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Verfahren zurr Entgasen und Reinigen von geschmolzenem Aluminium Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Entfernen von gelöstem
oder aufgenommenem Gas und anderen Verunrelin;igungen aus geschmolzenem Aluminium
und Aluminiumlegierungen. Zur Vereinfachung werden Aluminium und Aluminiumlegierungen
lediglich mit Aluminium bezeichnet.
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Es ist bekannt, daß geschmolzenes Aluminium verschiedene Gase entweder
unmittelbar aus der Luft oder aus den mit dem flüssigen Metall in Berührung kommenden
Feststoffen oder durch Umsetzung von chemischen Verbindungen mit diem Aluminium
aufnimmt. Wasserstoff scheint den größten Teil des in Aluminium auftretenden Gases
zu bilden und wird hauptsächlich für Fehler verantwortlich gemacht, die infolge
des in dem Metall vorhandenen .Gases auftreten. Es ist weiter bekannt, daß sich
die von dem geschmolzenen Metall gehaltene Gasmenge mit der Temperatur ändert, wobei
die Fähigkeit zum Gaseinschluß mit der Temperatur abnimmt, und daß einige Gase freigegeben
werden, wenn sich das flüssige Metall abkühlt. Von größter Wichtigkeit ist dabei
die Tatsache, daß beim Erstarren des geschmolzenen Metalls ein verhältnismäßig großer
Teil des von dem Metall gehaltenen Gases ausgestoßen wird, so
'daß
sich in dem Gußstück Bläschen oder andere Hohlräume bilden. Diese Unterbrechungen
im Gefüge sind sowohl hinsichtlich der Festigkeitsverminderung des Metalls als auch
hinsichtlich des Oberflächenaussehens nachteilig, wenn diese Hohlräume an der Oberfläche
auftreten. Aus diesen und aus anderen Gründen ist es daher allgemein üblich, die
Gasaufnahme durch sorgfältiges Schmelzen und durch die Erfahrungen der Praxis zu
vormindern.
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Zum Entfernen des während des Schmelzens aufgenommenen Gases sind
bereits 'verschiedenartige Behandlungen vorgeschlagen worden. Eines der am meisten
nachteiligen Verfahren besteht darin, oberhalb des geschmolzenen Metallbades -ein
Vakuum zu erzeugen und jedes aus dem Metall diffundierende Gas herauszuziehen. Diese
Behandlungsart ist schwierig und kostspielig in gewerblichem Maßstab auszuführen
und erfordert eine lange Behandlungszeit, um im wesentlichen das gesamte Gas zu
entfernen. Außerdem werden bei dieser Behandlung keine der festen Verunreinigungen
entfernt, die in dem gesamten Metallbad dispergiert sind.
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Ein anderes Verfahren besteht darin, in die Schmelze kleine Mengen
von bestimmten: festen Halogeniden einzubringen, die sich entweder mit dem Aluminium
umsetzen, um einen Halogeniddampf zu bilden; oder die ohne Umsetzung verdampfen.
Zinkchlorid oder Chlorzink ist ein Beispiel der ersten Art, während Aluminiumchlorid
ein Beispiel der zweiten Art ist. Derartige Behandlungen. werden für gewöhnlich
in einem Ofen oder in einer offenen Pfanne ausgeführt, und es wird bei diesen Behandlungen
nicht viel Gas entfernt, wenn nicht sehr große Mengen der Halogenide zur Verwendung
gelangen. Die starke Rauchentwicklung bei dieser Behandlung bildet ein schwierig
zu lösendes Problem.
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Ein anderes Verfahren, das, beim Schmelzen, und Reinigen von Aluminium
weitgehend verwendet worden ist, besteht darin, gasförmiges Chlor durch das. Metall
kure vor dessen Gießen in Form vom Bläschen hindurchzuleten. Diese Behandlung wird
ebenfalls in einem Ofen oder in einer Pfanne ausgeführt, wobei eine .sehr starke
Rauchentwicklung stattfindet. Zum Senken des Gasgehaltes des Metalls auf einen niedriger.
Wert muß üblicherweise eine große Chlormenge für längere Zeit eingeführt werden.
Dies bedeutet, daß eine Metallbeha.ndlu.ngsvorrichtung für längere Zeit beansprucht
wird und daß daher eine große Zahl dieser Vo-rrichtungen erforderlich. ist, um die
Ausgangsleistung einiger weniger Schmelzöfen zu behandeln. Als Beispiel für die
verbrauchte Chlormenge sei `erwähnt, daß es nicht unüblich ist, 13 kg Chlor in eine
Schmelze von 225o kg während einer Zeitdauer von etwa 2o Minuten einzuführen, um
eine Verminderung des Gasgehaltes der Schmalze zu erzielen. Die Chlorbehandlung
ist daher ein teures Arbeitsverfahren..
