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Technisches
Feld
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Diese
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung
zur Behandlung von geschmolzenen Metallen und insbesondere auf das Hinzufügen eines
Salzflussmittels zu Aluminium in Schmelz- und Warmhalteöfen.
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Stand der
Technik
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Die
Behandlung von geschmolzenem Aluminium durch Gase und in letzter
Zeit durch Salzflussmittel in großen Schmelz- und Warmhalteöfen, die das
Rühren
von geschmolzenem Metall beinhalten, wurde bereits vorgeschlagen.
Eine typische Ausführungsform
einer solchen Vorrichtung ist in dem Artikel „Theoretical and Experimental
Investigation of Furnace Chlorine Fluxing" von Celik und Doutre in Light Metals
1989, veröffentlicht
von der Minerals, Metals and Materials Society im Jahre 1988 (Seiten
793 bis 800), beschrieben, bei der ein unter einem Winkel innerhalb
des Ofens positionierter Propeller dazu verwendet wird, das Metall
in einem Warmhalteofen zu rühren.
Chlor-Gas wird durch ein Loch in dem Schacht zugefügt und wird
von dem zirkulierenden Metall mitgerissen und in dem Ofen verteilt.
Der Artikel „Improving
Fluxing of Aluminium Alloys" von
Beland und anderen in Light Metals 1995, veröffentlicht von der Minerals,
Metals and Materials Society im Jahr 1995 (Seiten 1189 bis 1195)
offenbart das Hinzfügen
eines Salzflussmittels unter Rühren
zur Behandlung von Metall in einem Ofen.
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Die
Behandlung von geschmolzenem Aluminium unter Verwendung von Salzflussmitteln
in Tiegeln (beispielsweise solche, die für den Transport von geschmolzenem
Aluminium verwendet werden) ist bereits vorgeschlagen worden. Verschiedene Dreh- Vorrichtungen wurden
zum Einführen
von Feststoffen und/oder Gasen in geschmolzenes Metall in solche
Tiegel vorgeschlagen, um verschiedene Behandlungen durchzuführen. Die
europäische
Anmeldung
EP 0 396 267 ,
veröffentlicht
am 7. November 1990, beschreibt ein System für das Tiegelschmelzen unter
Verwendung eines Dreh-Dispergierers an einer vertikal befestigten
welle, in den eine Gas-/Pulver-Mischung zugeführt wird. Der Dispergierer
beinhaltet einen internen Aufbau mit Kompartimenten, die mittels
Klingen voneinander getrennt sind. Er weist einen offenen Boden
auf, wodurch bewirkt wird, dass Metall hindurchgepumpt und von den
Seiten des Rotors ausgeworfen wird.
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Eine
andere Form einer Vorrichtung zum Dispergieren einer Schmelze in
einem geschmolzenen Metallbad ist in der offengelegten japanischen
Anmeldung 1988-193136, veröffentlicht
am 28. Juli 1988, beschrieben. Diese beinhaltet einen kreisförmigen Rotor
auf einer vertikal befestigten Welle mit Mischnuten am äußeren Umfang.
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Die
europäische
Anmeldung
EP 0 395 138 , veröffentlicht
am 31. Oktober 1990, beschreibt eine andere Vorrichtung zum Dispergieren
von Materialien in geschmolzenem Metal unter Verwendung eines Drehsystems.
Eine Salz-/Gas-Mischung wird an der Unterseite eines generell konisch
ausgeformten Injektors an einer vertikal befestigten Welle, die
keine Klingen oder ähnliche
Schervorrichtungen aufweist, eingespeist.
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Die
kanadische Anmeldung
CA 2,272,976 , veröffentlicht
am 27. November 1999, beschreibt ein System zur Behandlung von Schmelzmetall
in Transporttiegeln unter Verwendung von Rührelementen an vertikal befestigten
Wellen, um Alkaligehalte zu reduzieren. Verschiedene Rührelemente
sind offenbart, sowohl an der Unterseite eines konisch ausgeformten
hohlen Rotors befestigte Klingen, als auch vertikale Klingen an
einem Abschnitt der oberen konischen Oberfläche.
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Das
US Patent 6,060,013 beschreibt eine Drehvorrichtung zur Gas-Dispersion
für die
Behandlung von geschmolzenem Aluminium. Diese beinhaltet einen Rotor
mit unterhalb einer Rotorscheibe befestigten radialen Klingen. Das
Gas wird durch eine hohle Rotorwelle zugeführt.
