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1. Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft metallurgische Verfahren und Vorrichtungen,
insbesondere metallurgische Verfahren und Vorrichtungen, in denen
Metallspäne
in einem Metallschmelzewirbel geschmolzen werden, der durch eine
mit Inertgasblasen betriebene Metallschmelzenpumpe beschickt wird.
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2. Technischer Hintergrund
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Meine
folgenden US-Patente offenbaren verschiedene Vorrichtungen und Prozesse
betreffend die Einleitung der Metallspäne in den Ladeschacht eines
Metallschmelzofens und den Transport der Metallschmelze von einem
zum anderen Ort innerhalb des Metallschmelzofens oder aus diesem
heraus.
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Die
US 4,710,126 offenbart ein
Verfahren zur Herstellung von trockenen Metallspäne. Dieses Verfahren beinhaltet
ein Mitreißen
von Flüssigkeit
enthaltender Metallspäne
in einem Gas, ein Einführen dieses
Gases in einen Zyklonabscheider mit einer inneren Wand, die durch
Verbrennung in einer umgreifenden Kammer auf eine flüssigkeitsverdampfende Temperatur
erhitzt ist, ein Abführen
und Verdampfen der Flüssigkeit
von den Späne,
ein Absaugen heißer Gase
und Abführen
der getrockneten Metallspäne aus
dem Abscheider, ein Führen
der heißen
gasförmigen
Verbrennungsprodukte aus der Brennkammer zu einer kontinuierlichen
Zentrifuge, ein Entnahme von entnehmbarer Flüssigkeit aus den Ausgangsmetallspäne in der
Zentrifuge, ein Mitreißen
der Späne in
den heißen
gasförmigen
Verbrennungsprodukten, die in die Zentrifuge eingeleitet worden
sind, und ein Leiten der gasförmigen
Produkte mit den mitgerissenen Späne von der kontinuierlichen
Zentrifuge zu dem Zyklonabscheider, wodurch ein im Wesentlichen geschlossenes
System gebildet wird. Die Brennkammer kann Teil eines Nachbrenn ofens
sein und die heißen
Gase, welche verdampftes Öl,
das aus dem Zyklonabscheider ausgeschieden wird, mitreißen, kann
recycelt und als Brennstoff für
die Brennkammer verwendet werden.
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Die
US 4,721,457 offenbart ein
Verfahren zur Herstellung getrockneter und gereinigter Metallspäne durch
Mitreißen
der Metallspäne
in einem Gas, Einführen
des Gases in einen Zyklonabscheider mit einer Wand, die durch eine
in einer umgreifenden Kammer stattfindenden Verbrennung auf flüssigkeitsverdampfende
Temperatur erhitzt ist, Abführen
der Flüssigkeit
von den Spänen,
Fortführen
der heißen
Gase und der getrockneten Metallspäne aus dem Abscheider, Leiten
der heißen
gasförmigen
Verbrennungsprodukte aus der Brennkammer in einer kontinuierliche
Zentrifuge, Entnehmen entnehmbarer Füssigkeit von den Ausgangsmetallspäne in der
Zentrifuge, welche zuvor ungereinigt und/oder ungewaschen sein können, Mitreißen der
Späne in
den heißen
gasförmigen
Verbrennungsprodukten, welche in die Zentrifuge eingeführt werden,
und Leiten der gasförmigen Produkte
mit den mitgerissenen Späne
von der kontinuierlichen Zentrifuge zu dem Zyklonabscheider, wodurch
ein im Wesentlichen geschlossenes System geschaffen ist. Die Brennkammer
kann Teil eines Nachbrennofens sein, und die heißen Gase, welche verdampftes Öl, das aus
dem Zyklonabscheider abgeleitet wird, können recycelt und als Brennstoff
für die
Brennkammer verwendet werden. In dem System ist eine Vorkehrung
für heißes Wasser
und/oder Dampf aus entweder einer externen Quelle oder aus einem
Wassermantel um den Zyklonabscheider, vorzugsweise zusammen mit
einem Lösungsmittel und/oder
einem Waschmittel, und für
einen letztendlichen Schritt der Chiptrocknung vorgesehen, wobei das
Trocknen durch Verwendung der Verbrennungsprodukte geschieht, welche
wieder zurück
zur kontinuierlichen Zentrifuge geführt werden.
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Die
US 4,872,907 offenbart eine
Vorrichtung und ein Verfahren zum Beschicken von Metallspänen in ein
Schmelzbad eines Metalls, aus denen die Späne sind, wobei die Vorrichtung
einen verdichtenden Extruder und eine Zuführleitung umfasst, welche gegenüber der
Masse des geschmolzenen Metalls beständig ist und welche drehbar
gelagert ist, um in das Metallschmelzebad hineinzutauchen, wenn
die Späne
darin gefördert
werden und die mit dem Bad nicht in Kontakt steht, wenn die Förderung
unterbrochen werden soll. Die Späne
werden durch die Zuführleitung
in Form einer verdichteten Masse mit vorzugsweise einer Dichte zwischen
30 und 60% der Dichte des festen Metalls und vorzugsweise zwischen
55 und 80 Pfund/feet
3 gedrückt. Die
Zuführung
wird beibehalten, solange die Zuführleitung sich in dem Metallschmelzebad
befindet und bis sie daraus entfernt wird, um einen Eintritt der
Metallschmelze in die Zuführleitung
zu verhindern. Dieses Verfahren wird vorzugsweise auf einer kontinuierlichen
Basis durchgeführt
und verschiedene Sensoren mit entsprechender Schaltung können aus
Sicherheitsgründen
und zum Zwecke, das Verfahren im Wesentlichen automatisch ablaufen
zu lassen, eingesetzt werden.