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Miit der Erfindung soll ein Verfahren geschaffen werden, bei dem im
wesentlichen das von einer Aluminiumschmelze gehaltene Gas schnell entfernt wird.
Weiter zielt die Erfindung darauf, die Natriumverunreinigungen einer Schmelze bei
ihrem Entgasen zu vermindern. Weiter soll ein Verfahren geschaffen werden, mit dem
ein Aluminiumstrom wirksam entgast wird, der von einem Schmelzofen zu einer Gießform
oder einem anderen Behälter geleitet wird. Ferner soll ein Verfahren geschaffen
werden, bei dem bestimmte Legierungsbestandteile gleichzeitig mit der Entgasung
zugesetzt werden können. Schließlich zielt die Erfindung auf einen Entgasungsaufbau,
der eine verhältnismäßig große Menge an geschmolzenem Metall in kurzer Zeit behandeln
kann.." Diese und andere Ziele und Vorteile der Erfindung werden. mit der nachstehend
beschriebenen Erfindung erreicht, wobei Beispiele gegeben sind, die die Lehren der
Erfindung erläutert, jedoch nicht als Begrenzungen aufzufassen sind.
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Es wurde gefunden, daß geschmolzenes Aluminium schnell, sicher und
wirtschaftlich günstig dadurch entgast werden kann, daß das geschmolzene Metall
in, feinverteilter Form über eine ,inaktive Atmosphäre geleitet wird, die dampfförmiges
Aluminiumchlorid als den wesentlichen aktiven Bestandteil der Atmosphäre enthält.
Mit der gleichen Behandlung kann auch die- Natriumverunreinigung der Schmelze vermindert
werden. Zur Erzielung dieser schnellen Entgasung und Reinigung der Schmelze ist
es notwendig, dem Volumen gegenüber eine sehr große Oberfläche zu schaffen, um die
größte Fläche des Metalls dem Aluminiumchloridd'ampf auszusetzen. Unter dem Ausdruck
inaktive Atmosphäre ist eine Atmosphäre zu verstehen, die bei ihrer Berührung mit
dem geschmolzenen: Metall den Gasgehalt dies geschmolzenen Metalls nicht erhöht.
Eine derartige Atmosphäre kann Stickstoff, Helium oder ähnliche Gase oder Trockenluft
oder selbst Luft mit einem kleinen Feuchtigkeitsgehalt enthalten, darf aber auf
keinen Fall Wasserstoff oder Wasserstoff ergebende Verbindungen in so- großen Mengen
aufweisen, daß der Wasserstoff in die Schmelze eingeführt und dadurch der Gasgehalt
der Schmelze erhöht wird.
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Wie erwähnt, vermindert die Behandlung nicht nur den Gasgehalt des
geschmolzenen Metalls, sondern entfernt auch feste Verunreinigungen. Beispielsweise
wird die Natrium- und Kalziumverunreinigung einer Schmelze dadurch gesenkt, daß
die Schmelze der Einwirkung einer Aluminiumchloridatmosphäre ausgesetzt wird. Außerdem
werden. suspendierte und in dem geschmolzenen Metall dispergierte Oxydteilchen frei
gemacht. Diese nicht flüchtigen Verunreinigungen sammeln sich auf der Oberfläche
der Schmelze in der Entgasungsvorrichtung.
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Das Entgasen und Reinigen kann dadurch ausgeführt werden, daß das
geschmolzene Metall in Tröpfchen oder sehr dünne Ströme unterteilt wird, die eine
mit einer Aluminiumchlorid enthaltenden Atmosphäre gefüllte Kammer durchströmen.
Um die gewünschte schnelle Wirkung zu erzielen, ist es
ratsam, einen
Strom aus Aluminiumchloriddampf durch den Behandlungsraum hindurchzuleiten. Die
dauernde Bewegung von Aluminiumchlorid in der Kammer schwemmt das aus dem geschmolzenen
Metall frei gewordene Gas ab und führt dieses Gas aus der Behandlungskammer weg,
so daß gleichzeitig eine Wiederaufnahme dieses Gases verhütet wird. Schließlich
wird das erfindungsgemäß gereinigte und entgaste Metall sofort aus der Behandlungskammer
abgeleitet und zu Formen oder anderen Behältern, geleitet, ehe eine Neuaufnahme
von Gas stattfinden kann.
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Die Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens ist einfach und gedrängt
im Aufbau und enthält keine beweglichen Teile. Die Vorrichtung ist daher leicht
im betriebsbereiten Zustand zu halten. Abgenutzte Teile sind leicht zu ersetzen.
