-
Verfahren und Vorrichtung zum Raffinieren schmelzflüssiger Metalle,
insbesondere Leichtmetalle Es ist bekannt, schmelzflüssige Metalle bzw. Metallegierungen,
.insbesondere Leichtmetalle und deren Legierungen, mit Hilfe von durch die Schmelze
hindurchgeführten Reinigungs- oder Trägergasen zu raffinieren, d. h. unerwünschte
Bestandteile herabzusetzen oder zu entfernen. Die vorbekannten Verfahren dieser
Art arbeiten jedoch wenig wirtschaftlich. Der Grund hierfür ist im wesentlichen
darin zu suchen, daß die in die Schmelze eingeleiteten Gase keine ausreichende Zeit
haben, mit der Schmelze, d. h. mit den. herabzusetzenden bzw. zu entfernenden Stoffen
zu reagieren, so daß ein, erheblicher Teil der eingeleiteten Gase ungenutzt .in
-den Abzug gelangt und als verloren angesehen werden muß.
-
Es istbeispielfsweisebekannt,Aluminiumundseine Legierungen. durch
eingeleitetes Chlor und Stickstoff zu reinigen und .den MB-Gehalt herabzusetzen.
Hierzu bedient man sich, abgesehen von dem unmittelbaren Einblasen des Chlors durch
-ein Quarz-oder Kohlerohr in einen Tiegel, sogenannter Konverter oder auch drehbarer
Trommelöfen mit Düsenstöcken. Die Höhe der Metallschmelze in diesen Reinigungsgefäßen
ist begrenzt, so daß die Reinigungsgase nur kurze Wege durch die Schmelze zurückzulegen
haben. Die Reaktionszeit der Gase ist also zu kurz, um eine innige Berührung aller
Verunreinigungen mit den Gasen herbeizuführen. Daneben bereiten diese vorbekannten
Apparaturen erhebliche Schwierigkeiten, insbesondere hinsichtlich der Verteilung
der Gase durch die zahlreichen Düsen sowie durch Verstopfungen dieser Gaseintrittsöffnungen.
-
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, diese Mängel zu vermeiden
und ein Verfahren und eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung
zu
schaffen, die sich durch vollkommene Ausnutzung der meist teuren Reagenzien besonders
auszeichnen und dabei im Betrieb zuverlässig und störungsfrei arbeiten. Dieses Ziel
ist erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch erreicht, daß .den Gasen .die Möglichkeit
gegeben wird, lange Wege durch die reu behandelnde Schmelze zurückzulegen, wodurch
sie zuverlässig mit allen zu entfernenden Beimengungen und Verunreinigungen in Berührung
gebracht werden. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht deshalb vor, die Metallschmelze
in einem geschlos.senen Strom und, die Gase in entgegengesetzter Richtung durch
jenen hindurchzuführen, wobei die Durchflußgeschwindigkeit vorzugsweise regelbar
ist.
-
Das hierbei verwendete Gegenstromprinzip, erlaubt die Anwendung beliebig
hoher Metallsäulen, so !daß die Gase solch lange Wege .zurückzulegen haben, daß
sie mit Sicherheit auf ihrem Wege zur Reaktion und vollständigen Ausnutzung gebracht
werden können. Außerdem tritt durch" das Gegenstromprinzip eine gegenseitige Beeinflussung
der Strömungsgeschwindigkeiten der Metallschmelze und der Gase ein, .die dazu benutzt
werden kann, durch Regelung der Strömungsgeschwindigkeit der Schmelze oder der Gase
oder beider Mittel die Relativgeschwindigkeit und damit die Reaktioniszeit in weiten
Grenzen zu regeln. Die veränderbare Durchströmgeschwindigkeit, zu deren Regelung
die verschiedensten Möglichkeiten zur Verfügung stehen, gestattet eine weitgehende
Anpassung des Verfahrens an .die jeweiligen Betriebsbedingungen, wie Verunreinigungsgrad
der Schmelze, Wirksamkeit der Reinigungsgase u. a. #m. Der geschlossene Metallstrom
bietet den Vorteil, daß die Gase zwangsmäßig durch -diesen hindurch müssen und an
keiner Stelle des Metallsäulenquerschnitis ohne Berührung mit der Schmelze bleiben.