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Die
US 5,203,910 offenbart ein
Verfahren zum Transport von geschmolzenem Metall von einem zu einem
anderen Ort, in einem Hochtemperatur-Metallschmelzbad in einem Metallschmelzofen oder
aus Metallschmelzbad heraus, wobei eine wenigstens teilweise geneigte
längliche
Transportleitung und Gaszuführmittel
zum Einspeisen von Inertgas in das untere Ende der Transportleitung
und dadurch zum Induzieren eine Flusses des geschmolzenen Metalls
in und durch die Transportleitung zusammen mit anderen geeigneten
Vorrichtungen zum Durchführen
dieses Verfahrens eingesetzt werden, wobei die Teile oder Elemente,
die mit dem Hochtemperatur-Metallschmelzbad in Kontakt treten, aus
einem geeigneten hitzebeständigen
Material sind.
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US 5,211,744 offenbart ein
Verfahren zur Verwertung von Metallspänen, vorzugsweise von Abfallmetallspänen, vornehmlich
Messing und Aluminium, zur Einleitung der Metallspäne in ein
Bad eines geschmolzenen Metalls, aus dem die Späne sind oder die eine Legierung
davon bilden. Das Verfahren erlaubt eine Minimierung der Brennstoffkosten,
der Wärmeverluste
und einer minimalen Reaktion des Metalls an der Oberfläche des
Metallschmelzbads zu Metalloxid und ermöglicht einen Anstieg der Ausbeute
von nutzbarem Metall aus dem Betrieb des Wiedereinschmelzens und
des Recyclings, indem eine nicht oxidierende Atmosphäre an der
Oberfläche
des Bads für
das geschmolzene Metall geschaffen wird und in der optional verdampfte
Restverunreinigungen aus den recycelten Spänen wie Öl, Lack oder eine ähnliche
verdampfbare Verunreinigung verwendet werden, um die Beibehaltung
der nicht oxidierenden Atmosphäre
zu unterstützen.
Die Abspaltung von Schritten zur Beseitigung von Verunreinigungen,
die zuvor für
die Vorbereitung der Späne
zum Recyceln durch die Einleitung in solch ein Metallschmelzbecken
notwendig sind, wird beseitigt. Die Umweltbelastung durch verdampfbare
Fremdstoffe, Rauch und Zerfallprodukten bei deren Verbrennung wird
zudem einfach und im Wesentlichen gleichmäßig reduziert.
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Die
US 5,395,424 offenbart ein
Verfahren zum Transport von geschmolzenem Metall von einem zu einem
anderen Ort, in ein Hochtemperatur-Metallschmelzbad in einem Metallschmelzofen oder
aus Metallschmelzbad hinaus, wobei eine wenigstens teilweise geneigte
längliche
Transportleitung und Gaszuführmittel
zum Zuführen
von Inertgas in das untere Ende der Förderleitung eingesetzt werden.
Ein Fluss von geschmolzenem Metall in und durch die Transportleitung
ist zusammen mit passenden Vorrichtungen zum Durchführen des
Verfahrens offenbart, wobei die Teile oder Elemente, die mit dem Hochtemperatur-Metallschmelzbad
in Kontakt kommen, aus einem geeigneten hitzebeständigen Material
sind. Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine intermittierende oder pulsierende Inertgaszuführung verwendet,
um im Wesentlichen kugelförmige oder
zylindrische Blasen innerhalb der Transportleitung zu produzieren,
was zu einer größeren Effizienz und
Wirtschaftlichkeit führt,
weil die Möglichkeit
gegeben ist, die Menge des eingesetzten Inertgases zu reduzieren,
die für
den Fluss einer identischen Menge geschmolzenen Metalls notwendig
ist.
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Die
US 5,407,462 offenbart eine
Beschickungsvorrichtung zur Schwerkraftbeschickung eines Ofens mit
einer vertikal ausgerichteten länglichen
Hohlleitung, welche mit einer offenen hitzebeständigen Abdeckung für den Beschickungsschacht verbunden
ist, welche ausgelegt ist, im Wesentlichen in Kontakt zu sein mit
einer Oberfläche
eines Metallschmelzbades in dem Beschickungsschacht eines Metallschmelzofens.
Zerkleinertes Altmetall, welches in die Leitung gegeben wird, sammelt
sich über
der Oberfläche
des Metallschmelzbades, da die Bodenöffnung der Leitung mit der Öffnung der
Abdeckung des Beschickungsschachtes in Verbindung steht und ermöglicht,
dass das Altmetall aufgrund Schwerkraft direkt in die Metallschmelze
im Beschickungsschacht fällt.
Wenn das Gewicht der Altmetallsäule
größer ist als
der Widerstand der Oberfläche
des Metallschmelzbades, drückt
das Gewicht des gesammelten Altmetalls dieses aufgrund Schwerkraft
in die Metallschmelzemasse, in der es schmilzt und dort aufgeht.
Die Verwendung dieses Verfahrens und der Beschickung dieser Erfindung
ermöglicht
die gesteuerte Einleitung von Altmetall durch Mengenfluss und Schwerkraftbeschickung
direkt in und unterhalb der Oberfläche des Bads der Metallschmelze
und umgeht zahlreiche Nachteile und Unannehmlichkeiten früherer Verfahren.
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Die
US 5,468,280 offenbart ein
Verfahren zum Transport von geschmolzenem Metall von einem zu einem
anderen Ort in einem Hochtemperatur-Metallschmelzbad in einem Metallschmelzofen oder
aus diesem Metallschmelzbad heraus. Eine wenigstens teilweise geneigte
längliche
Beschickungsleitung und Gasbeschickungsmittel für die Beschickung von Inertgas
in das untere Ende der Beschickungsleitung werden eingesetzt. Ein
Fluss des geschmolzenen Metalls wird dabei in und durch die Beschickungsleitung
herbeigeführt.
Daneben werden noch weitere geeignete Vorrichtungen zur Durchführung dieses
Verfahrens offenbart, wobei Teile oder Elemente, die mit dem Hochtemperatur-Metallschmelzbad
in Kontakt kommen, aus einem geeigneten hitzebeständigen Material
sind. Das Inertgas wird mit Ultraschallgeschwindigkeit in die Beschickungsleitung
eingeführt,
wodurch gleichzeitig eine Entgasung des geschmolzenen Metalls und
dessen Transport stattfinden.
