensetzung stark variieren, was
normalerweise der Fall ist, da die Zusammensetzung von den jeweiligen
im Werk benutzten Mengen von Halbzeugen aus unterschiedlichen Legierungen
und von dem in Form von Abfällen
und Spänen
ausgeschiedenen Anteil der Halbzeuge abhängt.
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1 stellt
eine bevorzugte Ausführungsart des
erfindungsgemäßen Verfahrens
dar.
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2 stellt
eine Variante dieser Ausführungsart
dar,
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Erfindungsgemäß ist das
Verfahren zur Herstellung eines Halbzeuges (100) wie z.B.
eines Walzbarrens, eines Pressbarrens, eines Schmiedeblocks oder
einer Massel aus einer bestimmten Legierung der Serie 7000 der Aluminium
Association oder der europäischen
Norm EN 573-3 (oder einer beliebigen anderen Spezifikation), nachstehend "Serie 7000" genannt, wobei die
bestimmte Legierung einen Zielgehalt an mindestens einem rekristallisationshemmenden
Element, dem sogenannten "Element
Z1", gewählt aus
der Gruppe bestehend aus Zr und Cr, aufweist, dadurch gekennzeichnet,
dass es umfasst;
- • die Bereitstellung von wiederverwertbarem Schrott
(scrap)(1) wie Bearbeitungsabfällen und -spänen, bestehend
aus wiederverwertbarem Schrott (scrap) aus verschiedenen Legierungen der
Serie 7000 einschließlich
mindestens einer zweiten Legierung der Serie 7000, die einen Zielgehalt
an mindestens einem zweiten rekristallisationshemmenden Element,
dem sogenannten „Element
Z2", gewählt aus
der Gruppe bestehend aus Zr und Cr, aufweist, der höher ist
als der akzeptierte Höchstgehalt
in der bestimmten Legierung;
- • mindestens
einen Schritt zur Raffination des wiederverwertbaren Schrottes (scrap)
(1), der es gestattet, den Gehalt an dem zweiten rekristallisationshemmenden
Element Z2 bis auf einen Wert zu reduzieren, der geringer ist als
der akzeptierte Höchstgehalt
in der bestimmten Legierung
- • die
Herstellung einer Schmelzcharge eingestellten Gehalts (21),
wovon ein Teil aus dem gereinigten Metall (7) aus der Raffination
stammt;
- • die
Erzeugung des Halbzeuges (100) durch Abgießen (40)
der Schmelze eingestellten Gehalts (21).
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Im
Bereitstellungsschritt kann der wiederverwertbare Schrott (oder "scrap") in verschiedenen
Formen bereitgestellt werden, insbesondere in Form von stückig zerteiltem
Material (d.h. so wie es aus den Bearbeitungsstationen oder Lagern
kommt) und/oder in Form von Material, das eine erste Verarbeitung
erfahren hat, wie z.B. eine Kompaktierung (beispielsweise zur Herstellung
von "Briketts") oder. eine Erschmelzung
(beispielsweise zur Herstellung von "sows",
d.h. großen
Masseln mit einem Stückgewicht von
etwa 500 kg). Diese erste Verarbeitung kann den Transport, die Handhabung
und/oder die Lagerung der Halbzeuge, insbesondere der Abfälle und
Späne erleichtern.
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Die
Erfindung ist insbesondere für
den Fall geeignet, dass es sich bei der bestimmten Legierung um
eine Legierung 7075 oder 7175 handelt, deren rekristallisationhemmendes
Element Chrom ist, wobei die zweite Legierung dann eine Legierung
7010, 7050, 7040, 7150, 7449 oder 7055 sein kann, deren rekristallisationshemmendes
Element Zirkonium ist. Im umgekehrten Fall kann die bestimmte Legierung eine
Legierung 7010, 7050, 7040, 7055, 7449 oder 7150 und die zweite
Legierung eine Legierung 7075, 7175, 7475 oder 7349 sein. Der wiederverwertbare Schrott
(scrap) kann mehr als zwei Legierungen enthalten.
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Die
Erfindung ist vor allem dann interessant, wenn 10 bis 90 des wiederverwertbaren
Schrottes die Zusammensetzung der zweiten Legierung aufweisen. Denn
wiederverwertbarer Schrott, der weniger als 10 % wiederverwertbareren
Schrottes mit der Zusammensetzung der zweiten Legierung aufweist, hat
zumeist einen durchschnittlichen Z2 -Gehalt, der niedriger ist als
der zugelassene Höchstgehalt
für die bestimmte
Legierung. Wenn andererseits mehr als 90 % des wiederverwertbaren
Schrottes die Zusammensetzung der zweiten Legierung haben, sollte
er vorzugsweise für
die Herstellung einer artverwandteren bestimmten Legierung eingesetzt
werden, d.h. für
die Herstellung einer Legierung, die zumindest das gleiche rekristallisationshemmende
Grundelement aufweist.
