DE60308064T2

DE60308064T2 - Rotor-rührvorrichtung zur behandlung von metallschmelze

Info

Publication number: DE60308064T2
Application number: DE60308064T
Authority: DE
Inventors: Dirk Schmeisser
Original assignee: Foseco International Ltd
Current assignee: Foseco International Ltd
Priority date: 2002-12-21
Filing date: 2003-12-17
Publication date: 2007-04-12
Anticipated expiration: 2023-12-18
Also published as: US20090071294A1; MXPA05006559A; AU2003295124A1; ATE338147T1; JP2006511705A; GB0229871D0; PT1573077E; CA2511435A1; DE60308064D1; ES2271678T3; CN1754005A; WO2004057045A1; CN100342043C; DK1573077T3; US7669739B2; GB2396310A; EP1573077B1; CA2511435C; AU2003295124B2; EP1573077A1

Description

Die Erfindung betrifft eine rotierende Vorrichtung zur Behandlung einer Metallschmelze.
Es ist bekannt, daß die Gegenwart von gelöstem Gas in einer Metallschmelze Defekte in dem erstarrten Produkt hervorrufen kann. Zum Beispiel entstehen durch eine Porosität, die von der Gegenwart von Wasserstoffgas herrührt, Defekte in Gußstücken und Halbzeugen, die aus Aluminium oder seinen Legierungen hergestellt werden. Beispielsweise kann Wasserstoffgas, das in Poren und Lockerstellen im Gefüge (zum Beispiel Oxideinschlüsse) eindringt, während der Produktion von Aluminiumgrob- und -feinblech und Aluminiumband zur Blasenbildung führen. Andere Defekte, wie z. B. Porosität in Gußstücken, können mit der Gegenwart von Wasserstoffgas verbunden sein.
Es ist normale Praxis, schmelzflüssiges Aluminium und seine Legierungen zu behandeln, um Wasserstoff und feste Verunreinigungen durch Spülen mit einem Gas, wie z. B. Chlor, Argon, Stickstoff oder einem Gemisch dieser Gase, zu entfernen, wobei das Verfahren gewöhnlich als "Entgasen" bezeichnet wird. Eine Möglichkeit, das Entgasen durchzuführen, ist die Verwendung einer Hohlwelle, an der ein Rotor befestigt ist. Im Gebrauch werden die Welle und der Rotor in Drehung versetzt, und durch die Welle wird Gas eingeleitet und durch den Rotor in der Metallschmelze dispergiert. Ein Beispiel einer derartigen Baugruppe wird in EP-0 332 292 beschrieben (deren gesamte Offenbarung hier durch Verweis einbezogen wird) und in 1a dargestellt. Der Rotor 2 weist eine Anzahl von Kammern C mit jeweils einem Einlaß 9 und einem Auslaß 10 auf, wobei benachbarte Kammern durch Schaufeln 11 voneinander getrennt sind. Der Rotor ist dadurch gekennzeichnet, daß er eine offene Kammer M in seinem Fuß aufweist und Auslässe aufweist, die größer als die Einlässe sind. Der Rotor ist über ein röhrenförmiges Verbindungsstück mit einer Hohlwelle verbunden.
Ein weiterer Rotor nach dem Stand der Technik ist in 1b dargestellt. In diesem Fall sind eine Anzahl paralleler, halbkreisförmiger Kanäle oder Nuten in der Zylinderumfangsfläche des Rotors vorgesehen. Die Kanäle erstrecken sich diagonal vom Kopf des Rotors abwärts zu seinem Fuß. Im Gebrauch fließt Gas durch eine Bohrung, die vertikal durch die Mitte des Rotors geht, und tritt am Fuß des Rotors aus, bevor es beim Aufsteigen des Gases durch den sich drehenden Rotor dispergiert wird.
EP-0 183 402 offenbart eine rotierende Vorrichtung zum Dispergieren eines Gases in einer Metallschmelze, die eine Hohlwelle und einen an der Welle fest angebrachten Rotor aufweist. Der Rotor ist hohl und durch mehrere von der Welle ausgehende Schaufeln in mehrere Kammern unterteilt. Der Rotor weist mindestens eine Öffnung in seiner Umfangsfläche und mindestens eine Öffnung in seinem Kopf oder Boden auf. Im Gebrauch tritt schmelzflüssiges Metall durch die Öffnung im Kopf oder Boden in die Kammern ein und fließt durch die Umfangsöffnung nach außen. Außerdem ist ein Kanal von dem hohlen Inneren der Welle zu jeder Kammer vorgesehen, um den Durchfluß von Gas aus der Welle in die Kammern zu ermöglichen. Das Gas und die Metallschmelze werden innerhalb des Rotors miteinander vermischt, wobei das Gas beim Austritt aus dem Rotor durch den Körper der Metallschmelze dispergiert wird.