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Die
US 5,735,935 offenbart eine
mit Inertgasblasen betriebene Metallschmelzenpumpe, welche in einem
Metallschmelzofen angeordnet ist, um eine Zirkulation des geschmolzenen
Metalls im ganzen Ofen zu erzeugen. Das Inertgas, das zum Betrieb
der Metallschmelzenpumpe eingesetzt wird, wird unter einer hitzebeständigen und
feuerbeständigen
Abdeckung gehalten, welche über
der Ausgangsöffnung
der Pumpe und über
wesentliche Teile des geschmolzenen Metalls angeordnet ist, um dadurch
ein Plantschen, Spritzen und ein Aufbrechen einer dünnen Schutzschicht
eines oxidierten Metalls an der Oberfläche des geschmolzenen Metalls
zu verhindern sowie um eine nicht oxidierende Atmosphäre an der
Oberfläche
des geschmolzenen Metalls unterhalb der Abdeckung zu schaffen. Auf
diese Weise wird das Inertgas effizient und wirtschaftlich eingesetzt.
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Die
US 5,853,454 offenbart eine
Beschickungsvorrichtung zur Schwerkraftbeschickung eines Ofens mit
einem Mengenfluss, wobei die Beschickungsvorrichtung eine Abdeckung
für einen
Beschickungsschacht mit einer Öffnung
und eine im Wesentlichen vertikale Leitung zur Ausbildung eines
im Wesentlichen vertikal verlaufenden Säule von Metallspänen oder
Metallabfall innerhalb oder über
der Öffnung
sowie einen Aufbau zur Positionierung sowohl der Abdeckung als auch
der Leitung über
einen Beschickungsschacht aufweist. Die Leitung lässt sich schnell
hoch und runter bewegen, um die Metallspäne oder den Metallabfall in
die Metallschmelze in den Beschickungsschacht zu drücken, auch
wenn die Schlackendicke an der Oberfläche der Metallschmelze beacht lich
ist, so dass die Vorrichtung und die entsprechenden Verfahren eine
Beschickung ermöglichen,
wenn die Schwerkraftbeschickung allein nicht ausreicht oder nicht
ausreichend schnell ist. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
weist die Leitung eine Innenfläche
auf, welche mit Mitnahmemitteln versehen ist, um eine nach unten
gerichtete Bewegung der Metallspäne
oder des Metallschrotts in die Metallschmelze in dem Beschickungsschacht
zu unterstützen,
wenn die Auf- und Abbewegung der Leitung stattfindet.
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Die
US 5,919,283 offenbart eine
mit Inertgasblasen betriebene Metallschmelzenpumpe, welche zwischen
einem Bereich eines Metallschmelzofens und einem zweiten Bereich
angeordnet ist, um geschmolzenes Metall von dem einen Bereich, in dem
das geschmolzene Metall eine höhere
Temperatur aufweist, in den zweiten Bereich, in dem das geschmolzene
Metall eine niedrigere Temperatur aufweist, zu pumpen, wobei der
Abfluss der Pumpe mit Metallspänen
in Kontakt kommt, welche in den zweiten Bereich gegeben werden,
wodurch ein schnelleres Schmelzen der Späne in der Metallschmelzmasse
des zweiten Bereiches unterstützt
wird. Das Inertgas, das eingesetzt wird, die Metallschmelzenpumpe zu
betreiben, wird unterhalb einer hitzebeständigen und feuerbeständigen Abdeckung
gehalten, welche über
der Ausgangsöffnung
der Pumpe und über
einem wesentlichen Teil der Masse des geschmolzenen Metalls in dem
zweiten Bereich angeordnet ist, wodurch eine nicht oxidierende Atmosphäre an der Oberfläche der
Masse des geschmolzenen Metalls oder des Schmelzbades unterhalb
der Abdeckung geschaffen wird. Auf diese Weise wird das Inertgas nicht
nur verwendet, die mit Inertgasblasen betriebene Metallschmelzenpumpe
zu betreiben, sondern auch ein schnelles Schmelzen der zugeführten Metallspäne zu unterstützen sowie
eine nicht oxidierende Atmosphäre
an der Oberfläche
des geschmolzenen Metalls zu schaffen.
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Die
US 5,984,999 offenbart eine
Anordnung, in der der Wirbelschacht eines Metallschmelzofens mit
einem inneren Hohlraum mit in der Draufsicht kreisförmigem Querschnitt
ausgestattet ist, vorzugsweise mit einem zylindrischen oder kegelförmigen Hohlraum,
und der mit einer Umfangsausgangsöffnung versehen ist, welche
bezogen auf den Hohlraum tangential auf einem unteren Niveau des
Hohlraums als Ausgang für
geschmolzenes Metall in die Hauptkammer des Ofens angeordnet ist.
Eine mit Inertgasblasen betriebene Metallschmelzenpumpe fördert geschmolzenes
Metall aus einer heißeren
Zone des Ofens, vorzugsweise direkt aus der Hauptkammer, und weist
eine Ausgangsöffnung
auf, die tangential zum Umfang des Hohlraums auf einem höheren Niveau
des Hohlraums angeordnet ist, wodurch darin ein Wirbelfluss des
geschmolzenen Metalls erzeugt wird und eine Zirkulation der heißeren Metallschmelze
durch den ganzen Ofen erfolgt. Eine Flüssigkeitssäule des geschmolzenen Metalls
kann in dem Wirbelschacht entstehen, welcher vorzugsweise eine Ausgangsöffnung mit
begrenzter Innenquerschnittsfläche
aufweist, um bei der Erreichung dieser Ziele zu unterstützen. Eine
hitze- und feuerbeständige
Abdeckung kann über
dem Hohlraum angeordnet sein und vorzugsweise eine Öffnung zum
Befüllen von
Metallspänen
oder Metallschrott aufweisen. Eine schwerkraftgetriebene Beschickungsvorrichtung
für Späne kann
auf die Öffnung
zur Einleitung neuer Metallspäne
oder von Metallschrott durch die Öffnung in den Hohlraum aufgesetzt
sein.