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In
der Praxis können
die wiederverwertbaren Schrotte und insbesondere die Bearbeitungsabfälle und
-späne
aus der Luftfahrtindustrie zusätzlich
einen bedeutenden Anteil an Schrott aus anderen Legierungen als
den Legierungen der Serie 7000, insbesondere den Legierungen der
Serie 2000 wie die 2024 enthalten. Auch solcher Schrott kann in
dem erfindungsgemäßen Verfahren
verwendet werden, soweit der Anteil der "kontaminierenden" Legierungen relativ gering ist, d.h.
geringer als etwa 20 % und vorzugsweise geringer als 10 %.
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In
der Praxis ist es vorteilhaft, eine chemische Analyse des wiederverwertbaren
Schrottes (1) durchzuführen,
um seine durchschnittliche Zusammensetzung zu bestimmen und ihn
in eine bestimmte Legierung mit möglichst artverwandter Zusammensetzung
zu rezyklieren. Bei diesem Schritt kann eine Schrottcharge vorweg
erschmolzen und das erhaltene Metall analysiert werden, eventuell
nach einem zwischengeschalteten Erstarrungsschritt, der es ermöglicht, "sows" (7) identifizierter
Zusammensetzung zu erzeugen. Diese Analyse ist dann von besonderem
Interesse, wenn man Legierungen herstellen will, deren Gehalt an
bestimmten Elementen (wie Fe und Si) geringer ist als in den Normen
vorgeschrieben.
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In
einer gegebenen Schmelzcharge eingestellten Gehalts (21)
beträgt
der Metallanteil, der aus dem rezyklierten Metall (1) (d.h.
dem wiederverwertbaren Schrott) stammt, typischerweise mindestens 10
Gewichtsprozent, Der Rest stammt aus anderen Produkten auf Aluminiumbasis
(4, 8, 9) und den beigemengten Legierungselementen
(3), um den Gehalt der Schmelze (21) zu korrigieren,
Die Legierungselemente (3) werden gewöhnlich in Form von stark legierten
Aluminiumlegierungen in einem einzigen Element oder diese Elemente
enthaltend oder in Form von reinen Zusatzmetallen beigemengt. Die
verschiedenen Formen, die zur Beimengung der Legierungselemente
verwendet werden, sind unter der französischen Abkürzung "AMMA" für "alliages mères et
métaux
d'addition", d.h. "Vorlegierungen und
Zusatzmetalle" bekannt.
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Bei
den Produkten auf Aluminiumbasis handelt es sich typischerweise
einerseits um große
Recycling-Produkte (4) (wie Abfälle) aus einer Legierung der
Serie 7000, deren Zusammensetzung bekannt ist, andererseits um werkseigene
Produkte (9) aus einer Legierung der Serie 7000, deren
Gehalt an dem rekristallisationshemmenden Element Z1 vorzugsweise
geringer ist als der Zielgehalt, und schließlich um Produkte (8)
aus sogenanntem Neualuminium (d.h. aus "reinem" oder schwach legiertem Aluminium mit
typischerweise mehr als 99,8 Aluminium), insbesondere in Form von
Masseln, deren Gehalt an rekristallisationshemmenden Elementen Z1 und
Z2 vorzugsweise geringer ist als 100 Gew.ppm. Der Anteil der zugeführten Produkte
aus Legierungen der Serie 7000 (4, 9) ist typischerweise
höher als 65
%, um in der Praxis das kontinuierliche Rezyklieren der werkseigenen,
Produktion von Herstellungsabfällen
zu gewährleisten.
Der aus rezykliertem Metall stammende Metallanteil wird so gewählt, dass eine
hohe Stabilität
der Zusammensetzung des Metalls eingestellten Gehalts (21)
gewährleistet
ist, bei der die Gefahr langsamer und nur schwer umzukehrender Veränderungen
besteht.
