-
Hintergrund
der Erfindung
-
Diese
Erfindung bezieht sich auf die Konstruktion einer Stütze für eine Metallschmelzepumpe gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1. Eine solche Stütze
ist z. B. aus US-A-5 558 505 bekannt.
-
Bei
der Verarbeitung von Metallschmelzen ist es oft notwendig, eine
Metallschmelze von einem Ort zum anderen zu pumpen. Wenn das Entfernen von
Metall aus einem Behälter
erwünscht
ist, wird eine so genannte Förderpumpe
verwendet. Wenn ein Umwälzen
einer Metallschmelze in einem Behälter erwünscht ist, wird eine so genannte
Umwälzpumpe verwendet.
Wenn ein Reinigen einer Metallschmelze, die in einem Behälter angeordnet
ist, gewünscht
ist, wird eine so genannte Begasungspumpe verwendet. Bei jeder dieser
Pumpen wird ein drehbares Pumpenrad typischerweise in einer Pumpenkammer
in dem im Behälter
enthaltenen Metallbad untergetaucht. Außerdem ist der Motor an einem Überbau über dem
Bad durch Stützen,
die mit der Basis verbunden sind, aufgehängt. Eine Drehung des Pumpenrads
in der Pumpenkammer zwingt die Metallschmelze wie gewünscht in
eine durch die Pumpenkammerkonstruktion erlaubte Richtung.
-
Mechanische
Pumpen zum Bewegen einer Metallschmelze in einem Bad weisen historisch
gesehen wegen der zerstörenden
Wirkungen der Metallbadumgebung auf das zur Konstruktion der Pumpe
verwendete Material eine relativ kurze Lebensdauer auf. Außerdem haben
die meisten Materialien, die für
einen Dauerbetrieb in einem Metallbad einsetzbar sind, eine relativ
geringe Festigkeit, die zu einem mechanischen Versagen führen kann.
Um für eine
annehmbare Zeitdauer in der harten Metallbadumgebung zu funktionieren,
stützt
sich die Industrie in diesem Zusammenhang typisch auf Graphit, ein Material
mit einer ausreichenden Festigkeit, Wärmebeständigkeit und chemischen Beständigkeit.
-
Während Graphit
momentan das am häufigsten
verwendete Material ist, bereitet es den Pumpenherstellern bestimmte
Schwierigkeiten. Insbesondere benötigen mechanische Pumpen normalerweise
ein Pumpengehäuse
aus Graphit, das in der Metallschmelze untergetaucht wird. Allerdings
hat das Gehäuse
in dem Metallbad ein wenig Auftrieb, weil der Graphit eine geringere
Dichte als das Metall besitzt.
-
Um
ein Aufsteigen des Pumpengehäuses
in dem Metall zu verhindern und um eine unerwünschte seitliche Bewegung der
Basis zu verhindern, sind eine Reihe vertikaler Schenkel zwischen
dem Pumpengehäuse
und einer darüber
liegenden Struktur, die so wirkt, dass sie gleichzeitig den Antriebsmotor hält und die
Basis fixiert, positioniert. Um außerdem als das Zwischenelement
in den oben genannten Funktionen zu dienen, müssen die Schenkel oder die Stützen, wie
sie auch bezeichnet werden, stark genug sein, um die Zugbeanspruchung
auszuhalten, die während
des Einbringens und Entnehmens der Pumpe in das bzw. aus dem Metallbad
erzeugt wird.
-
Ähnlich ist
die Welle, die das Pumpenrad und den Motor verbindet, aus Graphit
konstruiert. Diese Wellenkomponente erfährt oft eine deutliche Beanspruchung,
wenn verstopfendes Material in dem Metallbad auftritt und gelegentlich
an dem Gehäuse
festsitzt. Da Graphit keine hohe Festigkeit besitzt, wie gewünscht wird,
ist eine Verstärkung
der Schenkel- und Wellenkomponenten der Pumpe nützlich.
-
Außerdem kann
es schwierig sein, mit Graphit zu arbeiten, weil unterschiedliches
Material unterschiedliche Wärmausdehnungsraten
und/oder eine unterschiedliche Kornorientierung besitzen kann. Dies
kann zu einer Stütze
und einer Basis mit divergierenden und nicht übereinstimmenden Wärmeausdehnungsraten
in der Metallbadumgebung führen.