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Die
US 6,068,812 offenbart eine
mit Inertgasblasen betriebene Metallschmelzenpumpe für die Bewegung
der Metallschmelze in einem Metallschmelzbad, was die Notwendigkeit
einer hitzebeständigen
und feuerbeständigen
Abdeckung vermeidet, welche dem Spritzen und Plantschen an der Oberfläche des
Metallschmelzbades über
der Pumpe entgegenwirken soll, wobei die Pumpe Diffusionsmittel
für das
Inertgas an deren oberen Ende umfasst, und wobei die Diffusionsmittel
eine Fläche
mit einer Vielzahl von kleinen nach oben gerichteten Öffnungen
zum Aufbrechen großer
Blasen und zur nach oben gerichteter Diffusion kleiner Blasen des
Inertgases aufweist. Die Pumpe beinhaltet einen hitzebeständigen Block,
welcher eine Beschickungsleitung, welche vorzugsweise sich in ihrer
Breite erstreckt, und einen Spreizhohlraum umfasst, der sowohl mit einem
Durchgang in dem Block zum Anschluss einer Quelle für das Inertgas
als auch mit einem unteren Ende der Beschickungsleitung in Wirkverbindung steht.
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Meine
oben genannten Patente werden durch Bezugnahme hiermit mit einbezogen.
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Der
Zweck zur Schaffung eines Wirbels in dem Wirbelschacht besteht darin,
dass die kleinen Metallpartikel schnell untertauchen, deren Masse
andererseits nicht ausreichen würde,
dass die Partikel die Oberflächenspannung
des Metallschmelzbades durchbrechen, was einen wesentlichen Anstieg
des Anteils an Metallverlust aufgrund Oxidation verursacht. Es ist
jedoch herausgefunden worden, dass weitere Schritte un ternommen
werden müssen,
die Oxidation zu reduzieren, insbesondere dann, wenn vergleichsweise
teuere Metalle wie Aluminium eingesetzt werden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, Mittel für die weitere
Reduzierung eines Metallverlustes aufgrund Oxidation in einem Wirbelschmelzbad bereitzustellen.
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Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Weg der
Integration des Zirkulierens von geschmolzenem Metall und des Eintauchens
der Metallspäne
in den Metallschmelzewirbel zu schaffen, um einen schnellen Ausgleich
eines möglichen Temperaturabfalls
zu ermöglichen,
der aus der Einleitung von kalten Spänen herrühren kann.
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Es
ist auch ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, Mittel zum
effektiven Verbrennen volatiler Kohlenwasserstoffe bereitzustellen,
welche gegeben sein können,
wenn Metallspäne
geschmolzen werden.
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Diese
und andere Ziele werden durch die vorliegende Erfindung erreicht,
welche durch die beiliegenden Ansprüche definiert wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung wird mit Hilfe der beiliegenden Zeichnung
weiter beschrieben, in der
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1 ein
vertikaler Querschnitt einer Metallschmelzenpumpe und eines Ofens
ist, der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung umfasst;
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2 ein
perspektivisches Schnittbild der Hauptkammer für geschmolzenes Metall, eines
Zirkulationsschachts, eines Wirbelschachts und einer angrenzenden
Kammer für
die Metallschmelzenpumpe und des Ofens der 1 ist;
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3 ein
Schnitt entlang der Linie 3-3 der 2 ist;
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4 eine
Teilendansicht der Metallschmelzenpumpe und des Ofens, dargestellt
von der Linie 4-4 in 1;
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5 ein
Schnitt entlang der Linie 5-5 in 1 ist;
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6 eine
von der Linie 6-6 vorgenommene Endansicht der in 1 dargestellten
Metallschmelzenpumpe und des Ofens;
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7 eine
Detailansicht der Fläche 7 in 1 ist;
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8 ein
Schnitt entlang der Linie 8-8 in 1 ist;
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9 eine
von der Linie 9-9 in 7 ausgehende Teildraufsicht
des Schachtblocks und des Endblocks ist;
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10 ein
vertikaler Schnitt gemäß 1 ist,
bei dem die Zuführleitung
und die Abdeckung für den
Wirbelschacht sich in erhöhten
Positionen befinden;
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11 eine
Detailansicht gemäß 7 ist, in
der die Zuführleitung
und die Abdeckung für
den Wirbelschacht sich in einer mittleren erhöhten Position befinden, bei
der sie noch den Wirbelschacht abdecken;
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12 eine
von der Linie 12-12 in 11 vorgenommene Draufsicht des
Wirbelschachtblocks und des Teils des Endblocks ist, in der eine
andere Abdeckung für
den Wirbelschacht gezeigt wird;
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13 eine
detaillierte Querschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels
der Metallschmelzenpumpe und des Ofens gemäß der vorliegenden Erfindung
ist, bei dem der Auslass der Metallschmelzenpumpe wenigstens zum
Teil über
dem höchsten
Flüssigkeitsstand
der Metallschmelze im Wirbelschacht angeordnet ist; und
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14 eine
detaillierte Querschnittsansicht eines dritten Ausführungsbeispiels
der Metallschmelzenpumpe und des Ofens gemäß der vorliegenden Erfindung
ist, bei dem der Auslass der Metallschmelzenpumpe vollständig über dem
Flüssigkeitsstand der
Metallschmelze im Wirbelschacht angeordnet ist
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Detaillierte Beschreibung
bevorzugter Ausführungsbeispiele
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In
den 1 bis 9 wird ein in seiner Gesamtheit
mit 10 bezeichneter Ofen dargestellt, der eine Bodenwand 12,
Seitenwände 14 und 16,
eine Vorderwand 18 und eine Rückwand 19 aufweist.
Der Ofen 10 weist des Weiteren eine mittlere Querwand 20 auf,
die mit anderen Wänden
eine Hauptkammer 22 definiert. Gewöhnliche mit fossilen Brennstoffen betriebene
Brenner (nicht dargestellt) werden eingesetzt, um das Metallschmelzbad 24 in
der Hauptkammer aufrechtzuerhalten. Die Hauptkammer 22 weist des
Weiteren eine in Teilen dargestellte Abdeckung 26 auf.