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Der
wiederverwertbarere Schrott und insbesondere die Beareitungsabfälle und
-späne
können im
Wesentlichen aus zerteiltem, überschüssigen Material,
Stanzabfällen
oder anderen kleinen Stücken bestehen,
deren Größe ein rigoroses Sortieren
oder eine Trennung der Gehalte oder Legierungen nicht zulässt, d.h.
bei denen es normalerweise schwierig ist, die Rückverfolgbarkeit der Zusammensetzung
zu garantieren. Eine besondere Charge aus Bearbeitungsabfällen und
-spänen
kann aus einem Gemisch von Spänen,
Stanzabfällen
und anderen kleinen Stücken
bestehen. Große
Stücke
werden vorzugsweise aus den Abfällen
und Spänen
entfernt, analysiert und auf andere Weise rezykliert. In der Praxis
ist die Zusammensetzung großer
Stücke
wegen der besseren Rückverfolgbarkeit
dieser Produkte oft bekannt, so dass sie separat rezykliert werden
können.
Die Erfindung ermöglicht
jedoch auch die Verarbeitung von Schrott, der große Stücke enthält oder
im Wesentlichen aus großen
Stücken
besteht.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsart
der Erfindung umfasst der mindestens eine Raffinationsschritt:
- – das
Einschmelzen einer Charge Schrott (1) in einem ersten Schmelzofen
(10), um eine erste flüssige
Umschmelzmetallmasse, das sogenannte „flüssige Rohmetall" (2) zu
erhalten, das im Wesentlichen homogen ist;
- – das
Ausfällen
mindestens eines der rekristallisationshemmenden Elemente mit Hilfe
eines borhaltigen, selektiven Fällungsmittels
(5), um den Durchschnittsgehalt des flüssigen Rohmetalls (2) an
diesem Element auf einen Wert herabzusetzen, der kleiner oder gleich
einem bestimmten Schwellwert ist;
- – das
Abtrennen des flüssigen
Rohmetalls (2) und der ausgefällten Produkte (oder "Präzipitate") (6), um
ein gereinigtes Metall (7) zu erhalten, dessen Gehalt an
dem ausgefällten
Element kleiner oder gleich dem bestimmten Schwellwert ist.
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Die
Anmelderin stellte dabei fest, dass die Ausfällungskinetik der rekristallisationshemmenden Elemente,
die überraschenderweise
nur einige Dutzend Minuten (anstatt einige Stunden) beträgt, mit dem
Schmelzzyklus des Verarbeitungswerkes durchaus vereinbar ist.
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Das
selektive Fällungsmittel
(5) ist vorzugsweise eine Vorlegierung auf Basis von Bor
wie die AB4 oder ein kompaktiertes Aluminium-Bor-Pulver oder auch
ein Borsalz wie Potassiumfluoroborat. Insbesondere wenn das Fällungsmittel
eine Vorlegierung ist, wird dieses Mittel in Form von Plättchen in die
Schmelze eingebracht. Wenn es sich bei dem Element Z2 um Zr handelt,
entspricht die zugegebene äquivalente
Bormenge Q vorzugsweise dem 0,25 – bis 1,0-fachen Zr-Gehalt,
ausgedrückt
in Gew.ppm, des flüssigen
Rohmetalls (2), Handelt es sich bei dem Element Z2 um Cr,
ist die zugegebene äquivalente
Bormenge Q vorzugsweise gleich der Summe einer ersten Menge Q1 und
einer zweiten Menge Q2 (d.h. Q = Q1 + Q2), wobei die Menge Q1 dem
0,25- bis 1,0-fachen Zr-Gehalt
des flüssigen
Rohmetalls (2) entspricht, die Menge Q2 dem 0,45- bis 1,8-fachen
Cr-Gehalt des flüssigen
Rohmetalls (2) entspricht und die genannten Gehalte in
Gew.ppm ausgedrückt
sind. Im letztgenannten Fall ist eine zusätzliche Menge Bor notwendig,
um der Tatsache Rechnung zu tragen, dass Bor eine größere Affinität zu Zr als
zu Cr hat, so dass Bor zuerst mit Zr und dann mit Cr reagiert (d.h.
die Reaktion erzeugt zuerst ZrB2-Präzipitate
und dann CrB2-Präzipitate).
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Der
erste Schmelzofen (10) ist vorteilhafterweise ein Induktionsofen,
was dank der elektromagnetischen Durchmischung der Schmelze, die
durch den Ofen bewirkt wird, eine effiziente und schnelle Auflösung des
Fällungsmittels
(5) ermöglicht.