WO 02/22 900 offenbart eine rotierende Vorrichtung, die eine Hohlwelle enthält, die einen Rotor mit einer axialen Öffnung aufweist, der am Austragsende der Welle befestigt ist. Der Rotor hat die Form einer ringförmigen Platte mit mehreren radial montierten, aufwärts gerichteten Schaufeln, die von der Oberseite der ringförmigen Platte vorstehen, und mehreren radial montierten, abwärts gerichteten Schaufeln, die von der Unterseite der ringförmigen Platte vorstehen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine zweite ringförmige Platte direkt unter den unteren Schaufeln montiert und bildet segementförmige Durchgänge zwischen den Platten und zwischen benachbarten radial montierten Schaufeln.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte rotierende Vorrichtung bereitzustellen, die vorzugsweise einen oder mehrere der folgenden Vorteile gegenüber den bekannten Vorrichtungen bietet:

(i) höhere Haltbarkeit und daher längere Lebensdauer,
(ii) schnelleres Entgasen und
(iii) wirksameres Entfernen von festen Verunreinigungen, wie z. B. Oxideinschlüssen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine rotierende Vorrichtung zum Dispergieren von Gas in einer Metallschmelze bereitgestellt, wobei die Vorrichtung eine Hohlwelle aufweist, an deren einem Ende ein Rotor angebracht ist, wobei der Rotor ein Dach und einen Boden aufweist, wobei das Dach und der Boden voneinander beabstandet und durch mehrere Trennwände miteinander verbunden sind, wobei zwischen jedem benachbarten Paar von Trennwänden und dem Dach und dem Boden ein Durchlaß definiert ist, wobei jeder Durchlaß einen Einlaß und einen ersten Auslaß aufweist, wobei jeder erste Auslaß radial auswärts von dem entsprechenden Einlaß angeordnet und so eingerichtet ist, daß er im Gebrauch Gas seitlich von dem Rotor dispergiert; dadurch gekennzeichnet, daß jeder Durchlaß außerdem einen zweiten Auslaß aufweist, wobei jeder zweite Auslaß im Dach des Rotors angeordnet und so eingerichtet ist, daß er im Gebrauch Gas von dem Rotor nach oben dispergiert, wobei ein Durchflußweg durch die Welle in die Einlässe der Durchlässe und aus den ersten und zweiten Auslässen heraus definiert ist, ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor mit einer Kammer ausgestattet ist, in der die Vermischung von geschmolzenem Metall und Gas stattfinden kann, wobei die Kammer radial einwärts von den Einlässen angeordnet ist und eine Öffnung im Boden des Rotors aufweist, so daß im Gebrauch bei rotierender Vorrichtung geschmolzenes Metall durch den Boden des Rotors in die Kammer gesaugt wird, wo es mit dem aus der Welle in die Kammer eintretenden Gas vermischt wird, wobei die Metall/Gas-Dispersion dann in die Durchlässe gepumpt wird, bevor sie aus dem Rotor durch die ersten und zweiten Auslässe ausgetragen wird.
Überraschenderweise haben die Erfinder festgestellt, daß die Kombination von seitlich gerichteten und aufwärts gerichteten Auslässen die Erzeugung kleinerer und zahlreicherer Gasblasen ermöglicht, was im Vergleich zu der Vorrichtung gemäß EP-0 332 292 zu einer erheblich wirksameren Entgasung und Reinigung führt, so daß die Rotationsgeschwindigkeit verringert und dabei die gleiche Effizienz der Entgasung/Reinigung aufrechterhalten werden kann, wodurch die Lebensdauer der Welle und des Rotors verlängert werden kann, oder die Entgasung/Reinigung kann bei der gleichen Rotorgeschwindigkeit wirksamer erzielt werden, wodurch die Gelegenheit zur Verkürzung der Behandlungsdauer geboten wird.
In einer Ausführungsform besteht der Rotor aus einem massiven Materialblock, wobei das Dach und der Boden durch obere bzw. untere Bereiche des Blocks gebildet werden, wobei ein Zwischenbereich des Blocks darin angebrachte Bohrungen aufweist, welche die Durchlässe definieren, wobei jede Trennwand durch den Zwischenbereich zwischen jeder Bohrung definiert ist.
In der Ausführungsform kann jede Bohrung von einheitlichem Durchmesser oder (nach innen oder außen) abgeschrägt sein. Vorzugsweise sind die Bohrungen von einheitlichem Durchmesser.
In einer zweiten Ausführungsform sind die Trennwände schaufelförmig, und jeder Durchlaß ist eine zwischen benachbarten Schaufeln definierte Kammer.
Vorzugsweise ist jeder zweite Auslaß ein Ausschnitt, der sich vom äußeren Umfang des Dachs nach innen erstreckt. Zweckmäßigerweise sind die Ausschnitte teilweise kreisförmig oder halbkreisförmig und vorzugsweise symmetrisch um den Rotor angeordnet. Man wird natürlich erkennen, daß die Ausschnitte von beliebiger Form sein können und daß alternativ einer oder mehrere der zweiten Auslässe durch eine Bohrung (von beliebiger Form) durch das Dach in eine der Kammern gebildet werden könnten.