-
:Die Regelung der Durchflußgeschwindigkeit der Schmelze wird am besten
dadurch vorgenommen, daß der End- oder Auslaßquerschnitt eines den geschlossenen
Metallstrom führenden. Schachtes verändert wird. Zur Verbesserung .dieser Regelmöglichkeit
kann jedoch auch. der Querschnitt des säulenförmigen Metallstroms selbst veränderbar
sein. Die Geschwindigkeit der Gase kann durch Regelung des Gasdrucks bestimmt werden.
-
Ferner empfiehlt es sich, den. Metallstrom in Wirbelbewegung zu versetzen;
um eine besonders innige Durchmischung von Schmelze -und Gasen herbeizuführen. Diese
Durchwirbelung läßt sich mit einfachen Mitteln zuverlIssig dadurch bewerkstelligen,
daß der Querschnitt des Metallstroms in Strömungsrichtung verändert wird. Die zur
Durchführung .des Verfahrens bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung sieht deshalb.
einen. langen, rohrförmigen Durchlaufschacht vor, dessen Hohlraum .sich in Strömungsrichtung
der Metallschmelze vorzugsweise trichterförmig verjüngt. Dabei kann diese Verjüngung
mehrfach, insbesondere an zwei übereinanderliegenden Stellen, vorgesehen sein. Neben
der guten Durchwirbelung haben - diese trichterförmigen Verjüngungen noch den Zweck,
die Gaseintritte aufzunehmen. Die Gase treten dadurch gerade an den Stellen größer
Bewegung der Schmelze ein, so daß sie schnell und sicher mit der Schmelze vermischt
-werden und Gelegenheit haben, mit allen Teilen der Schmelze in Berührung zu kommen.
Die vorzugsweise vorgewärmten Gase werden dabei zweckmäßig,durchDüsen aus porösem
Werkstoff - hindurchgedrüdkt, die vorteilhaft in Form von Düsensteinen .die trichterförmigen
Wandteile des Durchlaufschachis bilden oder auskleiden. Durch diese Porendüsen werden
die Gase in feinster Verteilung in die Schmelze eingebracht, -wodurch 'ihre Wirksamkeit
und Reaktionsfähigkeit beträchtlich gesteigert wird. Die Vorwärmung .der Gase werfolgt
,den Zweck, zu verhindern, daß die feinen Gas-- bläschen beize Eintritt in die Schmelze
durch nachträgliche Erwärmungsich ausdehnen und so größer -werden.
-
Weist der Durchlaufschacht zwei oder mehr Verjüngungsstufen auf oder
sind übereinander wenigstens zwei Gaseinlässevorgesehen, dann bieten sich besonders
vorteilhafte Möglichkeiten zur wirksamen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Man kann dann: nämlich die Gase wahlweise an verschiedenen Stellen einleiten und
durch die Wahl des jeweiligen Gaseintritts die Höhe des von den Gasen zu durchtretenden
Metallstroms regeln. Man kann. aber auch mit mehreren Gaseinlässen zugleich arbeiten,
wodurch die Möglichkeit geboten wird, verschiedene Gase, z. B. Chlor und Stickstoff,
gleichzeitig und an verschiedenen Stellen .des Metallstroms einzublasen. Die Schmelze
wird dann beispielsweise bei ihrem Durchfluß durch den Durchlaufschacht zunächst
durch Chlor und dann später durch Stickstoff behandelt.
-
Der Durchlaufschacht ist zweckmäßig kippbar, um ihn gewünschtenfalls
in, verschiedenen Stellungen verwenden zu können, z. B. um ihn; in geneigter Stellung
zu beschicken. Ferner empfiehlt es sich, oberhalb des Durchlauf schachts einen!
Vorratsbehälter für die zu behandelnde Schmelze anzuordnen, von dem aus die Schmelze
mit vorzugsweise regelbarer Geschwindigkeit in den Schacht entlassen werden kann.
Bei einer solchen Anordnung können die den Schmelzenstrom nach oben verlassenden
Gase noch durch im Vorratsbehälter befindliche Schmelze hindurchgeblasen werden,
um hier bereits eine Vorreinigung zu ermöglichen. Man kann die Gase natürlich auch
schon vorher absaugen.