Benachbart zur Hauptkammer 22 ist eine Zirkulationskammer 28 vorgesehen,
die ebenso ein Metallschmelzbad 30 aufweist, wobei die
Zirkulationskammer 28 mit der Hauptkammer 22 durch
einen Kanal 32 verbunden ist. Das geschmolzene Metall kann Aluminium,
Magnesium, Zink, Kupfer, Messing oder Stahl sein. In der Nähe der Zirkulationskammer 28 ist eine
in ihrer Gesamtheit mit 34 bezeichnete Metallschmelzenpumpe
vorgesehen, welche einen Endblock 36 umfasst. Benachbart
zu diesem Endblock 36 ist ein Schachtblock 38 vorgesehen.
Der Schachtblock 38 ist vorzugsweise ein separater und
austauschbarer Block aus hitzebeständigem Material. Es würde alternativ
möglich
sein, den Endblock 36 und den Schachtblock 38 als
eine Einheit auszubilden. In dem Endblock 36 ist ein Endblockvorsprung 40 vorgesehen,
der in eine Vertiefung 42 des Schachtblocks 38 greift.
Zwischen dem Endblock 36 und dem Schachtblock 38 ist
ein vertikaler Spalt 44 vorgesehen. Wie der 7 entnommen
werden kann, gibt es in dem Endblock 36 einen vertikalen
Kanal 46, der eine untere Öffnung 48 und einen
mittleren Auslass 50 aufweist. Eine Inertgasleitung 52 erstreckt
sich von einem Tank 54, der Stickstoff, Argon oder ein
anderes Inertgas beinhaltet, zur Regeleinheit 56 und dann
zu einem Inertgasauslass 58 in den Kanal 46. In
der Nähe
des mittleren Auslasses 50 des vertikalen Kanals 46 ist
eine Dichtung 60 an der Stelle vorgesehen, an der der vertikale
Kanal 46 mit einem horizontalen Kanal 64 im Schachtblock 38 verbunden ist.
Der horizontale Kanal 64 weist eine Öffnung 66 und einen
Auslass 68 auf und kann in der Nähe einer Plat te 70 mit
einer Vielzahl von mit dem Bezugszeichen 72 bezeichneten Öffnungen
angeordnet sein. Wie in einer herkömmlichen Metallschmelzenpumpe so
auch in der Metallschmelzenpumpe 34, gibt es eine Vielzahl
von Inertgasblasen 74, 76 und 78 in dem
vertikalen Kanal 46 und in dem horizontalen Kanal 64.
Die Blasen 74, 76 und 78 steigen durch
die Kanäle 46, 64 auf,
wobei sie mit 80 und 82 bezeichnete Metallmassen
von der Zirkulationskammer 28 zum Wirbelschacht (allgemein
mit 84 bezeichnet) transportieren. Oberhalb der Platte 70 ist
eine Aussparung 86 im Schachtblock 38 zum Sammeln
des Inertgases vorgesehen. Der Wirbelschacht 84 weist einen
oberen Bereich 88, einen mittleren Bereich 90 und
einen unteren Bereich 92 mit einer umlaufenden Ummantelung 94 auf.
An dem Boden des unteren Bereiches 92 ist ein unterer Auslass 96 vorgesehen, der
mit einer Bodenaussparung 90 im Schachtblock 38 verbunden
ist. Ein horizontaler Kanal 100 erstreckt sich zu einem
Zwischenschacht 102. In diesem Zwischenschacht 102 ist
ein weiteres Metallschmelzbad 104 vorgesehen, das zurück zur Hauptkammer 22 durch
einen Kanal 106 zirkuliert. Über dem Wirbelschacht 84 ist
eine hitzebeständige
Abdeckung 108 vorgesehen. Andere geeignete Abschirmmittel
für den
Wirbelschacht wie beispielsweise eine sich nach oben erstreckende
Verlängerung
des Wirbelschachts, wie in 7 mit 109 bezeichnet,
können
die Abdeckung 108 ersetzen. Die Abdeckung 108 ist
mit einem Sensor 110 ausgestattet, der über einem Metallschmelzewirbel 112 im
Wirbelschacht 84 angeordnet ist. Der Sensor 110 erfasst
den Flüssigkeitsstand 400 des
Metallschmelzewirbels 112, um ein Überfüllen des Ofens 10 zu
vermeiden. Zwischen der Abdeckung 108 und dem Metallschmelzewirbel 112 ist
eine Inertgasatmosphäre
oder eine Inertgasdecke 114 vorgesehen, welche kontinuierlich oder
intermittierend durch Inertgas aus den Inertgasblasen in der Metallschmelzenpumpe 34 aufgefüllt wird.
Diese Blasen gelangen in die Aussparung 86 durch Öffnungen 72 in
der Platte 70. Zwischen der Abdeckung 108 und
dem Schachtblock 38 ist ein Umfangsspalt 116 vorgesehen,
durch den sich Verbrennungszonen 118 ausbilden können, so
dass es möglich
ist, dass Öle,
Farben, Lacke sowie andere volatile Kohlenwasserstoffe von unterhalb
der Abdeckung 108 her austreten und verbrannt werden können. Es wird
darauf hingewiesen, dass durch diesen Umfangsspalt 116 Inertgas
aus der Inertgasatmosphäre oder
der Inertgasdecke 114 als zusätzliches Inertgas entweichen
kann, welches zu diesem Spalt hinzugefügt wird. Die Schachtabdeckung 108 weist
einen genügend
großen
Spalt um deren Umfang auf, damit Öl, Farben, Lack und Stickstoff
sowie andere volatile Kohlenwasserstoffe, welche in den Metallschmelzstrom
oder in das Alteisenzuführmaterial
hineingetragen worden sind, von unterhalb der Abde ckung her entweichen
kann. Die hitzebeständige
Abdeckung 108 kann in ihrer Höhe eingestellt werden, normalerweise
ist sie aber in einem Abstand von wenigen Zentimetern (Inches) oberhalb
des Flüssigkeitsstands 400 des
Metallschmelzbads zum Abschirmen des wiederauffüllenden Zuflusses des Inertgases vorgesehen.