In allen Fällen erstrecken sich die zweiten Auslässe vorzugsweise nach unten nicht bis zum Boden des Rotors.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Rotor vier Durchlässe auf, die durch vier Trennwände mit acht Auslässen in Form von halbkreisförmigen Ausschnitten definiert sind, die symmetrisch um den Rotor herum angeordnet sind (d. h. vier pro Kammer). Die Anzahl der Auslässe kann jedoch für größere Rotoren erhöht (z. B. auf 12 oder 16) und für kleinere Rotoren verringert werden.
Vorzugsweise weisen die ersten Auslässe eine größere Querschnittsfläche auf als die Einlässe.
Vorzugsweise ist der Rotor von kreisförmigem Querschnitt und ist vorzugsweise in seinem Mittelpunkt an der Welle befestigt, um den Widerstand während der Rotation zu verringern.
Vorzugsweise sind die Welle und der Rotor getrennt ausgebildet, wobei beide durch eine lösbare Befestigungseinrichtung aneinander befestigt sind. Die Welle kann direkt (z. B. durch Bereitstellen ineinandergreifender Schraubengewinde jeweils an der Welle und am Rotor) oder indirekt mit dem Rotor verbunden werden, z. B. über ein mit Gewinde versehenes röhrenförmiges Verbindungsstück.
Der Rotor wird zweckmäßig aus einem massiven Materialblock (vorzugsweise Graphit) geformt, wobei die Kammern zweckmäßig durch einen Fräsvorgang geformt werden.
Um Zweifel zu vermeiden, sollte klargestellt werden, daß die Erfindung auch in dem Rotor an sich begründet ist.
Die vorliegende Erfindung liegt ferner in einem Verfahren zur Behandlung einer Metallschmelze, das die folgenden Schritte aufweist:

(i) Eintauchen des Rotors und eines Teils der Welle der erfindungsgemäßen Vorrichtung in zu behandelndes geschmolzenes Metall,
(ii) Rotation der Welle und
(ii) Durchleiten von Gas und wahlweise einer oder mehrerer Behandlungssubstanzen durch die Welle abwärts und über den Rotor in die Metallschmelze, um dadurch das Metall zu entgasen.

Die Natur des geschmolzenen Metalls unterliegt keiner Beschränkung. Zu den bevorzugten Metallen für die Behandlung gehören jedoch Aluminium und alle seine Legierungen (einschließlich niedrigsilicierte Legierungen (4-6% Si), z. B. BS-Legierung LM4 (Al-Si5Cu3); Legierungen mit mittlerem Siliciumgehalt (7,5-9,5% Si), z. B. BS-Legierung LM25 (Al-Si7Mg); eutektische Legierungen (10-13% Si), z. B. BS-Legierung LM6 (AlSi12); hypereutektische Legierungen, (> 16% Si), z. B. BS-Legierung LM30 (Al-Si17Cu4Mg); Aluminium-Magesium-Legierungen, z. B. BS-Legierung LMS (Al-Mg5Si1; Al-Mg6), Magnesium und seine Legierungen (z. B. BS-Legierung AZ91 (8,0-9,5% Al) und BS-Legierung AZ81 (7,5- 9,0% Al)) und Kupfer und seine Legierungen (einschließlich hochleitfähiges Kupfer, Messing, Zinnbronzen, Phosphorbronzen, Bleibronzen, Geschützbronzen, Aluminiumbronzen und Kupfernickel).
Vorzugsweise ist das Gas ein Inertgas (wie z. B. Argon oder Stickstoff) und ist vorzugsweise trocken. Es können auch Gase verwendet werden, die traditionell nicht als inert angesehen werden, aber keine schädliche Wirkung auf das Metall haben, wie z. B. Chlor oder ein chlorierter Kohlenwasserstoff. Das Gas kann ein Gemisch aus zwei oder mehreren der vorstehenden Gase sein. Nach einer Abwägung zwischen Kosten und Reaktionsträgheit des Gases wird trockener Stickstoff bevorzugt. Das Verfahren ist besonders gut anwendbar für die Entfernung von Wasserstoffgas aus geschmolzenem Aluminium.
Man wird erkennen, daß für einen gegebenen Rotor der Wirkungsgrad der Entgasung unter anderem durch die Drehzahl, den Gasdurchsatz und die Behandlungsdauer bestimmt wird. Eine bevorzugte Drehzahl ist 550 U/min oder weniger, oder stärker bevorzugt 400 U/min oder weniger, am stärksten bevorzugt etwa 350 U/min. Man wird auch erkennen, daß für irgendeinen gegebenen Rotor die Größe und die Geometrie des Aufnahmebehälters, der die Metallschmelze enthält, die optimale oder bevorzugte Rotordrehzahl beeinflussen werden.
Ebenso wie mit der Entgasung kann die Behandlung auch mit dem Einleiten von Zuschlägen in die Schmelze zusammen mit dem inerten Spülgas kombiniert werden. Die Behandlung ist dann eine kombinierte Entgasungs-/Kornverfeinerungs- und/oder Modifikations- und/oder Reinigungs-/Entschlickerungs-Behandlung, in welchem Falle die wahlfreie Behandlungssubstanz eine körnige Reinigungs-/Entschlickerungs-, Kornverfeinerungs-, Modifikations-Spezies oder eine Kombination davon sein kann (normalerweise als "Zuschlag" oder "Zuschläge" bezeichnet). Derartige Zuschläge können Titan- und/oder Borsalze (z. B. AlTiB-Legierung) zur Kornverfeinerung und Natriumsalze oder Strontium (gewöhnlich als 5-10%-ige Vorlegierung) für die Modifikation von Aluminium-Silicium-Legierungen sein. Derartige Prozesse sind an sich dem qualifizierten Gießer bekannt.