Bei einer anderen Variante der Erfindung kann der erste Schmelzofen
ein Wannenofen sein. Der Induktionsofen und der Wannenofen weisen
den Vorteil auf, dass sich ein geringer Schmelzverlust ergibt. Dennoch
ist die vorliegende Erfindung nicht auf den Einsatz einer spezifischen
Ofenart beschränkt.
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Der
bestimmte Schwellwert ist vorzugsweise kleiner oder gleich dem Höchstgehalt
an dem zweiten rekristallisationshemmenden Element Z2 der bestimmten
Legierung. Eine solche Wahl ermöglicht
es, die Zugabe von reinem oder schwach legiertem Aluminium (oder "Neualuminium") bei der Einstellung des
Gehalts der Schmelze (21) weitgehend in Grenzen zu halten
oder sogar zu vermeiden.
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Die
Temperatur des flüssigen
Rohmetalls (2) während
des selektiven Fällungsvorgangs
beträgt vorzugsweise
mehr als 700°C,
um die Auflösung
des selektiven Fällungsmittels
(5) zu begünstigen.
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Die
Abtrennung des Metalls (2) und der Präzipitate (6) erfolgt
durch Dekantieren bei einer Temperatur von vorzugsweise weniger
als 700°C
und mehr als 660°C,
um das Wachstum der Präzipitate
zu fördern,
die Ausfällung
anzusteuern und die Erhöhung
der Viskosität
in Grenzen zu halten, wobei dann die Viskosität der Schmelze gering ist und
das Dekantieren schneller abläuft.
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Bei
einer vorteilhaften Variante dieser Ausführungsart umfasst das Verfahren
zusätzlich
eine Gasbehandlung (30) des gereinigten Metalls (7)
zur Beseitigung von Einschlüssen.
In diesem Fall ist es günstig,
wenn das Dekantieren in der für
die Gasbehandlung vorgesehenen Pfanne durchgeführt wird, wodurch die Wartezeiten
des Verfahrens ausgefüllt werden
können,
d.h. die Pfanne kann dann wie eine Pufferreserve wirken. Das Gas
(30) enthält
vorzugsweise Chlor, um insbesondere die Koaleszenz der ZrB2- und/oder CrB2-Keime
und ihre Beseitigung zu begünstigen.
Der Chloranteil beträgt
typischerweise ca. 7 %, der Rest besteht typischerweise aus Stickstoff
oder Argon.
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Das
gereinigte Metall (7) kann in Form von "sows" oder
Masseln abgegossen werden, bevor es bei der Herstellung der Schmelze
eingestellten Gehalts (21) benutzt wird.
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In
der Praxis, wie in 2 dargestellt, wird die Einstellung
des Gehalts der Schmelze (21) vorzugsweise in einem zweiten
Schmelzofen (22) durchgeführt und das Abgießen des
Produktes (100) erfolgt aus einem Warmhalteofen (23).
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Gemäß einer
vorteilhaften Variante der bevorzugten Ausführungsart der Erfindung, die
in 2 erläutert
ist, ist bei der Herstellung der Schmelze eingestellten Gehalts
(21) vor dem Abgießen
zusätzlich eine
Entgasung des Metalls vorgesehen, die vorzugsweise in einem Warmhalteofen
(23) durchgeführt
wird.
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Beispiele
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Es
wurden Versuche zur Herstellung von Halbzeugen aus Bearbeitungsabfällen und
-spänen von
Produkten aus Luftfahrtlegierungen durchgeführt. Von mit zwei LKWs angelieferten
losen Abfällen und
Spänen
mit einem Nettogesamtgewicht von 52740 kg wurden 23 Tonnen Probegut
entnommen und erfindungsgemäß behandelt.
Die Abfälle
und Späne,
vor allem die Späne,
lagen als gebündelte Briketts
vor (wobei ein Brikett ungefähr
22 cm × 22 cm × 30 cm
groß war
und im Durchschnitt etwa 18 kg wog). Die Späne waren relativ grob und kaum ölig. Sie
wurden in einem Induktionsofen eingeschmolzen und mit AB4 behandelt,
indem zwei AB4-Plättchen (d.h.
12 kg) pro Tonne chargiertes Material in den Ofen eingebracht wurden.