-
Die Kippbarkeit des Durchlaufschachts läßt sich bei Anordnung eines
oberen Vorratsbehälters dadurch ermöglichen, daß der Schacht schwenkbar an dem Vorratsbehälter
aufgehängt wird.
-
Urre Wärmeverlusfie zu vermeiden, die unter Umständen dazu führen
können, daß sich,die außen im Metallstrom herabfließende Schmelze abkühlt, empfiehlt
es sich ferner, eine Wärmeschutzhaube vorzusehen, .die den Schacht umgibt und mit
Auslaßöffnungen für die Abgase versehen ist. Dieser Wärmeschutzmantel ist besonders,dann
empfehlenswert, wenn .die Schmelze aus dem Durchlaufschacht -in einen Auffangbehälter
fließt, da dann die Wärme
der hierin gesammelten Schmelze dazu benutzt
werden kann, das Innere der Wärmehaube zu erwärmen, indem an deren unterem Ende
eine Öffnung zum Eintritt .der Wärme vorgesehen -wird.
-
In der Zeichnung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in mehreren
Ausführungsbeispielen dargestellt. Es zeigt Fi.g. i einen senkrechten Längsschnitt
durch Vorratsbehälter und: Durchlaufschaebt, Fig. 2 einen Durchlaufschacht mit Wärmeschutzmantel,
Fig. 3 eine etwas geänderte Ausführungsform der Gef äße, Fig. 4 einen Querschnitt
hierzu nach der Linie IV-IV der Fig. 3, Fig. 5 und 6 den Auslaufverschluß in Schließ-und
in Offenstellung nach der ersten Ausführung, Fig.7 und 8 je eine den Fig. 5 und
6 entsprechende Darstellung :einer abgewandelten Form und Fiig, g einen Querschnitt
durch den Schacht in Höhe der Ouerschnittsregelung.
-
An einem die zu behandelnde Schmelze aufnehmenden Vorratsbehälter
io ist in Haken: i i ein rohrförmiger Durchlaufschacht 12, 12 schwenkbar oder pendelnd
aufgehängt, so daß er in jede gewünschte Neigung gebracht werden: kann. Der Durchlaufschacht
hat einen zylindrischen Querschnitt, der sich nach unten hin zweimal verjüngt, d.
h. an :einen oberen Schachtteil 12 größerer lichter Weite schließt sich über eine
keigelige Verjüngungsstufe 13 ein etwas kürzerer Schachtteil 12' geringerer lichter
Weite an, der nach unten hin. halbkugelig verjüngt ist und am Ende .dieser Verjüngungsstufe
14 einen Auslaß i 5 aufweist.
-
Die beiden Verjüngungsstufen 13, 14 sind ringsum mit feinporigen Körpern,
beispielsweise Porensteinen 16, i6' ausgekleidet. Um die Porensteine herum befindet
sich ein ringfÖrmiger Hohlraum 17, 17', in den eine oder mehrere Zuführungsleitungen
18, 18' für die Behandlungsmittel münden. In der oberen Verjüngungsstufe 13 i,st
in dem Ringraum 17 eine Heizung, beispielsweise eine elektrische Widerstandsheizung
ig, angeordnet, die zum Vorwärmen der Behandlungsmittel dient und diese meist gasförmigen
Stoffe etRva auf die Temperatur der Schmelze bringt.
-
Als Behandlungsmittel kommen im wesentlichen gasförmige Stoffe in
Frage, deren Wahl von der zu behandelnden Metallschmelze und dem gewünschten Zweck
abhängt. An Stelle von echten Gasen können auch Dämpfe, beispielsweise Wasserdampf,
Metalldämpfe od. dgl., verwendet werden.. Diese können gleichfalls durch die Zuführrohre
18, 18' einsgeblasen werden. Bei leicht siedenden Stoffen, z. B. Schwefel, Phosphor
o.d. dgl., kann man die Verdampfung auch im Ringraum 17, 17' :der Düsen vornehmen,
indem man die Hitze der im Durchlaufschacht herabfließenden Schmelze zum Verdampfen
ausnutzt. Man kann sogar feste Stoffe verwenden, wenn man diese in feinverteilter
Form durch ein vorzugsweise indifferentes Trägergas in die Schmelze einbringt. Da
.diese festen Stoffe .durch die gasdurchlässigen Porensteine 16, 16' nicht ohne
weiteres hindurchgehen, empfiehlt es sich, in den Steinen besondere Kanäle 2o vorzusehen,
.durch die man die Feststoffe unter Vermittlung des Trägergases einbläst (vgl. hierzu
die Darstellung in der rechten: Hälfte der unteren Verjüngungsstufe 14 in Fig. 1.