Die erforderliche Größe des Rotors, die Drehzahl, der Gasdurchsatz und die (wahlfreie) Zuschlagmenge werden alle durch die jeweils durchgeführte Behandlung bestimmt, wobei die Masse des behandelten Metalls, die Größe und die Geometrie des Aufnahmebehälters für die Metallschmelze, die optimale Behandlungsdauer und die Tatsache, ob das Verfahren ein kontinuierlicher oder diskontinuierlicher Prozeß ist, berücksichtigt werden.
Nachstehend wird, lediglich als Beispiel, eine Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigen:
1a einen senkrechten Schnitt durch eine in EP-0 332 292 beschriebene rotierende Vorrichtung nach dem Stand der Technik;
die 1b und 1c eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht eines weiteren Rotors nach dem Stand der Technik;
die 2a und 2b eine perspektivische Ansicht bzw. eine Seitenansicht einer rotierenden Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 eine Draufsicht der rotierenden Vorrichtung gemäß den 2a und 2b;
die 4 bis 6 Diagramme, welche die Verminderung des Gasgehalts von AlSi10Mg vor und nach dem Entgasen mit Stickstoff unter Verwendung einer rotierenden Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung und einer rotierenden Vergleichsvorrichtung darstellen, und
die 7 bis 9 Prefil-Testkurven für eine rotierende Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung bzw. für zwei rotierende Vergleichsvorrichtungen.
Unter Bezugnahme auf die 2 und 3 wird eine rotierende Vorrichtung zum Dispergieren von Gas und/oder anderen Behandlungssubstanzen in Metallschmelze dargestellt. Die Vorrichtung weist eine Welle 20 mit einer durchgehenden Bohrung 20a, einen Rotor 22 und ein röhrenförmiges Verbindungsstück 23 auf.
Der Rotor 22 besteht aus Graphit und ist von einheitlicher Konstruktion. Der Rotor 22 ist im allgemeinen scheibenförmig und weist einen ringförmigen oberen Teil (Dach 24) und einen davon beabstandeten ringförmigen unteren Teil (Boden 26) auf. Eine durchgehende Gewindebohrung 28 ist zentral im Dach 24 des Rotors 22 angebracht und dient im Gebrauch als Befestigungspunkt für das röhrenförmige Verbindungsstück 23, das mit einem entsprechenden Außengewinde versehen ist. Eine offene Kammer 30 ist zentral im Boden 26 des Rotors 22 vorgesehen. Die Kammer 30 erstreckt sich nach oben zum Dach 24 des Rotors 22 und schließt sich an die Durchgangsbohrung 28 im Dach 24 an, wodurch die Durchgangsbohrung 28 und die Kammer 30 einen vertikal durch den Rotor 22 durchgehenden Kanal definieren. Die Kammer 30 erstreckt sich radial weiter nach außen als die Durchgangsbohrung 28. Das Dach 24 und der Boden 26 sind durch vier Schaufeln 32 miteinander verbunden, die zwischen dem Dach 24 und dem Boden 26 angeordnet sind und sich vom Umfang der Kammer 30 nach außen zum Umfang 22a des Rotors 22 erstrecken. Zwischen jedem Paar benachbarter Schaufeln 32, der Kammer 30 und dem Dach 24 sowie dem Boden 26 ist eine Kammer 34 definiert. Jede Kammer 34 weist eine Einlaßöffnung 36 von der Kammer 30 und einen ersten Auslaß am Umfang 22a des Rotors 22 in Form eines langgestreckten Schlitzes 38 auf. Der Auslaßschlitz 38 weist eine größere Querschnittsfläche auf als die Einlaßöffnung 36.
Wie leichter aus 3 erkennbar ist, ist die Umfangskante 22a des Dachs 24 des Rotors 22 mit mehreren (in dieser Ausführungsform mit acht) teilweise kreisförmigen Ausschnitten 40 versehen. Jeder Ausschnitt 40 dient als zweiter Auslaß für seine entsprechende Kammer 34 (in diesem Fall sind zwei Ausschnitte 40 pro Kammer 34 vorgesehen).
Ein entsprechender, mit einem inneren Schraubgewinde versehener Bereich ist an einem Ende der Welle 20 zur sicheren Montage der Welle 20 an dem Verbindungsstück 23 vorgesehen. Das gegenüberliegende Ende der Welle 20 ist mit dem unteren Ende einer hohlen Antriebswelle (nicht dargestellt) verbunden, deren oberes Ende mit einer Antriebseinrichtung (in diesem Falle einem Elektromotor, nicht dargestellt) verbunden ist, und die Bohrung 20a der Welle 20 ist über die hohle Antriebswelle mit einer Gasquelle (nicht dargestellt) verbunden.