Die Vorrichtung kann in Form einer kleinen Einheit ausgeführt werden, die eine einzige
Metallbeschickung, beispielsweise aus. einer Haltepfanne, aufnimmt oder die in die
Metallförderleitung zwischen einem Schmelzofen und einer GußblockgießvoTrichtung
eingeschaltet werden kann. Durch Anbau eines Kondensators an der Einheit können
praktisch die gesamten Aluminiumchdoriddämpfe kondensiert werden, so daß keine Verunreinigungen
der angrenzenden Außenluft erfolgt. Die gesamte Vorrichtung arbeitet bei Außenluftdruck,
so daß eine teure Pumpenlage zum Leerpumpen der Behandlungskammer vermieden wird..
Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung
ist Fig. i ein: Schnitt einer einfachen Entgasung-svGrrichtung, Fig. 2 eine Draufsicht
auf die Vorrichtung nach Fig. i, Fig. 3 eine teilweise geschnittene Ansicht einer
abgeänderten Ausführung und Fig. 4 eine Draufsicht der Vorrichtung nach Fig. 3.
Das mit schwer schmelzendem Material 12 ausgekleidete Stahlgehäuse io (Fig. i) bildet
die Bodenwand und die Seitenwände der Kammer 14, in der die Entgasungs- und Reinigungsbehandlung
ausgeführt wird. Die Oberseite der Kammer wird von einer gelochten Platte 22 geschlossen,
die den Boden des Verteilbehälters 2o bildet, der auf dein Bodenflansch 28 getragen
wird. Im Betrieb wird der Verteilbehälter :2o mit geschmolzenem Metall gefüllt,
so daß keine Luft zur Behandlungskammer treten kann. Der Verteilbehälter --o ruht
auf dem Deckenflansch r6 der lotrechten Wand der Kammer auf. Eine Abdichtung 18,
beispielsweise ein Asbestseil, ist zwischen Flansch 16 und Bodenflansch 28 des Verteilbehälters
2o eingeschaltet, um eine gasdichte Verbindung aufrechtzuerhalten.
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An die Behandlungskammer 14 schließt sich unmittelbar ein Abflußbecken
4o an, das mit der Kammer r4 über eine Öffnung 38 in Verbindung steht. Das Gehäuse
24 des Beckens 40 ist ebenfalls mit feuerfestem Material 12 ausgekleidet. Von denn.
Becken 4o erfolgt eine Entleerung über eine in der Außenwand des Beckens angebrachte
Abflußrinne 42. Der die gewünschte Atmosphäre herstellende Aluminiumchloriddampf
wird der Kammer von einer Außenquelle über eine Einlaßleitung 30 und eine
entsprechende Öffnung 32 in der feuerfesten Auskleidung zugeführt, während der abströmende
Aluminiumchloriddampf über eine Öffnung 36 und in Rohrleitung 34 einem Kondensator
oder einer anderen zweckdienlichen Vorrichtung zur Aufnahme des Halogeniddampfes
zugeleitet wird.
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Das zu entgasende geschmolzene Metall wird der Vorrichtung in der
Rinne 44 zugeführt. Der bis zum Spiegel 48 gefüllte Verteilbehälter 20 verteilt
die geschmolzene Beschickung auf die Behandlungskammer. Die Platte 22 hat Öffnungen
26, die die Schmelze in Form von Tröpfchen 5o unterteilen, die in der Kammer zum
Metallsumpf 52 fallen. Wenn der in der Kammer und in dem Abflußbecken vorhandene
Metallspiegel über die Unterfläche der Abflußrinne 42 steigt, erfolgt ein Abfließen
des, entgasten Metalls.
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Die in Fig. 3 dargestellte Abänderung der Ausführung nach Fig. i zeigt
ein Verfahren, bei dem der Aluminiumchloriddampf in anderer Weise der Behandlungskammer
zugeführt wird. Hier wird gasförmiges Chlor unter die Oberfläche des Metallsumpfes
52 mittels eines langen, nach unten gerichteten Rohres 70 zugeführt. Bei
dieser Anordnung ist eine gasdichte Verbindung an der Stelle vorgesehen, an der
das Rohr 7o die Platte 22 durchsetzt. Es können auch andere Vorrichtungen zum Einleiten
des Chlors verwendet werden, beispielsweise ein waagerecht gelochtes Rohr; das sich
nahe dem Boden der Entgas.ungskammer befindet. Bei der Berührung zwischen Chlor
und. Aluminium wird Aluminiumchloriddampf gebildet, der gemeinsam mit allem nicht
unigesetzten Chlor in dem Metall in Form von B-räschen 72 steigt. Der Aluminiumchloriddampf
verläßt die Kammer über die Öffnung 6o und das Rohr 62 und wird in einen mit Wasserschlangen
68 gefüllten Kondensator 64 geführt. Das nicht kondensierte Aluminiumchlorid und
die zugehörenden Gase können aus dein Entlüfter 66 abgeleitet werden. Die in den
-Eig. i und 3 dargestellten Anlagen arbeiten im wesentlichen bei Außenluftdruck.