-
An Stelle einer trichterförmigen Ausmauerung oder Auskleidung :der
Verjüngungsstufen können auch anders gestaltete poröse Düsen verwendet werden. So
scann, wie in Fig. 3 und 4 dargestellt, in die Verjüngungsstufe des Schachtes 12,
12' ein hohler Querstopfen 21 eingesetzt sein, durch dessen Hohlraum das Gas zugeführt
wird. Die durch den Schacht herabströmende Schmelze umfließt hierbei .den Querstopfen.
Um die dabei auftretende seitliche Abnutzung des Stopfens auszugleichen, kann dieser
um etwa go° gedreht werden, wodurch die bis dahin nicht abgenutzten Flanken mit
dem Metallstrom in Berührung kommen.
-
Der Zulauf der im Vorratsbehälter io befind liehen Schmelze in den
Schacht 12, 12 kann durch einen Stopfen 22 in einer Bo denöffnung des Behälters
io geregelt werden. Die Geschwindigkeit, mit der die Schmelze den Schacht in einem
geschlossenen Strom in Form einer Metallsäule durchfließt, läßt sich in ebenso einfacher
Weise durch Veränderung des Auslaßquerschnitts regeln. Zu diesem Zweck kann -beispielsweise
(vgl. Fig. 5 biss 8) am Boden eines -die behandelte Schmelze auffangenden Gefäßes
23 ein Lehmstopfen 24 vorgese#hen sein, in den die Schachtmündung 25 eingreift.
Durch leichtes Anheben .des Schachtes wird der Auslaß frei, so :daß die im Schacht
:befindliche Schmelze abzufließen beginnt. Je nach dem freigegebenen Querschnitt
ist die Geschwindigkeit größer oder kleiner.
-
Eine besonders vorteilhafte Regelmöglichkeit besteht darin, .daß auf
dein Boden des Gefäßes ein Kegel 26: aus Sintermasse aufgesetzt ist, der den vorzugsweise
hohlkegeligen Schachtauslauf 25 verschließt. Durch Anheben -des Schachtes 12, 12'
oder Absenken des Gefäßes 23 läßt sich der Auslaßquerschnitt nach Wunsch einstellen.
-
Eine weitere Regelmöglichkeit für die Durchlauf- bzw. Reaktionsgeschwindigkeit
besteht darin, innerhalb des Schachtes 12, 12 radial stehende Schieber 27 (Fi-g.
g) anzuordnen, .die, mehr oder weniger in den Schachthohlraum eingeschoben, desisen
Querschnitt verändern.
-
Schließlich bildet der Druck, mit dem die Gase in ,die Schmelze eingedrückt
werden, eine Möglichkeit zur Regelung der Reaktions- bzw. Durchlaufgeschwindigkeit.
Die durch die Düsensteine 16, i6' unter einem vorbestimmbaren Druck eintretenden
Gase können einen tierartigen Auftrieb entwickeln, :,aß die Schmelze nur sehr langsam
nach unten gelangt; ja, es -ist sogar durchaus möglich, die Schmelze durch den Gasdruck
in der Schwebe zu halten.
-
Durch diese mannigfachen: Regelmöglichkeiten kann d:1121 Relativgeschwindigkeit
zwischen -der im Schacht 12, 12' nach unten strömenden Metallschmelze
und
den aufwärts steigenden und durch einen seitlichen Abzug 2,8 abgezogenen
Gase praktisch in .solchen Grenzen geregelt werden, daß die Vorrichtung allen vorkommenden
Betriebsverhältnissen anpaßbar ist.