Aus der obigen Beschreibung wird deutlich, daß ein durchgehender Fließweg von der Gasquelle durch die Bohrung 20a der Welle 20 und das Verbindungsstück 23, durch das Dach 24 des Rotors 22 in die Kammer 30, durch die Einlaßöffnungen 36 in die Kammern 34 und durch die ersten und zweiten Auslässe 38, 40 aus dem Rotor 22 heraus existiert.
Im Gebrauch wird die aus Rotor und Welle bestehende Baugruppe in die zu entgasende Metallschmelze eingetaucht (z. B. in eine mit feuerfestem Material ausgekleidete Gießpfanne oder einen anderen Behälter) und durch Einschalten des Elektromotors mit der gewünschten Drehzahl in Drehung versetzt. Die Gasquelle wird geöffnet und auf die gewünschte Durchflußmenge eingestellt, und die Entgasung wird während einer vorgegebenen Zeitdauer durchgeführt.
Während der Entgasung fließt Gas durch die Welle abwärts in die Rotorkammer 30, wo es mit schmelzflüssigem Metall vermischt wird, das aufwärts in die Kammer 30 angesaugt wird. Die Gas/Metall-Dispersion fließt durch die Einlässe 36 in die Kammern 34 und tritt aus dem Rotor 22 seitlich durch die ersten Auslässe 38 und aufwärts durch die zweiten Auslässe 40 aus.
BEISPIELE 1 BIS 3
Ein Rotor, wie oben beschrieben, mit einem Durchmesser von 190 mm wurde verwendet, um 200 kg AlSi10Mg-Legierung zu entgasen, die auf 720°C gehalten wurde. Das eingesetzte Gas war trockener Stickstoff mit einer Durchflußmenge von 15 l/min. Die Drehzahl betrug 450 U/min, und die Entgasung wurde über 5 min. ausgeführt (Beispiel 1). Die Wirksamkeit des Rotors wurde eingeschätzt, indem der Dichteindex (DI) des Metalls vor und nach der Behandlung bestimmt wurde. DI wird nach der Formel
berechnet, wobei Datm die Dichte einer Metallprobe ist, die unter Atmosphärendruck erstarren konnte, und D80mbar ist die Dichte einer Probe, die unter einem Unterdruck von 80 mbar erstarren konnte. Je höher der DI-Wert einer Probe, desto höher ist der Wasserstoffgasgehalt des Metalls.
Die Beispiele 2 und 3 wurden ebenso durchgeführt wie Beispiel 1, wobei aber die verwendete Drehzahl 350 U/min (Beispiel 2; Behandlungsdauer 5 Min, zwei Durchgänge, Beispiel 3; Behandlungsdauer 3 Min, zwei Durchgänge) betrug.
VERGLEICHSBEISPIELE 1 BIS 3
Zum Vergleich wurde eine Entgasung unter Bedingungen, die mit denen des entsprechenden Beispiels identisch waren, unter Verwendung eines Rotors durchgeführt, der mit dem von Beispiel 1 identisch war, wobei aber das Dach des Rotors nicht mit Ausschnitten versehen war.
ERGEBNISSE
Die Ergebnisse hinsichtlich der Verringerung des Dichteindex (DI) sind weiter unten in Tabellenform dargestellt und in den 3 bis 5 graphisch dargestellt (Beispiele/Vergleichsbeispiele 1 bis 3). Obwohl man einsehen wird, daß keine zwei Chargen der Schmelze genau den gleichen Anfangs-DI-Wert haben werden, ist ohne weiteres ersichtlich, daß der erfindungsgemäße Rotor eine erhebliche Verbesserung gegenüber einem vergleichbaren Rotor bietet, in dem die Ausschnitte weggelassen sind. Zum Beispiel ist aus Tabelle 2 und 3 ersichtlich, daß der DI-Wert von Beispiel 2 (beide Durchgänge) halb so groß ist wie im Vergleichsbeispiel 2 nach der Behandlung, auch wenn der Anfangs-DI-Wert höher ist (Durchgang zwei). TABELLE 1: DI (%) (ENTGASEN MIT 450 U/MIN, 15 L/MIN WÄHREND 5 MIN)
TABELLE 2: DI (%) (ENTGASEN MIT 350 U/MIN, 15 L/MIN WÄHREND 5 MIN)
TABELLE 3: DI (%) (ENTGASEN MIT 350 U/MIN, 15 L/MIN WÄHREND 3 MIN)
Wenn die Entgasungsdauer verkürzt wird, vermindert sich der Wirkungsgrad des Vergleichsrotors (Vergleichsbeispiel 3), während der erfindungsgemäße Rotor die starke Verminderung des DI-Werts aufrechterhält (Beispiel 3).