Es ist nur ein genügender Druck erfodarlich, um das: Aluminiumchlorid durch die
Entgasungskaxnmer hindurchzutreiben.
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Vor den Arbeitsbeginn der Entgasungsvorrich tung soll die Vorrichtung
vorerwärmt werden, so daß sie vollkommen trocken ist und eine so hohe Temperatur
aufweist, daß das eingeführte geschmolzene Metall nicht erstarrt. Sobald der Zustrom
des geschmolzenen Metalls zur Vorrichtung begonnen hat, ist eine weitere Erwärmung
nicht mehr notwendig, da die aus dein geschmolzenen Metall stammende Wärme die Vorrichtung
auf der gewünschten Temperatur hält. Vor Einführen der Aluminiumchloridatmosphäre
oder des gasförm.i-Chlors soll die Kammer mit geschmolzenem Metall ungefähr bis
zum Spiegel 56 gefüllt werden, um die Kammer von dem Abflu:ßbecken 40 abzudichten
und auf diese Weise das Zuströmen von Außenluft oder anderen Gasen zur Kammer während
des Entgasens
und Reinigens zu verhüten. Wenn das geschmolzene Metall
diese Abdichtung bewirkt hat, wird das Aluminiumchlorid oder das gasförmige Chlor
eingeleitet und der Metallspiegel bis zur Ebene 58 kurz oberhalb des Bodens der
Abflußrinne4z des Beckens 40 erhöht. Um einen gleichförmigen Metallfluß in der Vorrichtung
aufrechtzuerhalten, muß der Metallspiegel in dem Verteilbehälter 2o auf einer im
wesentlichen gleichbleibenden Höhe gehalten werden. Der Zufluß läßt sich natürlich
durch Ändern der Höhe des Metallsumpfes im Verteilbehäfer 2o ändern. Es ist auch
manchmal erwünscht, einen Abschnitt der Öffnungen abzusperren,, wenn eine wesentliche
Verminderung des Metallflusses erreicht wird.
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Zum arfclgreichen Ausführen des V erfahrens und zur einwandfreien
- Herstellung der Vorrichtung sind verschiedene Faktoren von Wichtigkeit. Die Entgasungs-
und Reinigungsbehandlung muß in einen geschlossenen Raum ausgeführt werden, der
keine Verbindung mit der in dem Schmelzraum befindlichen Luft hat. Die in dem geschlossenen
Raum befindliche Atmosphäre muß als den wesentiichsteil Bestandteil Aluminiumchlorid
enthalten, denn dieser Bestandteil scheint die erforderlichen Verhältnisse zu schaffen,
bei denen das Gas aus dem unterteilten geschmolzenen Metall ausgetrieben wird und
sich mit den in dem geschmolzenen Metall befindlichen, Verunreinigungen umsetzt.
GewÜnschtenfalls kann das Aluminiumchlorid mit anderen. Gasen verdünnt werden, beispielsweise
mit Trockenluft, Stickstoff oder Helium., jedoch soll in keinem: Fallei das Aluminiumchlorid
in einer kleineren Menge vorhanden sein., als zum einwandfreien Ausführen der Entgasung
und Reinigung notwendig ist.
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Wenn das Alureiniumch.lorid aus einer Umsetzung zwischen Chlor und
Aluminium erzeugt wird, wird kein Ausströmen von Chlor aus der Behandlungskammer
beobachtet. Es ist möglich, daß etwas Chlor aus dem Metallsumpft austritt, jedoch
scheint sich hier das Chlor wahrscheinlich mit den Metalltröpfchen. umzusetzen.
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Wird. Chlor verwendet, dann ist nur eine verhältnismäßig kleine Menge
erforderlich, um die Menge an Aluminiumchlorid zu erzeugen, die für den. Entgas:ungs-
und Reinigungsvorgang wesentlich ist. Infolgedessen ist die Menge des zum Herstellen
des Chlorids verbrauchten Metalls so klein, daß sie vernachlässigt werden kann,.
Auch; die Menge des zum Entgasen verbrauchten Chlors ist klein im Vergleich zu den
bekannten Verfahren, bei denen Ch.lnr in einer geschmolzenen Beschickung in einem
Ofen oder in einer Pfanne hindurchgeperlt wird. Es ist weiter möglich, das Chlor
mit einem Gas, z. B. Trockenluft. Stickstoff oder Helium, zu -verdünnen; aber offensichtlich
muß genug Chlor zugeführt werden, um ejne genügende Menge an Aluminiumchlorid zu
erzeugen.