Wie in 1 zu erkennen, ist über der Verbrennungszone 118 eine
Rauchauffanghaube 120 mit Lufteinlässen 124 und 126 mit
entsprechenden Schließklappen 128 und 130 vorgesehen.
Von der Rauchauffanghaube 120 führt eine Leitung 132 zu
einem Schornstein oder zu einer Partikelsammelstelle (nicht dargestellt).
Von oben nach unten erstreckt sich durch die Rauchauffanghaube 120 eine Alteisenzuführleitung 134,
in der Alteisen wie Metallspäne 136 in
den Metallschmelzewirbel 112 im Wirbelschacht 84 eingespeist
werden. Es wird darauf hingewiesen, dass Metallschrott durch Metallspäne ersetzt
werden kann und daher zum Zwecke der Offenbarung der Begriff „Metallspäne" sowohl Metallspäne als auch
Metallschrott einschließen
soll. Die Metallspäne 136 werden
vorzugsweise tangential in den Metallschmelzewirbel 112 in
der Nähe
des Umfangs des Wirbelschachts 84 eingespeist. Die Zuführleitung 134 ist
mit Hilfe eines Flansches 138 an der Abdeckung 108 befestigt.
An ihrem oberen Ende nimmt die Zuführleitung 130 die
Metallspäne
aus einem Trichter 140 auf, der wiederum von einem Schraubenförderer 142 gespeist
wird, der Metallspäne
in einer Zuführöffnung 144 aufnimmt.
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Wie
der 10 entnommen werden kann, kann die Zuführleitung 134 und
die Abdeckung 108 nach oben hin von dem Wirbelschacht 84 durch
bekannte herkömmliche
Mittel abgezogen werden.
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Der 11 kann
entnommen werden, dass die Zuführleitung 134 in
ihrer Höhe
so eingestellt werden kann, dass die Abdeckung 108 ungefähr am oberen
Ende des Wirbelschachts 84 sich befindet. Dadurch kann
die Höhe
der Inertgasdecke 114 eingestellt werden.
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In 12 wird
ein anderes Ausführungsbeispiel
für die
Abdeckung gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Schachtblock 146 sowie
ein abgeschnittener Teil des Endblocks 148 gezeigt. Ein vertikaler
Spalt 150 ist zwischen dem Schachtblock 146 und
dem Endblock 148 angeordnet. Die andere Abdeckung 152 ist
an dem oberen Ende des Schachtblocks 146 durch radiale
Umfangshalter 154, 156, 148 und 160 positioniert.
Zwischen der Abdeckung 152 und dem Schachtblock 148 befinden
sich Umfangs spalte 162, 164, 166 und 168,
wobei sich über
diesen Umfangsspalten entsprechende Verbrennungszonen 170, 172, 174 und 176 ausbilden. Eine
Zuführleitung 180,
die mit der Abdeckung 152 durch eine Halterung 182 verbunden
ist, ermöglicht die
Zufuhr von Metallspänen
in den Metallschmelzewirbel 184.
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In 13 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel
der Metallschmelzenpumpe und des Ofens gemäß der vorliegenden Erfindung
gezeigt. Der grundsätzliche
Aufbau und die Funktion des Ofens entsprechen denen, die zuvor beschrieben
worden sind. Jedoch unterscheidet sich der Aufbau der Metallschmelzenpumpe
darin, dass der Auslass der Pumpe in den Wirbelschacht wenigstens
zum Teil gegenüber
dem geschmolzenen Metall im Wirbel 112 erhöht ist.
Eine allgemein mit 234 bezeichnete Metallschmelzenpumpe
ist in der Nähe
der Zirkulationskammer 28 angeordnet. Die Metallschmelzenpumpe 234 umfasst
einen Endblock 236 und einen Schachtblock 238.
Der Schachtblock 238 ist vorzugsweise ein separater und
austauschbarer Block aus hitzebeständigem Material. Es würde alternativ
möglich
sein, den Endblock 236 und den Schachtblock 238 als
Einheit auszubilden. Im Endblock 236 ist ein Endblockvorsprung 240 vorgesehen,
der mit einer Vertiefung 242 im Schachtblock 238 zusammenwirkt.
Der Endblock 236 weist einen vertikalen Kanal 246 auf,
der eine untere Öffnung 248 und
einen mittleren Auslass 250 aufweist. Eine Inertgasleitung 252 erstreckt
sich von einem Tank (nicht dargestellt), der Stickstoff, Argon oder
ein anderes Inertgas beinhaltet, in der gleichen wie oben beschriebenen
Weise. Die Gasleitung 252 endet an einem Auslass 58 im
Kanal 246. In der Nähe
des mittleren Auslasses 250 des vertikalen Kanals 246 ist
eine Dichtung 260 an einer Stelle vorgesehen, an der der
vertikale Kanal 246 mit dem horizontalen Kanal 264 im
Schachtblock 238 verbunden ist. Der horizontale Kanal 264 weist
eine Öffnung 266 und
einen Auslass 268 auf. Der Wirbelschacht 84 ist ausgelegt,
darin das geschmolzene Metall zu halten. Wenn sich die maximale
Menge des geschmolzenen Metalls im Wirbelschacht 84 befindet,
steigt die Metallschmelze bis zum einem maximalen Flüssigkeitsstand,
der durch einen Abstand D zur Bodenwand 12 des Ofens 10 angedeutet
ist. Für
den Fachmann ist es klar, dass unterschiedlich große Öfen unterschiedlich
große
Maximalmenge an geschmolzenem Metall in den Wirbelschacht dieses
Ofens mit seiner spezifischen Größe aufnehmen
können.
Diese unterschiedlich großen
Maximalmengen an geschmolzenem Metall werden alle bis zu einem unterschiedlich
großen Flüssigkeitsstand
für jede
Ofengröße ansteigen.