Dieses Problem wird durch die Tatsache verstärkt, dass die Pumpenkonstruktion
in der Vergangenheit ein Einkleben der Graphitstütze in ein Loch in der Graphitbasis
erforderte. Diese Konstruktion sieht keine Toleranz zwischen den
Komponenten vor, um eine divergierende Wärmeausdehnung auszugleichen.
Leiter kann dies zum Reißen
der Basis oder der Stütze
führen.
Folglich ist es wünschenswert, eine
Metallschmelzepumpe zu haben, bei der das Zusammenfügen einer
Stütze
und einer Basis in der Weise erreicht wird, dass divergierende Wärmeausdehnungstendenzen
ausgeglichen werden.
-
Ein
Beispiel einer Untertauchvorrichtung ist in dem US-Patent 4.598.899
beschrieben, die hier durch Literaturhinweis eingefügt ist.
In dem US-Patent 4.898.367 ist eine beispielhafte Entgasungsvorrichtung
beschrieben, die hier durch Literaturhinweis eingefügt ist.
Bei beiden Vorrichtungen wird eine vertikal ausgerichtete Welle
mit einem an einem Ende in dem Metallbad angeordneten Pumpenrad/Rotor
verwendet. In dieser Vorrichtung, in der die Komponenten normalerweise
aus Graphit konstruiert sind und Nutzen aus einer Erhöhung der
Festigkeit ziehen würden,
treten ähnliche
Probleme auf.
-
Zusammenfassung
der Erfindung
-
Folglich
ist die Schaffung einer neuen und verbesserten Stütze für eine Metallschmelzepumpe ein
Hauptvorteil dieser Erfindung.
-
Weitere
Vorteile dieser Erfindung werden zum Teil in der folgenden Beschreibung
dargestellt, wobei sie teilweise aus der Beschreibung offensichtlich
werden oder durch ein Umsetzen der Erfindung in die Praxis gelernt
werden können.
Die Vorteile dieser Erfindung können
durch die in den beigefügten Ansprüchen dargelegten
Mittel und Kombinationen verwirklicht und erreicht werden.
-
Eine
Metallschmelzepumpe umfasst ein Pumpenelement (wie etwa ein Pumpenrad
oder ein Rotor), das wenigstens teilweise in einem Gehäuse eingeschlossen
ist. Eine Leistungsvorrichtung sitzt auf einen Träger über dem
Gehäuse
und Pumpenelement. Eine Welle verbindet die Leistungsvorrichtung
und das Pumpenelement, um dessen Drehung zu erzielen. Gemäß dieser
Erfindung hängen
wenigstens eine und vorzugsweise zwei bis vier Stützen das Gehäuse an dem
Träger
auf. Die Stützen
sind gemäß den Merkmalen
von Anspruch 1 konstruiert.
-
Weitere
Merkmale sind durch die abhängigen
Ansprüche
definiert.
-
Das äußere Element
umfasst vorzugsweise Graphit, ein Feuerfestmaterial oder ein Keramikmaterial,
wobei das Gehäuse
Graphit umfasst. Die Stange umfasst vorzugsweise eine wärmebeständige Legierung.
-
In
einer besonders bevorzugten Form der Erfindung umfasst das äußere Element
mehrere im Allgemeinen zylindrisch geformte Einheiten, die entlang seiner
Längsachse
ausgerichtet sind. Die Stange läuft
eine zentrale Bohrung jeder Einheit hinunter, so dass eine gestapelte
Anordnung geschaffen wird. Die unterste Einheit weist vorzugsweise
einen Umfangsvorsprung auf, der so geformt ist, dass er mit einer
in der Oberseite des Gehäuses
gebildeten Aussparungen zusammenpasst, um eine fluiddichte Abdichtung zu
erzeugen.
-
Kurzbeschreibung
der Zeichnung
-
Die
beigefügte
Zeichnung, die in die Patentschrift eingefügt ist und einen Teil der der
Patentschrift bildet, veranschaulicht eine Ausführungsform in der Erfindung,
wobei sie zusammen mit der Beschreibung dazu dient, die Prinzipien
der Erfindung zu erläutern.