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Ein anderer bei der erfolgreichem Entgasungs-und Reinigungsbehandlung
zu beachtender Faktor ist darin zu sehen, daß ein Strom aus Aluminiumchlorid in
der Behandlungskammer aufrechterhalten wird. Fehlt ein derartiger Chloridsirom,
dann kommt die Entgasung nach kurzer Zeit zu einem Stillstand, da die Fähigkeit
der Chloriddämpfe, das Gas abzuleiten, sehr schnell verlorengeht. Eine ruhende Atmosphäre
ist auch nicht der richtige Betriebszustand für. die stetige Behandlung einer großen
Metallmenge. Obwohl die Größe des Aluminiurnchloridstromes nicht besonders von Bedeutung
ist, wird vorzugsweise für die meisten Entgasungsbehandlungen ein Strom vom, 0,45
bis 9 kg je Stunde bei einer Beschickung vom goo bis 13 5oo kg Aluminium aufrechterhalten.
In jedem Falle wird es notwendig sein, kleine Änderungen vorzunehmen, um die kleinste
Menge an Chlor ohne Verlust der Vorteile der Erfindung zu verwenden.
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Das Aluminiumchlorid braucht nicht von einer äußeren Quelle zugeführt
zu werden., sondern festes Halogenid, kann in den geschlossenen Raum entweder in
Berührung mit dem geschmolzenen. Metall gebracht oder nahe dem geschmolzenen Metall
aufgestellt werden. In beiden Fällen dient die Wärme des geschmolzenen Metalls zum
Verdampfen des Halogenides. Um einen ununterbrochenen Aluminiumchloridstrom in dem
Raum zu erzielen, muß das feste Chlorid entweder ununterbrochen oder absatzweise
zugeführt werden. Dadurch. können einige Betriebsschwierigkeiten entstehen, die
aber nicht vorhanden sind, wenn ein Gas oder ein Dampf in die Kammer eingeleitet
wird.
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Das Aluminiumchlorid kann auch noch auf andere Weise, als vorstehend
erwähnt, erzeug- werden. Beispielsweise können zersetzbare Metaldhalogenide in die
Behandlungskammer Kn fester Form oder Dampfform eingeführt werden, wobei die Halogenide
sich mit dem geschmolzenen Aluminium umsetzen. Als Halogenide können beispielsweise
Zinkchlorid, Borchlorid oder Titaniumchlorid verwendet werden. Außerdem können organische
Chloride verwendet werden.
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Ein: dritter Faktor bei der erfolgreichen Entgasung und Reinigung
von Aluminium besteht darin, das geschmolzene Metall in genügend kleine Tröpfchen
oder Ströme zu unterteilen, die ein fast sofortiges Abströmen oder Austreiben von
allen aufgelösten und aufgenommenen Gasen und eine sofortige Umsetzung mit allen
Natrium- oder Kalziumverunrein.igungen ermöglichen. Eine sehr wirksame Vorrichtung
zur Erzielung dieses Ergebnisses besteht darin, daß das Metall eine gelochte Platte,
wie sie in der Zeichnung dargestellt ist, durch strömt. Anstatt der Unterteilung
in Tröpfchen kann das flüssige Metall auch in sehr dünne: Ströme unterteilt werden,
was von der Größe der öffnungen und von der Größe des Druckes abhängt, der auf das
in Berührung mit der Platte liegende Metall ausgeübt wird. Es muß dabei vermieden
werden, daß die Öffnungen in der Platte so. klein sind, daß sie von dem Metall leicht
verstopft werden,. Erwünscht ist auch, die Öffnungen so weit voneinander auf Abstand
zu stellen., daß einzelne Tropfeilinien oder Ströme von Metall beibehalten werden.
Der einfachste Weg, das unterteilte Metall in der Kammer nach unten zu führen, besteht
darin, daß
die. Tröpfchen oder die Ströme unter dem Einfluß ihres
Gewichtes in der Kammer fallen. Es ist je-
doch auch möglich, das Metall in
die, Kammer in Form eines Sprühstrahles einzuspritzen und hierdurch das gleiche
Ergebnis zu erzielen. Infolge, der Einfachheit des unter eigenem Gewicht erfolgenden
Fließens wird dieses Verfahren im Großbetrieb allgemein bevorzugt.
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Ein weiterer Faktor ist darin zu sehen, daß ein genügender Abstand
vorgesehen wird, damit das unterteilte l etall die das Aluminiumchlorid enthaltende
Atmosphäre durchfallen kann. Bewegen sich die Metalltröpfchen oder Metallströme
mit hoher Geschwindigkeit, dann maß die in der Atmosphäre zurückgelegte Strecke
größer als bei geringer Geschwindigkeit sein. Eine Strecke, die so groß ist, daß
die Fallgeschwindigkeit erreicht wird, genügt für gewöhnlich. Wenn auch in der Theorie
eine größere Strecke und ein längeres Ausgesetztsein des. Metalls im Aluminiumchlorid
beim Entgasen des Metalls wirksamer ist, hat sich dies bei der praktischen Ausführung
nicht als notwendig erwiesen. Wenn das Metall von einer gelochten Platte auf einer
Strecke von 12,7 bis a0,3 cm von der Platte: bis zur Oberfläche des Metaflsump.fes
fällt, ist dies völlig ausreichend. Es ist natürlich nicht schädlich, eine größere
Fallhöhe in dieser Ausführung der Entgasungsvorrichtung oder in ähnlichen Ausführungen
zu verwenden. Hinsichtlich der Entgasungswirkung ist dies jedoch nicht notwendig.