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Eine
andere Mischvorrichtung für
geschmolzenes Aluminium ist im US Patent 3,849,119 beschrieben.
Sie beinhaltet einen Propeller eines Typs mit Flügelscheibe, der am Boden einer
Rotorwelle befestigt ist. Der Propeller umfasst eine horizontale Scheibe
mit radial nach oben stehenden Schaufeln oder Klingen.
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Im
US Patent 5,160,693 wird ein anderer Typ von Propeller zur Behandlung
von geschmolzenen Metallen beschrieben. Er beinhaltet eine zentrale Buchse,
die am Bodenende einer hohlen Rotorwelle befestigt ist, sowie eine
Reihe von vertikal befestigten Schaufeln, die über den äußeren Umfang der Buchse befestigt
sind.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes System
zur Dreh-Dispersion für
die Zufügung
von einer Pulver-/Gas-Mischung zu geschmolzenem Metall zur Verfügung zu
stellen, die insbesondere zur Einspeisung eines Salzflussmittels in
geschmolzenes Aluminium in einem Schmelz- oder Warmhalte-Ofen gut geeignet ist.
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Offenbarung
der Erfindung
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Gemäß eines
Aspekts der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung für die Behandlung
von geschmolzenem Metall mit einem partikelförmigen Behandlungsagens und
einem Gas zur Verfügung gestellt.
Diese beinhaltet einen Kessel zum Halten des geschmolzenen Metalls,
eine Dreh-Einrichtung zum Aufbrechen des partikelförmigen Behandlungsagens
und des Gases innerhalb des geschmolzenen Metalls und zum Verteilen des
partikelförmigen
Behandlungsagens und des Gases innerhalb des geschmolzenen Metalls
in dem Kessel, sowie ein Mittel zum Zuführen des partikelförmigen Behandlungsagens
und des Gases zu der Dreh-Einrichtung. Der Kessel ist ein Schmelz-
oder Halte-Ofen für
geschmolzenes Aluminium und die Dreh-Einrichtung umfasst eine hohle Welle
mit einem Rotor mit einer axialen Öffnung, die an dem Auslassende
hiervon fixiert ist. Die hohle Welle und der Rotor erstrecken sich
in den Ofen mit der Achse der hohlen Welle unter einem Winkel zur
Horizontalen von etwa 20° bis
40°. Dieser
Rotor umfasst eine kreisförmige
Platte mit einer Vielzahl von radial befestigten, nach oben gerichteten
Klingen, die von der oberen Oberfläche der kreisförmigen Platte
hervorstehen, sowie eine Vielzahl von radial befestigten nach unten
gerichteten Klingen, die von der unteren Oberfläche der kreisförmigen Platte
hervorstehen.
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Gemäß einem
bevorzugten Merkmal der Erfindung ist die Dreh-Einrichtung auf einen Träger befestigt
und kann in eine Öffnung
in den Ofen hinein- und aus diesem herausbewegt werden. Der unter
einem Winkel von 20° bis
40° zur
Horizontalen befestigte Träger
kann nahe einer spezifischen Öffnung
in dem Ofen, die zum Zugriff durch den Rotor und die Welle erzeugt
wurde, fixiert sein oder er kann als mobile Einheit ausgestaltet
sein und Zugriff zum Ofen wird durch die normale Tür, die zur
Chargierung solch eines Ofens verwendet wird, ermöglichen.
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Unabhängig von
der Orientierung der Dreh-Vorrichtung innerhalb des Kessels ist
es selbstverständlich,
dass die obere Oberfläche
der kreisförmigen
Platte mit den nach oben hervorstehenden Klingen die Fläche neben
der hohlen Welle ist, während
die Boden-Oberfläche
der Platte mit den nach unten hervorstehenden Klingen die Fläche gegenüber der
oberen Oberfläche
ist.
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Es
wird insbesondere bevorzugt, dass die Vorrichtung innerhalb des
Ofens derart platziert ist, dass sämtliche Teile des Rotors zumindest
30 cm von irgendeiner inneren Oberfläche des Ofens entfernt platziert
sind.
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Insbesondere
ist eine besondere Sorgfalt erforderlich, um sicherzustellen, dass
eine ausreichende Vermischung und Dispergierung der Feststoff-/Gas-Mischung
eintritt, wenn gewünscht
wird, eine Feststoff-/Gas-Mischung unter einem wie oben beschriebenen
Winkel einzuspeisen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird eine weitere kreisförmige Platte unterhalb der
radial befestigten Klingen, die von der ersten erwähnten kreisförmigen Platte
nach unten hervorstehen, fixiert. Somit umfasst der Rotor eine obere
kreisförmige
Platte und eine untere kreisförmige
Platte mit einer Vielzahl von radial befestigten und nach oben gerichteten
Klingen, die von der oberen Oberfläche der oberen kreisförmigen Platte hervorstehen,
sowie eine Vielzahl von radial befestigten Klingen, die zwischen
der oberen und unteren kreisförmigen
Platte fixiert sind.