-
In
der Zeichnung ist:
-
1 ein
Aufriss teilweise im Querschnitt einer Metallschmelzepumpe, die
nicht Teil dieser vorliegenden Erfindung ist;
-
2 ein
Seitenriss ebenso teilweise im Querschnitt von 1;
-
3 ein
Aufriss teilweise im Querschnitt der Stange von 1;
-
4 ein
Aufriss im Querschnitt der erfindungsgemäßen Hülse von 1;
-
5 ein
Aufriss im Querschnitt einer alternativen Ausführungsform einer Stütze;
-
6, 7 und 8 jeweils
ein Aufriss im Querschnitt einer alternativen Sitzanordnung für eine Stütze und
eine Basis;
-
9 ein
Aufriss im Querschnitt einer Konstruktion einer segmentierten Stütze;
-
10 ein
Aufriss im Querschnitt einer alternativen Konstruktion einer segmentierten
Hülse;
-
11 ein
Explosionsseitenriss im Querschnitt einer alternativen Stütze/Basis-Verbindungsanordnung;
und
-
12 eine
Explosionsdarstellung eines Abschnitts A von 11, die
die fluiddichte Verbindungsstelle zeigt.
-
Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
-
Nun
wird ausführlich
Bezug auf die vorliegende bevorzugte Ausführungsform der Erfindung genommen,
von der ein Beispiel in der beigefügten Zeichnung veranschaulicht
ist. Während
die Erfindung in Zusammenhang mit einer bevorzugten Ausführungsform
beschrieben wird, ist die Erfindung selbstverständlich nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Es
werden im Gegenteil alle Alternativen, Abwandlungen und Entsprechungen
abgedeckt, wie sie in dem Umfang der Erfindung, der durch die beigefügten Ansprüche definiert
wird, enthalten sein können.
-
Nunmehr
in den 1 und 2 ist eine Förderpumpe 1 für eine Metallschmelze
bereitgestellt. Die Metallschmelzepumpe umfasst eine Basisbaueinheit 3,
die eine Pumpenkammer 5 mit einem darin angeordneten Pumpenrad 7 aufweist.
Lagerringe 9 stellen Passflächen zwischen dem Pumpenrad 7 und
der Basisbaueinheit 3 bereit. Eine Drehung des Pumpenrads 7 zwingt
die Metallschmelze 11 durch einen Auslass 13 und
ein Steigrohr 15 nach oben, um sie an einen anderen Ort
zu transportieren.
-
Die
Drehung des Pumpenrads 7 wird erreicht, wenn ein Motor 17 die
Welle 19 über
eine dazwischen vorgesehene Drehwellenkopplung 21 dreht.
Der Motor ist über
der Basisbaueinheit 3 auf einer Plattformbaueinheit 22 angeordnet,
die eine Isolationsschicht 23, einen Motorbefestigungsträger 25 und
eine Motorbefestigungsplatte 26 aufweist.
-
Zwei
Stützbaueinheiten 27,
die eine Stange 29 umfassen, die aus einem wärmebeständigen Legierungsmaterial
konstruiert ist und in einer feuerfesten Hülse 31 angeordnet
ist, hängen
die Basisbaueinheit 3 unter der Plattform 22 auf.
Die Stange ist vorzugsweise aus einer Legierung konstruiert wie etwa
MSA 2000 oder MSA 20001, die von Metaullics Systems Co., L. P.,
31935 Aurora Road, Solon, Ohio, 44139, verfügbar sind. Die feuerfeste Hülse weist
außerdem
eine Keramikabschirmung 33 für einen zusätzlichen Schutz gegen Oxidation
auf. Das untere Ende der Stange 19 weist eine Abdeckung 35 auf. Die
Abdeckung 35 ist in einem Hohlraum 37 in der Basisbaueinheit 3 angeordnet.
Ein Graphit- oder feuerfester Pfropfen 39 ist in den untersten
Abschnitt des Hohlraums geklebt, um den Bereich von der Metallschmelze
abzudichten. Das obere Ende der Stange 29 erstreckt sich
durch die Isolationsschicht 23 und ist mit einer Mutter 41 an
der Motorbefestigungsplatte 26 befestigt. Eine Tellerfeder 43 oder
eine andere Druckfeder ist zwischen der Motorbefestigungsplattform 25 und
der Isolationsschicht 23 anordnet. Vorzugsweise wird eine
Isolierunterlegscheibe (nicht gezeigt) zwischen der Motorbefestigungsplatte 26 und
der Feder 43 positioniert. Das Festziehen der Mutter 41 führt zu einem
Zusammendrücken
der Feder 43 und einer Vorspannung auf der Stange 29 und der
Hülse 31.