Bei Vorrichtungen mit einer Fa:llhöhe von 12 bis ao cm ist es möglich gewesen, i36oo
kg Metall je: Stunde wirksam zu behandeln. Eine höhere. Strömungsgeschwindigkeit
kann verwendet werden, wenn genügend unverbrauchtes Aluminiumchlo,ri.d vorhanden
ist.
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Die, Größe der Metalltröpfchen oder Metallströme ist ebenfalls wichtig.
Zur schnellen und wirksamen Behandlung muß eine große Oberfläche je Volumeneinheit
des Metalls vorhanden sein. Ganz allgemein müssen in einer Fallanlage, wie sie in
den Fig. i und' 3 dargestellt ist, die in der gelochten Platte vorhandenen Öffnungen
so groß sein, daß ein freier Durchfluß des Metalls ohne Verstopfen der Öffnungen
erfolgt. Die Öffnungen dürfen jedoch nicht so, groß sein, daß das Metall nicht genügend
der Atmosphäre ausgesetzt wird. Öffnungen mit einem Durchmesser von a,79 und 4,06
mm ergeben eine angemessene Unterteilung de Metalls. Die Zahl der Öffnungen muß
ebenfalls bei der Behandlung eines vorbestimmten Metallvolumens in einer bestimmten
Zeitdauer berücksichtigt sein. Es wurde gefunden, daß beispielsweise eine Platte
von 26o mm Durchmesser mit ioo öffnungen von 4,06 mm Durchmesser bequem 3ooo kg
Metall je Stunde durchfließen läßt.
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Die Temperatur des zu behandelnden Metalls ist nicht von Bedeutung,
abgesehen davon, daß sie natürlich -so hoch sein m,uß, tun ein Erstarren in der
Entgasungsvarrichtung zu verhüten:. Die Metalltemperatur kann so hoch sein, wie
sie für gewöhnlich beim Schmelzen und Gießen verwendet wird, und kann beispielsweise
zwischen 676 und 76o° C liegen. Die Temperatur kann aber auch höher sein.
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Das hier beschriebene Verfahren und die Vorrichtung arbeiten einwandfrei
beim Entgasen und Reinigen von Aluminium und Aluminiumlegierungen. Weder das Aluminiumchlorid
noch das Chlor haben irgendeine merkbare Wirkung auf die meisten der üblichen Legierungselemente
in den Legierungen. Wenn eine Umsetzung erfolgt, so ist der Mengenverlust so, klein,
daß er unbedeutend ist. Ist Magnesium vorhanden, so: erfolgt -eine Umsetzung mit
dem Aluminiumchlorid und dem Chlor zu Chlormagnesium. Trotz der Umsetzung ist der
Metallfluß in der Vorrichtung so schnell, d'aß nur ein sehr kleiner Teil beeinträchtigt
wird, und dieser Teil ist sehr begrenzt infolge der kleinen Mengen, die dieses Element
in der Legierung hat, so daß zum- Ausgleich des Verlustes keine weiteren- Zusätze
benötigt werden.
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Das Vorhandensein von Magnesiumchlorid in der Behandlungskammer hat
sich bei dem En.tgasungsvorgang als merklich günstig herausgestellt, selbst wenn
es zuerst als unerwünschtes i\Tebenerzeugnis angesehen werden sollte. Es scheint
die Wirkung des Aluminiumchlorids zu ergänzen, wenn die Metalltröpfchen und dünnen
Metallströme, in diesem Chlorid ihren. Weg zu dem im Boden der Behandlungskammer
befindlichen Metallsumpf nehmen. Das flüssige, Magnes.iumchlorid schwimmt natürlich
auf der Oberfläche des geschmolzenen Metalls:, weil es eine sehr geringe Dichte
hat. Aus demselben Grunde wird es auch nicht mit dem aus der Kammer abgeleiteten
Metall mitgenommen. Wenn bei ununterbrochenem Arbeiten der Vorrichtung die Magnesiumchloridschicht
zu stark geworden ist, muß das Arbeiten unterbrochen und das Magnesiumchlorid entfernt
werden.