Die Endtemperatur betrug 740°C,
um zu Beginn der Fällungs-
und Dekantierphase eine Temperatur von etwa 700°C in der Pfanne zu haben. Nach
einer Dekantierzeit von etwa 40 Minuten wurde in der Nähe der Oberfläche eine Schmelzprobe
entnommen und analysiert, wodurch geprüft werden konnte, dass der
Zr-Gehalt unterhalb 100 ppm lag. Bei den aus diesem Metall gegossenen "sows" wurde bei einer
Dekantierzeit von mehr als etwa 8 Stunden ein vergleichbarer Wert
beobachtet. Auch die in dem Rohmetall enthaltenen Elemente Chrom
und Titan wurden durch die Reaktion mit Bor verbraucht und erreichten
ebenfalls Gehalte nahe 100 ppm. Dabei wurde ein ausgezeichneter
Auflösungswirkungsgrad
der Vorlegierung AB4 im Induktionsofen festgestellt.
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Aus
dieser Schmelzprobe wurden 26 "sows" (7) mit
einem durchschnittlichen Stückgewicht
von 900 kg durch Gießen
in eine Form hergestellt.
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Die
Zusammensetzung dieser "sows" wurde durch chemische
Analyse bestimmt. Sie war im Durchschnitt wie folgt (in Gew.-%): Si = 0,07; Fe
= 0,12; Cu = 1,85; Mn = 0,06; Mg = 2,00; Cr = 0,10; Zn = 5,10; Ti
= 0,03; Zr = 0,06. Die Zusammensetzung der "sows" schwankt
von einem Abguss zum anderen um höchstens 10 % um diese Werte
herum. Mit einer solchen Zusammensetzung konnte bestimmt werden,
dass das Probegut aus Abfällen
und Spänen aus
mindestens drei Legierungen in folgenden Proportionen bestand: 48 ± 7 % 7010,
45 ± 7
% 7X75 (wobei nicht bestimmt werden konnte, ob X gleich 0,1 oder
4) und 7 ± 1
% 2024. Die eingebrachte Manganmenge bedingt durch die Anwesenheit
der Legierung 2024 hat das Rezyklieren dieser Abfälle und
Späne in eine
Legierung der Serie 7000 nicht beeinträchtigt. Im vorliegenden Fall
wurde ein Teil der Probe genutzt, um ein Produkt aus der Legierung
7075 nach der bevorzugten Ausführungsart
des Verfahrens der Erfindung herzustellen.
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Die
so präparierten "sows" wurden für die Erzeugung
von 125,7 Tonnen Metall der Zusammensetzung 7175 zur Herstellung
von Grobblechen verwendet. Das Metall eingestellten Gehalts enthielt
im Durchschnitt 18,5 "sows" aus rezykliertem Metall
und 57,1 % Fabrikationsabfälle,
der Rest bestand aus beigemischten Legierungselementen und Neualuminium
(8).
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Das
Metall eingestellten Gehalts wurde in einen Gießofen transferiert. In drei
Gießvorgängen wurde
das Metall jeweils zu 8 Barren (370 × 1450 × 3700 mm) vergossen.
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Die
Anmelderin stellte keine anormalen Mengen von Boreinschlüssen fest.
Sie führt
dieses überraschende
Ergebnis darauf zurück,
dass die Raffination des rezyklierten Metalls vor der eigentlichen
Herstellungsphase des Metalls durchgeführt wird.
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Vorteile der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
weist den Vorteil auf, dass es die Herstellung eines Halbzeuges aus
einer beliebigen Legierung bestimmter Zusammensetzung der Serie
7000 unter Verwendung von beliebig zusammengesetztem Schrott und
insbesondere Aluminiumabfällen
und -spänen
ermöglicht,
die bei der Verarbeitung von Produkten aus verschiedenen Legierungen
der Serie 7000 anfallen und eventuell eine geringe Menge Legierungen
einer anderen Serie wie der Serie 2000 enthalten. Mit anderen Worten
können
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Schrotte
aufbereitet werden, deren durchschnittlicher Gehalt an Chrom und
Zirkonium wegen des sehr unterschiedlichen Gehalts an rekristallisationshemmenden
Elementen der Legierungen der Serie 7000 von einer Charge zur anderen
beträchtlich
schwanken kann (in Extremfällen
eventuell bis zu einem Faktor 10).
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
weist weiterhin den Vorteil auf, dass die Zugabe größerer Mengen
eines anderen Metalls als das, das aus dem Schrott selbst stammt,
wie z.B. eines Basismetalls ähnlicher
Zusammensetzung oder eines Metalls auf Basis von reinem oder schwach
legiertem Aluminium, das dann verdünnend wirkt, nicht erforderlich
ist. Denn eine solche Zugabe von zusätzlichem Metall erhöht die Herstellungskosten
und reduziert die Aufbereitungskapazität der Industrieprozesse.