-
Diese
Baueinheit schafft zwischen der Basis und der Motorbefestigung vorteilhaft
eine Verbindung mit einer Stange aus einer hochfesten Legierung.
Natürlich
schützt
sie außerdem
die sonst von der Metallbadumgebung zersetzbare Stange. Ein weiterer
Vorteil ist, dass die Wärmeausdehnungsunterschiede, die
aus divergierenden Kornorientierungen in einer Graphitstütze und
einer Graphitbasis resultieren, beseitigt werden, da eine Graphitstütze nicht
starr in ein Loch in der Basis geklebt ist. Ferner wird die Festigkeit
der Graphithülse
erhöht,
da sie im Ergebnis ihrer Klemmung zwischen einem Sockel 45 und
einer Oberseite der Basisbaueinheit 3 druckbelastet bleibt.
-
Nunmehr
zu 3 übergehend
wird eine ausführliche
Darstellung einer Stange 29 bereitgestellt. In dieser Ausführungsform
ist ein Abdeckelement 35 an Schweißnähten 47 an das unterste
Ende der Stange geschweißt.
Natürlich
sind andere Anbringungsmechanismen, die eine Gewinde- oder eine
Pressbefestigung einschließen,
aber nicht darauf beschränkt
sind, geeignete Verbindungstechniken. 4 stellt
eine ausführliche
Querschnittsansicht der Graphithülse 31 bereit.
-
Nunmehr
in 5 ist eine alternative Ausführungsform einer Stütze dargestellt.
In dieser Ausführungsform
umfasst die Stütze 101 wiederum
eine Stange 103, die durch eine Hülse 105 vor der Metallbadumgebung
geschützt
wird. Die Stange 103 verläuft durch eine Bohrung/einen
Hohlraum 106 in einem Basiselement 107 und wird
durch die Abdeckung 109 gehalten, die einen Sprengring 111 mit entsprechenden
Haltenuten 113 und 115 in der Abdeckung 109 bzw.
der Stange 103 enthält.
Wiederum sind eine Tellerfeder 117 und eine Mutter 118 vorgesehen,
die zusammen mit der Plattform 119 eine Vorspannung auf
der Stange 103 und eine Druckkraft auf der Hülse 105 erzeugen.
-
Nunmehr
zu den 6, 7 und 8 übergehend
sind alternative Verbindungstechniken für eine Stütze und eine Basis dargestellt.
Zum Beispiel erstreckt sich in 6 die Stange 201 durch eine
Basis 205, wobei sie ein mit einem Gewinde versehenes Ende 202 aufweist,
an dem die Graphitabdeckung 203 befestigt ist. In 7 ist
die Ausführungsform
von 6 so abgeändert,
dass sie aus Bornitrid, Siliciumkarbid oder einem anderen geeigneten
Material konstruierte Dichtungselemente 207 und 209 aufweist.
In 8 ist eine alternative Ausführungsform dargestellt, bei
der eine Gewindebohrung 301 in dem Ende der Graphitstütze 303 vorgesehen
ist, wobei sich eine mit einem Gewinde versehene Graphitstütze 305 aufwärts durch
das Basiselement 307 erstreckt und mit dem Ende der Stütze 303 zusammengefügt ist.
Ein Vorteil jeder Konstruktion ist die Fähigkeit, Zug in Bezug auf die
Stütze
zu erzeugen, so dass ein Selbstausrichtungsmechanismus ohne die
Notwendigkeit zur strukturellen Verwendung eines Klebstoffs geschaffen
wird. In diesem Zusammenhang kann dort, wo in der Vergangenheit
ein Klebstoff erforderlich gewesen ist, ein Wärmeausdehnungsspalt vorgesehen
werden (siehe 11).
-
Abgesehen
davon erzeugt die Verwendung eines Vorsprungs 211 an der
Endabdeckung der Stütze/des
Bolzens 203/205 in Verbindung mit einer Aussparung 213 auf
der Oberseite und der Unterseite der Basis 205/307 eine
fluiddichte Verbindungsstelle. Folglich dringt keine Metallschmelze
in diese Verbindungsstelle ein, so dass die Stütze aus der Basis entfernt
werden kann, falls ein Neuaufbau der Pumpe erforderlich wird.