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Die Behandlung von geschmolzenem Aluminium mit einer Aluminiumch,lonidatmosphäre
dient, wie erwähnt, nicht nur zum Entgasen des Metalls, sondern verhindert auch
alle Natrium- oder Kalz.iumverunreinigungen des geschmolzenen Metalls. Für die-,
Zwecke der Erfindung werden- diese Elemente als eine Gruppe von metallischen Verunreinigungen
angesehen, die mittels der Behandlung entfernt werden. Diese Verunreinigungen sind
in bestimmten Aluminiumlegierungen, insbesondere in den Aluminium-Magnesium-Legierungen,
schädlich, so daß ihr Entfernen sehr erwünscht ist. Es wurde gefunden, daß beispiels-,veise
ein Natriumgehalt von 0,002 auf- o,ooi % in einer Aluminiumlegierung vermindert
werden kann, die 2,5% Magnesium und 0,25"/o Chrom enthält.
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Es ist auch möglich, in Verbindung mit der Aluminiumchloridatmasphäre
zersetzbare Halogenide von Elementen zu verwenden, die mit dem Aluminium legiert
werden sollen. Die Halogenide werden vorzugsweise verdampft und dem Aluminiumch.lorid'dampf
oder dem Chlor zugemischt. Es wurde gefunden, daß eine kleine Bor- oder Titaniummenge
in einfacher Weise zu einem Aluminiummetall zugefügt werden kann, wenn ein Gemisch,
aus Chlor und dampfförmigem Borchlorid oder dam.pfförm.igem
Titaniumchlorid
verwendet wird. Die Einführung dieser Legierungselemente kurz vor dem Gießen des
Metalls scheint eine günstigere Wirkung auf das Verfeinern der Korngröße. der entstehenden
Gußstücke zu haben als beim Zusatz dieses Elemetes in einem früheren Zustand des
Schmelzens.
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Das Verfahren und die Vorrichtung können in einer einstufigen. Behandlung
oder in einer mehrstufigen Behandlung verwendet werden, um Gas, Natrium und/oder
Kalzium aus geschmolzenem Aluminium zu entfernen. Die einstufige Behandlung, die
vorstehend erwähnt worden ist, vnird für gewöhnlich nur beim Entgasen von Aluminiumschmelzen
angewendet. Wenn .der Gasgehalt jedoch auf einen sehr geringen Wert gebracht werden
so 1 oder wenn es besonders schwierig ist, das Gas aus der Legierung herauszuziehen,
so werden zwei Vorrichtungen in Hin.tereinanderanordnung verwendet. Das gleiche
gilt für das Entfernen von Natrium- und Kalziumverunreinigungen. Bei der Hintereinanderanordnung
strömt der Abfluß aus der ersten Einheit durch die zweite Einheit. Gewünschtenfalls
kann noch eine Entgasungseinheit zugesetzt werden. Eine derartige mehrstufige Anordnung
kann auch vorteilhaft dort verwendet werden, wo eine große Gasmenge von der Schmelze
gehalten wird und, wo die Durchgangszeit durch eine einzige Einheit nicht genügt,
um das gesamte Gas zu entfernen.
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Ein anderer Vorteil, der sich aus der oben beschriebenen Behandlung
ergibt, ist darin zu sehen, daß eine Trennung von allen eingefangenem, Oxydteilchen.
erfolgt. Erfahrungsgemäß ergibt sich bei diesem Verfahren ein sauberes Metall bei
Verwendung von viel weniger Aluminiumchlorid und Chlor als bei den früheren Verfahren.
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Beim Aufbau der Vorrichtung wird die Behandlungskammer mit irgendeinem
zweckdienlichen schwer schmelzenden Material, beispielsweise Tonerde, Graphit oder
Sdliziumkarbid, das sich nicht mit geschmolzenem Aluminium oder Aluminiumchlorid
umsetzt, ausgekleidet. Erwünscht ist, daß das sch-wer schmalzende Metall nicht nur
dem Angriff des geschmolzenen Metalls widersteht, sondern. d'aß es auch: unempfindlich
gegen plötzliche Temperaturwechsel ist. Die gelochte Platte kann aus einer starken
Asbestpappe, Siliziumkarbid, Graphit oder auch Gußeisen bestehen. Es ist oft notwendig,
die Platte nach einer gewissen Verwendungszeit zu ersetzen, weil die Öffnungen aus
genagt sind, so daß daher eine Platte aus verhältnismäßig billigem Material verwendet
werden soll.
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Hinsichtlich des Aufbaues des Apparates wird das Aluminiumchlorid
in die Kammer in einer Öffnung in der senkrechten Wand oder .in einem Rohr zugeführt,
das die durchlochte Platte oder eine andere Decke der Kammer durchsetzt. Ebenso
kann der Aluminiumchloriddampf in Öffnungen der Wände oder des Deckels der Kammer
abgeführt werden. Das Metall kann auch durch eine Abstichöffnung im Boden der Kammer
abgeleitet werden, also nicht in einem Abflußbecken, wie dies in den Figuren dargestellt
ist. Vorrichtungen zum. Zuführen von Metall zum Verteilbehälter 20 und zum T-erausziehen
des Metalls aus der Vorrichtung sind üblich. und bekannt.