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Die
untere kreisförmige
Platte weist vorzugsweise eine zentrale Öffnung auf, die mit dem Inneren zwischen
den zwei Platten zusammenwirkt.
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In
beiden oben beschriebenen Ausführungsformen
der Erfindung dienen die nach oben hervorstehenden radial befestigten
Klingen einer wichtigen Funktion. Somit dienen die nach unten gerichteten Klingen
(oder die Klingen zwischen den kreisförmigen Platten) dazu, eine
Scherung zu bewirken und dadurch das Gas in feine Bläschen und
den Behandlungsagens in feine Tröpfchen
oder Partikel aufzulösen.
Es wurde jedoch herausgefunden, dass dabei eine Tendenz der erzeugten
Bläschen
besteht, hohe Konzentrationen in der Peripherie des Rotors auszubilden,
welche sich vereinigen und schnell zur Oberfläche ansteigen, wobei sie die
Partikel oder Tröpfchen
den Behandlungsagens mitreißen
und somit die Verweildauer des Behandlungsagens in dem Metall reduzieren.
Es wurde herausgefunden, dass durch Zufügen eines Satzes nach oben
gerichteter radialer Klingen an dem Rotor ein starker radialer Strom
erzeugt wird, wodurch die Wolke von Gas und Behandlungsagens in
einer nach oben gerichteten Richtung gedrängt werden. Die Tendenz, hohe
lokale Konzentrationen auszubilden, wird somit reduziert und die durchschnittliche
Verweildauer des Behandlungsagens in der Schmelze wird erhöht. Diese
zusätzlichen Klingen
erhöhen
zudem die Zirkulation des Flüssigmetalls
in dem Kessel allgemein.
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In Öfen, in
denen eine Dreh-Vorrichtung an einer Welle befestigt ist und die
Welle bei 20 bis 40° zu
der Horizontalen orientiert ist, wurde herausgefunden, dass in diesen
eine Tendenz der Wolke aus Gas-Bläschen besteht, vorzugsweise
an der Seite des Rotors ausgebildet zu werden, die der Metalloberfläche am nächsten steht,
wodurch infolgedessen die Gaswolke und das dazugehörige Behandlungsagens
ebenfalls schneller zu der Oberfläche ansteigt. Die Verwendung
der weiteren kreisförmigen
Platte in Übereinstimmung
mit einer der bevorzugten Ausführungsformen
kann diese Tendenz überwinden
und sichert, dass die Wolke aus Gas-Bläschen gleichmäßiger um
den Rotor dispergiert wird, wenn dieser auf diese Weise konfiguriert
ist.
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Etwa
3 bis 12 radial gerichteter Klingen sind jeweils oberhalb und unterhalb
der kreisförmigen Platte
befestigt und 6 Klingen an jedem Ort wurden als optimal erkannt.
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In
der Lage zu sein, das System zu betreiben, während es unter einem Winkel
von etwa 20 bis 40° zur
Horizontalen befestigt ist, hat den besonderen Vorteil, die Einführung durch
eine Öffnung
in der Seite des Ofens zu bewirken oder, wenn dieser als mobile
Einheit betrieben wird, durch eine Chargier-Tür in dem Ofen zu bewirken.
Eine mobile Einheit kann darüber
hinaus leicht transportiert werden und an verschiedenen Öfen in der
Gießhalle
betrieben werden.
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Das
Behandlungssystem dieser Erfindung ist gut zur Verwendung in großen kommerziellen Öfen, beispielsweise Öfen mit
einer Kapazität
von 50 bis 150 t geeignet. Der Rotor weist dabei typischerweise einen
Durchmesser von etwa 25 cm bis 50 cm mit einer Drehgeschwindigkeit
von etwa 200 bis 600 U/min auf. Bei einem typischen Betrieb wird
ein Salzflussmittel unter einer Zufuhrrate von 1 kg/min in einem Strom
des Trägergases
von 200 l/min zugeführt.