-
Die Vorrichtung kann in der Weise gehandhabt werden, .daß der Verschlußstop£en
22 des Vorratsbehälters io geöffnet wird, worauf sich der Durchlaufschacht 12, 12'
von oben her ständig nachfüllt, während eine vorausbestimmbare Menge an Schmelze
durch den Auslaß 15,:25 abfließt. Durch die Düsensteine 16, 16' werden Gase, Dämpfe
oder von Trägergasen geförderte F°ststoffe in die Schmelze einsgeführt, wobei :die
Poren der Düsen für eine Verteilung der Gase und Dämpfe in feinsten Bläschen sorgen.
Die Gase und Dämpfe sind dabei zweckmäßig vorgewärmt, so daß nach dem Eintritt der
feinstverteilten Gas- oder Dampfbläschen in die Schmelze keine Expansion mehr eintritt,
diese also ihre kleine Form beibehalten.
-
Die Verjüngungsstufen 13, 14 des Schachtes 12, i2' bewirken in der
strömenden Schmelze eine Dürchwirbelung. Da an diesen Stellen zugleich die Gase
zugeführt werden, so werden diese schnell und wirkungsvoll in der Schmelze verteilt,
wodurch eine Gewähr dafür geboten ist, daß die Gase den ganzen Schmelzenquernschnitt
durchsetzen. DieGase steigen begünstigt durch .den im Abzug 28 erzeugten Sog nach
oben, während die Schmelze ständig nach unten fließt. Die frischen Gase kommen dadurch
mit der bereits teilweise gereinigten Schmelze in Berührung, während umgekehrt die
weitgehend ausgenutzten Gase mit der frischen Schmelze zusammengebracht werden.
Hierdurch wird die restlose Ausnutzung der Behandlungsmittel weitgehend gefördert.
-
Man kann durch die verschiedenartige Benutzung der Vorrichtung alle
möglichen, hüttenmännischen Verfahren ausüben. So kann man beispielsweise die Reinigungs-
oder Trägergase nur in der oberen Verjüngungsstufe 13 oder nur in der unteren Verjüngungsstufe-14
zuführen, wodurch -der von den Gasen zurückgelegte Weg verlän.gerbar oder verkürzbar
ist. Je nach der benutzten Düsenreihe durchsetzen die Gase entweder nur den weiteren
Schachtteil oder beide Teile. Man kann aber auch mit beiden Düsen, gleichzeitig
Gas einblasen. In diesem Fall hat man die Wahl, entweder in beiden Stufen die gleichen
Gase zu nehmen oder aber auch verschiedene Gase zur Armwendung zu bringen. Die Vorrichtung
-ist durch diese reichen Möglichkeiten, die noch dadurch vergrößert werden können,
daß man mehr als zwei Verjüngungsstufen oder Gaseinlässe vorsieht, für alle vorkommenden
Raffinierverfahren: verwendbar. So können außer Leichtmetallen auch andere Metallschmelzen
behandelt werden. Beispielsweise kann man mittels Wasserdampf Bleipolen oder Eisen
und Stahl mittels durch Trägergase eingeblasene Soda entschwefeln.
-
Um den Durchlaufschacht gegen Wärmeverluste zu schützen, ist ein Wärmeschutzmantel33
vorgesehen, der den Schacht 12, 12' umgibt. Wie aus Fig.2 ersichtlich, hat dieser
Schutzmantel eine mittlere Bodenöffnung 29, durch die die von einem Sammelgefäß
30 aufsteigende Wärme aufgefangen und an, dem Schacht entlang nach oben geleitet
wird, wo sie zusammen mit etwaigen Abgasen durch Schlitze 31 austritt und
durch einen Abzug 32 entweicht.
-
Statt die Gase, wie in Fig. i dargestellt, seitlich am Schachtende
28 abzusaugen, kann man sie bei oberhalb des Schachtes angeordnetem Vorratsbehälter
io auch durch diesen hindurchleiten, so daß im Vorratsbehälter bereits eine Vorbehandlung
der Schmelze durch die bereits weitgehendst ausgenutzten Reinigungsgase stattfindet.