BEISPIEL 4 UND VERGLEICHSBEISPIELE 4 UND 5
Eine Schmelze von 250 kg LM25 wurde in einem gasgefeuerten Herdofen hergestellt. Die Charge wies ein Gemisch aus neuer Massel und Umlaufschrott auf. Jeder untersuchte Rotor wurde der Reihe nach an einer Maschine montiert, die imstande war, die Drehgeschwindigkeit der Blaslanze und den Gaseinpreßdruck zu steuern. Die Drehzahl wurde auf 350 U/min für Beispiel 4 und Vergleichsbeispiel 4 und auf 550 U/min für Vergleichsbeispiel 5 (die vom Hersteller empfohlene Drehzahl) eingestellt. Als Inertgas wurde Stickstoff eingesetzt, und der Einpreßdruck wurde während des gesamten Versuchs konstant gehalten.
Für jeden Rotor wurden drei Entgasungsvorgänge durchgeführt. Der Gasgehalt in dem Metall wurde zu Beginn jedes Durchgangs künstlich erhöht, indem eine abgemessene Menge Foseco Hydral^TM Gasentwicklungstabletten in die Schmelze eingebracht wurde. Außerdem wurde erwartet, daß die durch diesen Vorgang erzeugte Turbulenz die Sauberkeit des Metalls durch Unterziehen von Oxiden von der Oberfläche vermindert.
Der Entgasungsvorgang wurde in Schritten von 5 min während einer Gesamtdauer von 15 min für jeden Durchgang ausgeführt. Zur Bestimmung des Indexwerts am Beginn des Durchgangs und am Ende jedes 5-Minuten-Intervalls wurde eine MK 3VT-Vakuumdichteeinheit (MK GmbH) verwendet. Ein Alscan^TM-Wasserstoffanalysator wurde in ausgewählten Durchgängen angewandt, um eine direkte Messung des Wasserstoffgehalts zu liefern. Die Sauberkeit des Metalls wurde zu Beginn und am Ende jeder Zeitspanne von 15 Minuten unter Verwendung von Prefil gemessen.
Der Prefil-Test (Druckfiltrationstest) liefert eine quantitative Online-Messung der Oxidschichten und anderer Einschlüsse. Die Durchflußmenge von schmelzflüssigem Metall durch einen Mikrofilter bei konstanter Temperatur und konstantem Druck wird überwacht und zur Aufzeichnung eines Diagramms des gefilterten Gewichts als Funktion von der Zeit verwendet. Einschlüsse in dem Metall, wie z. B. Oxidschichten, bauen sich während eines Tests schnell auf der Filteroberfläche auf und vermindern den Durchsatz durch den Filter. Daher zeigen der Anstieg und die Gesamtform der Kurve des gefilterten Gewichts als Funktion von der Zeit den Anteil der in dem Metall vorhandenen Einschlüsse an. Oxidschichten beeinflussen den Anfangsanstieg der Kurve (20-30 Sekunden). Sie führen zu geraden Linien mit einem Anstieg, der mit zunehmender Anzahl der Oxidschichten abnimmt. Einschlüsse feiner suspendierter Teilchen, wie z. B. von TiB₂, feinkörnigem Al₂O₃ oder Carbiden, bewirken, daß die Kurve im Druckfiltrationstest von einer Geraden abweicht. Die Beladung mit feinkörnigen Teilchen kann aus dem Punkt abgeleitet werden, in dem die Kurve vom ursprünglichen Anstieg abzuweichen beginnt.
Zusätzlich zu der Filtrationskurve ermöglicht eine metallographische Untersuchung des Rückstands, der nach einem Druckfiltrationstest auf dem Filter zurückbleibt, die Durchführung einer Identifikation und quantitativen Bestimmung der Einschlußarten, die in der Metallprobe enthalten sind.
BEISPIEL 4
Der Rotor war der gleiche wie oben beschrieben und ähnlich dem Beispiel 1, aber mit einem kleineren Durchmesser von 140 mm.
VERGLEICHSBEISPIEL 4
Der Rotor war der gleiche, wie er in den Vergleichsbeispielen 1 bis 3 verwendet wurde, aber mit einem Durchmesser von 140 mm.
VERGLEICHSBEISPIEL 5
Der Rotor entsprach der Darstellung in 1b mit einem Durchmesser von 140 mm.
ERGEBNISSE
DICHTEINDEX
Eine Untersuchung der DI-Werte in Tabelle 4 zeigt, daß der Rotor gemäß Beispiel 4 einen ähnlichen Entgasungswirkungsgrad wie der Rotor im Vergleichsbeispiel 5 aufweist; beide entgasen die Schmelze schnell in den ersten 5 Betriebsminuten, wobei, wenn überhaupt, durch Fortsetzen der Entgasung über weitere 5 Minuten nur eine leichte Verbesserung erzielt wird. Jedoch hat die niedrigere Betriebsdrehzahl des Rotors gemäß Beispiel 4 eine günstige Wirkung auf die Lebensdauer von Rotor und Blaslanze.
Der Rotor gemäß Vergleichsbeispiel 4 ist die Entgasungseinrichtung mit dem niedrigsten Wirkungsgrad. Im Vergleich zu den anderen beiden Rotoren benötigt er viel längere Zeit, um einen niedrigen Dichteindex zu erzielen, und der niedrigste erzielte Wert, 2,5% nach 15 Minuten, ist deutlich höher als derjenige, der durch die anderen beiden Rotoren erzielt werden kann, < 0,75% nach 5 Minuten.