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Das
Verfahren sowie die Vorrichtung gemäß dieser Erfindung kann dazu
verwendet werden, eine Vielzahl von geschmolzenen Metallen mit einem
partikelförmigen
Behandlungsagens zu behandeln, beispielsweise Aluminium und dessen
Legierungen, Magnesium und dessen Legierungen usw.. Das Gas, das
hierzu verwendet werden kann, kann ein Inertgas sein oder es kann
mit dem zu behandelnden Metall reagieren. Beispiele von Gasen, die
hierbei verwendet werden können,
beinhalten Chlor, Argon und Stickstoff.
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Beispiele
von Behandlungsagenzien, die in Partikelform verwendet werden können, beinhalten Schmelz-Agenzien
sowie Mischungen von Alkali-Choriden zur Behandlung von Aluminium
oder dessen Legierungen, Kornfeiner usw..
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird beispielhaft mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen
dargestellt, in denen:
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1 eine
Querschnittsansicht eines Aluminium-Schmelzofens mit dem Injektor gemäß der Erfindung
ist;
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2 eine
isometrische Ansicht der Ausführungsform
mit einem Rotor;
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3 ist
eine weitere isometrische Ansicht des Rotors aus 2;
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4 ist
eine isometrische Ansicht einer Ausführungsform eines weiteren Rotors;
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5 ist
eine weitere isometrische Ansicht des Rotors aus 4;
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6 ist
eine Ansicht von oben auf den Rotor aus 4;
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7 ist
eine Querschnittsansicht durch den Rotor aus 4;
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8 ist
eine Ansicht von oben auf die hohle Rotorwelle;
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9 ist
eine erhabene Ansicht eines Abstützrahmens,
der dazu geeignet ist, den Rotor zu tragen; und
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10 ist
eine erhabene Ansicht einer Einheit zum Zufügen von Fest-/Gas-Mischung
zu dem Rotor.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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Mit
Bezug auf 1 weist ein Aluminium-Schmelzofen 10 eine
Seitenöffnung 11 auf
und enthält
ein Bad geschmolzenen Aluminiums 12 mit einer Schmelz-Oberfläche 13.
Durch die Öffnung 11 erstreckt
sich eine hohle Rotor-Welle 15, an deren einen Ende ein
Rotor 16 zum Dispergieren einer Feststoff-/Gas-Mischung
in dem geschmolzenen Metallbad 12 befestigt ist.
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Eine
Ausführungsform
des Rotors ist detailreicher in den 2 und 3 gezeigt.
Er umfasst eine kreisförmige
Platte 17, typischerweise etwa 40 cm im Durchmesser, die
eine axiale Öffnung
aufweist, die von einem Kragen 20 zum Befestigen der hohlen
Welle 15 umgeben ist. Die Platte 17 weist eine obere
Oberfläche 18 und
eine untere Oberfläche 19 auf.
Eine Vielzahl von radial befestigten Klingen 21 ist an
der oberen Oberfläche 18 befestigt,
wobei die Klingen 21 konisch zulaufende innere Endoberflächen 22 aufweisen.
Die inneren Enden dieser Klingen enden vorzugsweise in einer Radial-Distanz größer als
der Radius des Kragens 20, um einen kreisförmigen Spalt
zwischen dem Kragen und den inneren Kanten der Klingen vorzusehen.
Eine weitere Reihe von radial befestigten Klingen 23 ist
an der unteren Oberfläche
der Platte 17 fixiert, wobei die Klingen 23 konisch
zulaufende innere Endoberflächen 24 aufweisen.
Der Rotor wird bei der Verwendung vorzugsweise derart gedreht, dass
die konisch zulaufenden inneren Endoberflächen 22 an der Seite
der Klingen gegenüber
der Drehrichtung stehen.
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Mit
dieser Rotor-Anordnung tritt die Feststoff-/Gas-Mischung durch den
hohlen Kern 27 der Welle 15 und durch die Kragen-Öffnung 20 nach unten
hindurch, wobei an diesem Punkt die unteren Klingen 23 dazu
dienen, die Feststoff-/Gas-Mischung mit dem geschmolzenen Metall
zu vermischen. Wenn der Feststoff ein Salzflussmittel ist, wird
dieses an dem Punkt aufgeschmolzen, an dem sie in das geschmolzene
Aluminium eintritt, und wird dann mittels der Klingen 23 in
kleine Tröpfchen
aufgeteilt, um sie effektiv zu verteilen. Da eine Tendenz einer
Welle von Tröpfchen
dahingehend besteht, von den unteren Scherklingen 23 ausgebildet
zu werden und für
das Behandlungsagens dahingehend besteht, mit der Wolke von Bläschen vereint
zu bleiben, stellen die oberen Klingen 21 eine wesentliche
Komponente dieser Erfindung dar. Somit erzeugen die oberen Klingen
eine Sekundär-Vermischung
des geschmolzenen Aluminiums, was dazu dient, alle Wolken von Bläschen, die
aus der Region unterhalb der Platte 17 heraustreten, zu
dispergieren.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung ist in den 4 bis 7 dargestellt.