-
Es
wird angemerkt, dass, während
die vorliegenden Verbindungsmechanismen in den 6 bis 8 im
Allgemeinen als mit der Verwendung einer Stange aus einer Stahllegierung
zusammenfallend dargestellt sind, diese Mechanismen zum Verbinden einer
Stütze
mit einer Basis in gleicher Weise auf eine Anordnung einer Graphitstütze anwendbar
sind. Überdies
können
die in den 6 bis 8 dargestellten
Anordnungen in gleicher Weise als aus Elementen konstruiert betrachtet
werden, die alle eine Kombination aus Stahl und Graphit/Keramik
oder Graphit/Keramik allein umfassen. Der durch diese Baueinheiten
erzielte Vorteil besteht darin, dass keine Notwendigkeit für eine Klebstoffverbindung
zwischen der Stütze
und der Basis besteht, was Wärmeausdehnungsunterschiede
besser ausgleicht.
-
Nunmehr
zu 9 übergehend
wird eine alternative Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung bereitgestellt, bei der die Stütze 401 eine
Stange 403 und eine Hülse 405 aufweist.
Allerdings umfasst die Hülse 405 in
dieser Ausführungsform
mehrere segmentierte Einheiten. Diese Konstruktion ist insbesondere
wegen der relativ leichten Bildung einzelner segmentierter Einheiten
(A–E)
im Gegensatz zu einem lang gestreckten Rohr wünschenswert. Die Stütze 401 ist
wiederum mit einer Feder 407 und einer metallischen Kopplungseinheit 409 versehen,
die in Verbindung mit der Motorbefestigung (nicht gezeigt) eine
Druckkraft auf die Hülsensegmente
(A–E) erzeugen.
Im Ergebnis der Druckkraft wird eine fluiddichte Abdichtung zwischen
allen einzelnen Einheiten erzeugt, wobei sie durch die Aufnahme
eines Dichtungsmaterials (nicht gezeigt) zwischen ihnen verbessert
werden kann. Die unterste Einheit E weist einen Umfangsvorsprung 411 auf,
der in eine Aufnahme 413 in der Oberseite der Basis 415 eingesetzt
ist. Folglich wird eine fluiddichte Abdichtung erreicht. Wie bei
jeder der anderen Konstruktionen hier kann für einen weiteren Schutz gegen
ein unerwünschtes Durchsickern
von Metall eine Wulst aus Klebstoff oder Dichtungsmasse um den eingesetzten
Vorsprung 411 platziert werden.
-
Nunmehr
in 10 ist eine alternative Ausführungsform einer segmentierter
Hülse 501 dargestellt.
Bei dieser Ausführungsform
sind die Stirnseiten der einzelnen Einheiten A–E gemeinsam profiliert, um
ein Erreichen einer geeigneten Passanordnung zu erleichtern. Diesbezüglich ist
eine nachprüfbare
Sitzanordnung vorgesehen, um sicherzustellen, dass zwischen jedem
einzelnen Segment eine metalldichte Abdichtung gebildet wird.
-
Nunmehr
zu 11 übergehend
wird eine ausführliche
Ansicht einer eine Graphitstütze
mit einer Graphitbasis zusammenfügten
Anordnung bereitgestellt, um sowohl die gewünschte Toleranz hinsichtlich
der Wärmeausdehnung
als auch eine wünschenswerte
Konfiguration zum Erreichen einer fluiddichten Abdichtung zu veranschaulichen.
Insbesondere verläuft
eine Graphitstütze 601 durch
ein Loch 603 in einer Basisbaueinheit 605. Ein
mit einem Gewinde versehenes Abdeckelement 607 aus Graphit ist
am untersten Abschnitt der Stütze 601 angebracht.
An der oberen und auch an der unteren Schnittstelle der Stütze 601 und/oder
dem Abdeckelement 607 zu der Basisbaueinheit 605 sind
ein Vorsprung 609 und eine Aussparung 611 zusammenwirkend
vorgesehen, um eine fluiddichte Abdichtung zu erzeugen. Nunmehr
in 12 sind die winkligen Oberflächen des Vorsprungs und der
Aussparung dargestellt. Auf diese Weise wird eine fluiddichte Passfläche erreicht.
Die Passflächen
können
mit einer Dichtungsmasse (nicht gezeigt) gefüllt werden. Ein weiterer Vorteil
der vorliegenden Erfindung ist die Toleranz hinsichtlich der Wärmeausdehnung,
die durch den Spalt 613 erzielt wird.