Ein Unterdrucktest ist ein einfacher Test mit einer widerstandsfähigen Ausrüstung, um die Neigung einer Schmelze zur Gasporosität einzuschätzen. Er mißt jedoch nicht den Wasserstoffgehalt direkt und ist empfindlich gegen Variable, die schwer zu kontrollieren sind; wie z. B. Unterschiede in Probenahmeverfahren von einer Bedienungsperson zur anderen, Änderungen der Sauberkeit des Metalls (Keime für die Gasabscheidung) und sogar Vibration vom Werkstattfußboden. Alscan liefert eine direkte Messung des Wasserstoffgehalts und ist von diesen Variablen unabhängig. Es bestand eine gute Korrelation zwischen dem unter Laborbedingungen gemessenen Alscan und dem Dichteindex (Daten nicht dargestellt). TABELLE 4
SAUBERKEIT DES METALLS
Die für die Rotoren erzeugten Kurven sind in den 7 bis 9 dargestellt. Die Rotorkurve von Vergleichsbeispiel 5 (9) zeigt, daß die Sauberkeit des Schmelzenmetalls nach einem Entgasungsbetrieb von 15 Minuten übereinstimmend schlechter ist. Die Abweichung von der Geraden im Wendepunkt der Kurven läßt darauf schließen, daß das Filter durch Oxidschichten blockiert wird. Dies ist mit der während des Versuchs gemachten Beobachtung vereinbar, daß dieser Rotor eine ausgeprägte Turbulenz und ein Unterziehen der Schmelzenoberfläche in das Volumenmetall verursachte.
Die für Beispiel 4 und Vergleichsbeispiel 4 erhaltenen Kurven (7 bzw. 8) sind dichter zusammen gruppiert. In einigen Fällen wurde die Sauberkeit des Metalls als Ergebnis der Entgasung verbessert, in anderen wurde sie leicht verschlechtert. Es ist jedoch bemerkenswert, daß die für die beiden Rotoren erhaltenen Kurven einen steileren Gradienten aufweisen als diejenigen, die für Vergleichsbeispiel 7 erhalten wurden, und daß sie nicht im gleichen Maße umwenden, was auf einen niedrigeren Anteil an Oxidschichten schließen läßt. Die Ergebnisse lassen darauf schließen, daß der Rotor von Beispiel 4 (und Vergleichsbeispiel 4) keine wesentliche (nützliche oder schädliche) Auswirkung auf die Sauberkeit des Metalls hat.
Ein weiterer Versuch wurde unter Verwendung des Rotors von Vergleichsbeispiel 5 mit einer Drehzahl von 350 U/min unternommen. Das Gasblasenbild änderte sich vollständig, und große Blasen erschienen an der Oberfläche der Schmelze, wobei Metall aus dem Ofen in den allgemeinen Gießbereich ausgeworfen wurde. Der Versuch wurde aus Sicherheitsgründen abgebrochen.

Claims

Rotierende Vorrichtung zum Dispergieren von Gas in Metallschmelze, wobei die Vorrichtung eine Hohlwelle (20) aufweist, an deren einem Ende ein Rotor (22) angebracht ist, wobei der Rotor (22) ein Dach (24) und einen Boden (26) aufweist, wobei das Dach (24) und der Boden (26) voneinander beabstandet und durch mehrere Trennwände (32) miteinander verbunden sind, wobei zwischen jedem benachbarten Paar von Trennwänden (32) und dem Dach (24) und dem Boden (26) ein Durchlaß (34) definiert ist, wobei jeder Durchlaß (34) einen Einlaß (36) und einen ersten Auslaß aufweist, wobei jeder erste Auslaß (38) radial auswärts von dem entsprechenden Einlaß (36) angeordnet und so eingerichtet ist, daß er im Gebrauch Gas seitlich von dem Rotor (22) dispergiert; dadurch gekennzeichnet, daß jeder Durchlaß außerdem einen zweiten Auslaß (40) aufweist, wobei jeder zweite Auslaß im Dach (24) des Rotors (22) angeordnet und so eingerichtet ist, daß er im Gebrauch Gas von dem Rotor nach oben dispergiert, wobei ein Durchflußweg durch die Welle in die Einlässe der Durchlässe und aus den ersten und zweiten Auslässen heraus definiert ist, ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (22) mit einer Kammer (30) ausgestattet ist, in der die Vermischung von geschmolzenem Metall und Gas stattfinden kann, wobei die Kammer (30) radial einwärts von den Einlässen (36) angeordnet ist und eine Öffnung im Boden (26) des Rotors (22) aufweist, so daß im Gebrauch bei rotierender Vorrichtung geschmolzenes Metall durch den Boden (26) des Rotors (22) in die Kammer (30) gesaugt wird, wo es mit dem aus der Welle (20) in die Kammer (30) eintretenden Gas vermischt wird, wobei die Metall/Gas-Dispersion dann in die Durchlässe (34) durch die Einlässe (36) gepumpt wird, bevor sie aus dem Rotor (22) durch die ersten und zweiten Auslässe ausgetragen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Rotor (22) aus einem massiven Materialblock besteht, wobei das Dach (24) und der Boden (26) durch obere bzw. untere Bereiche des Blocks gebildet werden, wobei ein Zwischenbereich des Blocks darin angebrachte Bohrungen aufweist, welche die Durchlässe (34) definieren, wobei jede Trennwand (32) durch den Zwischenbereich zwischen jeder Bohrung definiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei jede Bohrung von einheitlichem Durchmesser ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Trennwände (32) schaufelförmig sind und jeder Durchlaß (34) eine zwischen benachbarten Schaufeln definierte Kammer ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jeder zweite Auslaß (40) ein Ausschnitt ist, der sich vom äußeren Umfang des Dachs (24) nach innen erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Ausschnitte teilweise kreisförmig oder halbkreisförmig und vorzugsweise symmetrisch um den Rotor (22) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zweiten Auslässe (40) sich nach unten aber nicht bis zum Boden (26) des Rotors (22) erstrecken.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Rotor (22) vier Durchlässe (34) aufweist, die durch vier Trennwände (32) mit acht Auslässen (40) in Form von halbkreisförmigen Ausschnitten definiert sind, die symmetrisch um den Rotor (22) herum angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die ersten Auslässe (38) eine größere Querschnittsfläche aufweisen als die Einlässe (36).