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Gemäß eines
der Hauptmerkmale der vorliegenden Erfindung erreicht der Kanal 264 den
Wirbelschacht 84 an einer Stelle, an der wenigstens ein
Teil des Auslasses 268 über
dem Flüssigkeitsstand
D für diesen
Ofen, beispielsweise wenigstens teilweise über dem Flüssigkeitsstand der maximalen
Menge an geschmolzenem Metall, die in dem Wirbelschacht 84 aufgenommen
werden kann. Vorzugsweise erreicht der Auslass 268 den
Wirbelschacht 84 an einer Stelle, an der wenigstens 50%
des Auslasses 268 über
dem Flüssigkeitsstand
D liegt, beispielsweise sind wenigstens 50% des Auslasses 268 über dem Flüssigkeitsstand
der maximalen Menge von geschmolzenem Metall erhöht angeordnet, das von dem
Wirbelschacht 84 aufgenommen werden kann. Der horizontale
Kanal 264 weist eine Längsmittellinie auf,
wobei diese Mittellinie vorzugsweise wenigstens 50% über dem
Flüssigkeitsstand
D liegt.
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Wie
in Metallschmelzenpumpen üblich,
so auch in der Metallschmelzenpumpe 234, gibt es eine Vielzahl
von Inertgasblasen 274, 276 und 278 im
vertikalen Kanal 246 und in dem horizontalen Kanal 264. Die
Blasen 174, 276 und 278 steigen in den
Kanälen 246, 264 auf,
um mit 279, 280 und 282 bezeichnete Metallmassen
von der Zirkulationskammer 28 zu dem Wirbelschacht 84 zu
transportieren. Durch Sicherstellung, dass der Auslass 268 wenigstens
zum Teil und vorzugsweise wenigstens 50% über dem maximalen Flüssigkeitsstand
D des geschmolzenen Metalls in dem Wirbelschacht 84 positioniert
ist, wird der Gegendruck, der durch das geschmolzene Metall in dem
Wirbelschacht 84 auf das Material im horizontalen Kanal 264 und
in dem vertikalen Kanal 246 wirkt, wesentlich reduziert.
Die Reduktion des Gegendrucks ermöglicht es, dass die Blasen 274, 276 und 278 und
damit auch die Metallmassen 279, 280 und 282 sich
einfacher durch die Kanäle 146 und 164 bewegen.
Dies erhöht
die Effizienz der Metallschmelzenpumpe 234. Wenn die Metallmasse 279 durch den
horizontalen Kanal 264 getrieben wird und beginnt, in den
Wirbel 112 zu fließen,
entsteht ein Spalt 281 zwischen der Innenwand des Kanals 264 und
der oberen Oberfläche 263 der
Metallmasse 279. Die Inertgasblase 274, die durch
den Kanal 246 wandert, wird in den Spalt 281 freigegeben,
wenn die Metallmasse 279 in den Wirbel 112 fließt, wobei
das Gas Teil der Inertgasdecke 114 wird.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass in dem zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung die Gasblasen 274, 276 und 278,
die sich durch die Metallschmel zenpumpe bewegen, direkt in die Inertgasdecke 114 freigegeben
werden, die zwischen der Oberfläche 209 der
Metallschmelze im Wirbel 112 und der Abdeckung 108 liegt.
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Ein
drittes Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in 14 dargestellt. Wie beim zweiten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung entsprechen der Aufbau und die Funktion des Ofens
denen der zuvor beschriebenen. Jedoch wird ein drittes Ausführungsbeispiel
der Metallschmelzenpumpe, die allgemein mit 334 bezeichnet
wird, bereitgestellt. Der grundsätzliche
Aufbau der Metallschmelzenpumpe 334 entspricht dem Aufbau
des zweiten Ausführungsbeispiel der
Erfindung mit der Ausnahme, dass der Auslass 368 des horizontalen
Kanals 364 vollständig über dem
Flüssigkeitsstand
der maximalen Menge des geschmolzenen Metalls liegt, das von dem
Wirbelschacht 84 aufgenommen werden kann. Der maximale
Flüssigkeitsstand,
den das geschmolzene Metall in dem Wirbelschacht 84 erreichen
kann, wird durch den Abstand E von der Bodenwand 12 des Ofens 10 angedeutet.
Wie zuvor schon ausgeführt, sollte
es klar sein, dass verschieden große Öfen verschieden große Mengen
an geschmolzenem Metall aufnehmen können und daher der Flüssigkeitsstand E
für unterschiedlich
große Öfen unterschiedlich groß ist. Der
Boden 368a des Auslasses 368 liegt vorzugsweise
mit einem Abstand F über
dem Maximalflüssigkeitsstand
E des geschmolzenen Metalls in dem Wirbelschacht 84. Eine
Gasblase 374, die sich durch den vertikalen Kanal 346 bewegt,
treibt eine Metallmasse 379 vor sich her. Wenn die Metallmasse 379 beginnt,
aus dem Auslass 368 in den Wirbel 112 zu fallen,
bildet sich ein Spalt 381 zwischen der Innenwand des horizontalen
Kanals 364 und der oberen Oberfläche 379a der Metallmasse 379.
Wenn die Metallmasse 379 in den Wirbel 112 fällt, verbindet sich
die Gasblase 374 mit den Gasen im Spalt 381 und
wird Teil der Decke 114. Der Aufbau der Metallschmelzenpumpe 334 reduziert
den Gegendruck, der durch das geschmolzene Metall in dem Wirbel 112 auf
das Material im horizontalen Kanal 364 und im vertikalen
Kanal 346 wirkt. Die Reduktion des Gegendrucks ermöglicht es,
dass die Blasen 374, 376 und 378 und
somit auch die Metallmassen 379, 380 und 382 sich
einfacher durch den horizontalen Kanal 364 und den vertikalen
Kanal 346 bewegen. Durch Sicherstellung, dass der Auslass 368 vollständig über dem
maximalen Flüssigkeitsstand
E des geschmolzenen Metalls im Wirbelschacht 84 angeordnet
ist, wird der Gegendruck, der durch das geschmolzene Metall im Wirbelschacht 84 auf
das Material im horizontalen Kanal 364 und im vertikalen
Kanal 346 wirkt, wesentlich reduziert oder eliminiert. Dies
wiederum steigert die Effizienz der Metallschmelzenpumpe und des
Ofens.