In dieser Ausführungsform
ist eine zweite kreisförmige
Platte direkt unterhalb der unteren Klingen 23 befestigt,
wodurch ein Segment erzeugt wird, welches Durchtritte 28 zwischen
den Platten 17 und 25 und zwischen benachbarten
radial befestigten Scherklingen 23 erzeugt, wie dies in 7 gezeigt
ist. Die zwei kreisförmigen
Platten sind vorzugsweise in einem Abstand von etwa 12 bis 75 mm
voneinander beabstandet. Dies stellt eine effizientere Dispergierung
der Feststoff-/Gas-Mischung in dem geschmolzenen Metall zur Verfügung, insbesondere
dann, wenn der Rotor an einer Welle befestigt ist, deren Achse unter
einem bevorzugten Winkel von 20 bis 40° zur Horizontalen Befestigt
ist.
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Mit
dieser Anordnung wird das geschmolzene Metall durch das axiale Loch 26 in
der unteren kreisförmigen
Platte 25 nach oben gezogen, wo es in die axiale Herabwanderungs-Öffnung 27 der
Welle 15 für
die Feststoff-/Gas-Mischung eingreift, wobei diese Mischung durch
die Aushöhlungen 28 in
dem geschmolzenen Hauptbad 12 dispergiert werden. Mit dieser
Anordnung sind die oberen Misch-Klingen 21 zu dem Zweck
notwendig, die Wolken von Bläschen, die
immer noch in das Bad austreten, zu dispergieren.
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Eine
Stützanordnung
zum Tragen des Rotors 16 und der hohlen Welle 15 ist
in 9 gezeigt. Diese Anordnung kann als mobile Einheit
betrieben werden, wobei der Rotor durch eine Chargiertür in dem
Ofen hindurchtritt oder als fixierte Einheit betrieben werden, wobei
der Rotor durch eine Öffnung
in der Seite des Ofens hindurchtritt. Die hohle Welle 15 ist
mit einer hohlen Antriebswelle 31 verbunden, die zur Drehung
auf einer Abstützung 30 befestigt
ist. Diese Abstützung 30 ist
mittels eines Drehlagers 34 drehbar mit einem Abstützrahmen 33 verbunden.
Ein Verschiebemechanismus 35 verschiebt die hohle Welle
bis zu einem gewünschten
Winkel von 20 bis 40° zur
Horizontalen, wenn sie in Verwendung ist.
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Eine
Anordnung 36 zum Mischen und Zuführen einer Feststoff-/Gas-Mischung
ist ebenso an einer drehbaren Abstützung 30 befestigt
und mit einer hohlen Antriebswelle 31 mittels eines flexiblen
Rohrs 37 verbunden. Diese Anordnung 36 beinhaltet,
wie dies in 10 gezeigt ist, einen Bunker 40 für partikelförmige Feststoff-Materialien,
welcher in eine Schraubenförderung 41 führt und
anschließend
in einen Schacht 42, der einen Auslass 44 aufweist,
der diesen mit dem flexiblen Rohr 37 verbindet. Eine abgedichtete
Einhausung 43 wird mit dem gewünschten Gas chargiert und das
Gas wird durch den Schacht zusammen mit den Partikeln geführt.
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Die
Anordnung wird von Beinen 45 getragen und beinhaltet ein
Bedienfeld 46.
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Die
vorliegende Erfindung ist zur effizienten Reduzierung von Alkalimetallen
und Partikeln in großen
Aluminium-Schmelz- und Warmhalte-Öfen geeignet. In Vergleichstests
wurde herausgefunden, dass die Vorrichtung die Niveaus von Ca und
Na um 37 und 30%, jeweils verglichen mit einem einfachen Propeller-Design,
wie es früher
benutzt wurde, reduzieren kann. Dies erlaubt die Reduzierung der
Gießzeiten
in ähnlicher
Menge. Die Partikel-Entfernungsraten sind zumindest so gut wie diejenigen,
die bei Verwendung des einfachen Propeller-Designs erzielt werden.