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Rotor (22) von kreisförmigem Querschnitt ist und vorzugsweise in seinem Mittelpunkt an der Welle (20) befestigt ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Welle (20) und der Rotor (22) getrennt ausgebildet sind, wobei beide durch lösbare Befestigungsmittel aneinander befestigt sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Rotor (22) aus einem massiven Graphitblock geformt wird.
Verfahren zur Behandlung von geschmolzenem Stahl, mit den folgenden Schritten: (i) Eintauchen des Rotors (22) und eines Teils der Welle (20) der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 in zu behandelndes geschmolzenes Metall, (ii) Rotation der Welle (20), und (iii) Durchleiten von Gas und wahlweise einer oder mehrerer Behandlungssubstanzen durch die Welle (20) abwärts und über den Rotor (22) in die Metallschmelze, um dadurch das Metall zu entgasen.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das zu behandelnde Metall ausgewählt wird aus Aluminium, Magnesium, Kupfer und deren Legierungen.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei das im Schritt (iii) verwendete Gas ausgewählt wird aus einem oder mehreren der Gase Chlor, einem chlorierten Kohlenwasserstoff, Stickstoff und Argon.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das im Schritt (iii) verwendete Gas trockener Stickstoff ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei die Behandlung eine Kornverfeinerungs- und/oder Modifikations- und/oder Reinigungsbehandlung aufweist und die wahlfreie Behandlungssubstanz aus Schritt (iii) eine granulierte Reinigungs-/Entschlickerungs-, Kornverfeinerungs- und/oder Modifikationsspezies ist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die wahlfreie Behandlungssubstanz unter einem oder mehreren Titansalzen und/oder Borsalzen, Natriumsalzen und einer Strontium-Vorlegierung ausgewählt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, wobei die Rotationsgeschwindigkeit von Schritt (ii) 400 U/min oder weniger beträgt.
Rotor (22) zur Verwendung in der Rotationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Rotor (22) ein Dach (24) und einen Boden (26) aufweist, wobei das Dach (24) und der Boden (26) voneinander beabstandet und durch mehrere Trennwände (32) miteinander verbunden sind, wobei zwischen jedem benachbarten Paar von Trennwänden (32) und dem Dach (24) und dem Boden (26) ein Durchlaß (34) definiert ist, wobei jeder Durchlaß (34) einen Gaseinlaß (36) und einen ersten Gasauslaß (38) aufweist, wobei jeder erste Auslaß (38) radial auswärts von dem entsprechenden Einlaß (36) angeordnet und so eingerichtet ist, daß er Gas seitlich vom Rotor (22) im Gebrauch dispergiert; dadurch gekennzeichnet, daß jeder Durchlaß außerdem einen zweiten Auslaß (40) aufweist, der im Dach (24) des Rotors (22) angeordnet und so eingerichtet, daß er Gas von dem Rotor (22) im Gebrauch nach oben dispergiert; ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (22) mit einer Kammer (30) ausgestattet ist, in der die Vermischung von geschmolzenem Metall und Gas stattfinden kann, wobei die Kammer (30) radial einwärts von den Einlässen (36) angeordnet ist und im Boden (26) des Rotors (22) eine Öffnung aufweist, so daß im Gebrauch bei rotierender Vorrichtung geschmolzenes Metall durch den Boden (26) des Rotors (22) in die Kammer (30) gesaugt wird, wo es mit dem aus der Welle (20) in die Kammer (30) eingeleiteten Gas vermischt wird, wobei die Metall/Gas-Dispersion dann durch die Einlässe (36) in die Durchlässe (34) gepumpt wird, bevor sie durch die ersten und zweiten Auslässe (38, 40) aus dem Rotor ausgetragen wird.