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Wie
dies auch der Fall beim zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung war, werden die Gasblasen 374, 376 und 378,
die sich durch die Metallschmelzenpumpe bewegen, direkt in die Decke 114 gegeben,
die zwischen der Oberfläche 309 des
geschmolzenen Metalls im Wirbel 112 und der Abdeckung 108 liegt.
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Der
Betrieb des Ofens wird unter Bezugnahme des ersten Ausführungsbeispiels
der Erfindung beschrieben, wobei für den Fachmann klar sein sollte,
dass alle drei Ausführungsbeispiele
der Erfindung im Wesentlichen in gleicher Weise funktionieren. Im Betrieb
der Metallschmelzenpumpe und des Ofens der vorliegenden Erfindung
werden Metallspäne 136 in
die Zuführöffnung 144 des
Förderers 142 gegeben. Der
Förderer 142 transportiert
die Metallspäne 136 zu
dem Trichter 140, von dem sie in die Zuführleitung 134 und
in den Wirbelschacht 84 fallen. Die Metallspäne 136 fallen
in den Metallschmelzewirbel 112. Zur gleichen Zeit wird
aus dem Tank 54 durch die Leitung 52 und die Regeleinheit 56 Stickstoff
oder ein anderes Inertgas befördert.
Das Gas bildet die mit 78 bezeichneten Blasen im vertikalen
Kanal 46 der Metallschmelzenpumpe 34. Diese Inertgasblasen
treiben Metallmassen 82 von dem Metallschmelzbad 30 in
der Zirkulationskammer 28 zu dem Metallschmelzewirbel 112 im
Wirbelschacht 84. Wenn diese Blasen, mit 74 bezeichnet,
in den horizontalen Kanal der Metallschmelzenpumpe 34 gelangen,
treten sie durch Öffnungen 72 in
der Platte 70, um in die Aussparung 86 zu gelangen.
Danach erreichen die Blasen den Wirbelschacht 84 zwischen
dem Metallschmelzewirbel 112 und der Abdeckung 108,
um die Inertgasatmosphäre
oder die Inertgasdecke 114 zu bilden. Alternativ kann die
Inertgasdecke durch nach oben hin sich erstreckende Wände des
Wirbelschachts 84 gehalten werden. Diese Inertgasdecke 114 reduziert
die Oxidation von Metallspänen,
die in den Metallschmelzewirbel 112 gelangen. Öl, Farben, Lacke
und andere volatile Kohlenwasserstoffe, die in Metallspänen vorkommen
können,
verflüchtigen
sich und treten durch den Umfangsspalt 116 (7)
zwischen der Abdeckung 108 und dem Schachtblock 38, um
in der Verbrennungszone 118 verbrannt zu werden. Die Metallspäne gelangen
mit dem Rest des Metallschmelzewirbels 112 auf einen nach
unten gerichteten spiralförmigen
Pfad zum Auslass 96, durch den mittleren Bereich 90 zum
unteren Bereich 92, durch den Auslass 96 in die
Bodenaussparung 98. Die Richtung des geschmolzenen Metalls
wird in einen seitlichen Fluss durch den horizontalen Kanal 100 in
einen Zwischenschacht 102 umgewandelt. Von dem Zwischenschacht 102 gelangt
das geschmolzene Metall in dem Metall schmelzbad 104 durch
den Kanal 106 in die Hauptkammer 22. Nach Erwärmung in
der Hauptkammer 22 tritt die Metallschmelze durch den Kanal 32 in
die Zirkulationskammer 28. Von dem Metallschmelzbad 30 in
der Zirkulationskammer 28 wird die Metallschmelze wieder durch
die Metallschmelzenpumpe 34 und zurück zum Wirbelschacht 84 gepumpt,
indem zusätzliche
Metallspäne
unter der Inertgasdecke 114 in der oben beschriebenen Weise
zugeführt
werden. Es wird darauf hingewiesen, dass es alternativ möglich ist,
aus dem zur Zirkulationskammer 28 angrenzenden Kanal Metallschmelze
in den Wirbelschacht abzuzweigen. Aus Gründen der Offenbarung soll das
Abziehen von Metallschmelze von der Zirkulationskammer zum Wirbelschacht
daher auch das Ausführungsbeispiel
umfassen, bei dem die Metallschmelze von dem benachbarten Kanal 32 abgezweigt
wird.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass eine Metallschmelzenpumpe und ein
Ofen und ein Verfahren für
deren Betrieb beschrieben worden ist, bei der die Oxidation der
Metallspäne,
die den Metallschmelzewirbel erreichen, wesentlich reduziert wird.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung eine Kombination
des Zirkulierens der Metallschmelze in einem mit fossilen Brennstoffen
betriebenen Flammofen und des Eintauchens der Metallspäne in eine
Schachtkammer mit offener Seite ermöglicht, wodurch das geschmolzene
Ausgangsmaterial schnell zurück
in die Hauptkammer des Ofens zirkuliert. Ein möglicher Temperaturverlust aufgrund
des Einleitens der kalten Späne
kann schnell durch die Brenner ausgeglichen werden, die in der geschlossenen
Hauptkammer des Ofens angeordnet sind.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung sich auch
zum Schmelzen von Materialien wie gebrauchte Getränkedosen
(UBC) mit wesentlich verbesserter Schmelzausbeute eignet, ohne dass
zuvor ein Entlacken der UBC vor dem Schmelzprozess notwendig ist.
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In
der vorangegangenen Beschreibung sind gewisse Begriffe zum Zwecke
der Kürze,
der Klarheit und des Verständnisses
verwendet worden. Eine unnötige
Einschränkung über die
Maßgabe
des Standes der Technik hinaus soll daher nicht unterstellt werden,
weil diese Begriffe nur zum Zwecke der Beschreibung gebraucht werden
und breit ausgelegt werden sollen.
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Des
Weiteren ist die Beschreibung und Darstellung der Erfindung ein
Beispiel und die Erfindung nicht durch die exakten Einzelheiten
begrenzt, die gezeigt und beschrieben worden sind, sondern die Erfindung
wird durch den Umfang der beiliegenden Ansprüche definiert.