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Zur Erläuterung des Wirkungsgrades des Verfahrens und der Vorrichtung
werden die nachstehenden Beispiele gegeben: In einer Gruppe von Versuchen, bei denen
gleichzeitig vier Gußblöcke aus einer Aluminiumlegierung mit 2,5% Magnesium und
o,25 % Chrom in ununterbrochen arbeitenden Gießvorrichtungen gegossen wurden, erfolgte
die Zuführung des geschmolzenen Metalls aus einem Schmelzofen mit einer Menge, von
to ooo kg je Stunde. Eine Entgasungsvorri.chtung der in den Eig. 3 und 4. dargestellten
Ausführungen wurde in die Übertragungsleitung eingeschaltet, um das gesamte aus
dem Ofen kommende Metall zu behandeln. Gasförmiges Chlor wurde in das geschmolzene
Metall mit einer Menge von 9 kg/Std. zur entsprechenden Erzeugung von Aluminium-
und Magnesiumchlorid eingeführt. Eine kleine Menge des Magnesiumchlorids wurde nach
jedem Gießvorgang aus der Vorrichtung herausgenommen. Proben des Metalls wurden
genommen, ehe das Metall in die Entgasungsvorrichtung eingeführt wurde, und nachdem
das Metall die Vorrichtung durchlaufen hatte, um an den Proben die Dichte des Metalls
zu messen, die auch den Gasgehalt des Metalls angibt. Die Dichtebestimmungen wurden
nach dem Pfenffer-Vakuurn-Verfahren ausgeführt, das in der Veröffentlichung Foseco
Fouudry Practice, Nr. 1o2, November 195o, S.4.81 und, 482, beschrieben ist, und
zwar mit einem Druck von 2 bis 3 mm. Die Dichte bei verschiedenen Versuchen, oder
Güssen der Legierungen sind in Tabelle I wiedergegeben.
| Tabelle I |
| Dichten einer Legierung aus Aluminium |
| mit 2,50 /0 Mg und 0,25% Cr |
| Versuch Nr. Dichte (g/ccm) |
| vor dem Entgasen I nach dem Entgasen |
| I 2,4 2,6 |
| 2 2,3 2,6 |
| 3 2,3 2,6 |
| 4 2,4 2"65 |
| 5 2,4 2,6 |
| 6 2,4 2,65 |
Dieselbe Legierung, die in Luft erstarrt war und kein Gas zeigte, hatte eine Dichte
von 2,6 bis 2,65. Offensichtlich ist das. Gas in dem Metall für alle praktischen
Zwecke völlig entfernt, so daß daraus die Leistungsfähigkeit des Vergasungsverfahrens
erkannt werden kann..
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Bei einem zweiten Versuch zum Gießen von Gußblöcken der gleichen Art
wurde eine Legierung verwendet, die aus Aluminium mit 5,6% Zink, 2,5% Magnesium,
1,3% Kupfer und 0,3% Chrom bestand.
Es wurden folgende Ergebnisse
erzielt, wobei die Legierung mit einer Menge von 12 ooo kg je Stunde mit 4,5 kg
Chlor je Stunde behandelt wurden. Es wurden sowohl Aluminium- und Magnesiumchloride
erzeugt, wobei das Gas weitgehend entfernt wurde. Die Dichtenwerte sind in Tabelle
II aufgeführt, die mit dem gleichen Versuchsverfahren erhalten wurde, wobei der
Druck jedoch nicht 2 bis 3 mm, sondern
50 mm betrug.
| Tabelle II |
| Dichte von Aluminium mit 5,6°/o Cn, 2,50/a Mg, |
| 1,3% Cu, 0,3"/0 Cr |
| Versuch Nr. Dichte (g/ccm) |
| vor dem Entgasen I nach dem Entgasen |
| I I 2,4 I 2,75 |
Die normale Dichte der gasfreien Legierung beträgt 2,7 bis 2,75. Offensichtlich
ist die, Entgasungsbehandlung zum Entfernen des Gases aus dem Metall sehr wirksam.
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Ein dritter Versuch wurde mit einer Legierung ausgeführt, die aus
Aluminium mit 0,7°/o Magnesium und 0,q.0/0 Silizium bestand. Die Legierung wurde
in schwenkbare Formen gegossen, um Ziehblöcke von 2o mm Durchmesser und 68o mm Länge
zu bilden. Das Metall wurde mit einer Menge von 180o kg je Stunde mit 2,25 kg Chlor
je Stunde behandelt. Es wurden: wieder Aluminium- und Magnesiumch,loride erzeugt.
Die folgenden Dichtenwerte wurden unter den. vorstehenden Verhältnissen hei einem
Druck von :2 bis 3 mm erhalten.
| Tabelle III |
| Dichte einer Legierung aus Alumnnium |
| mit 0,7"/o Mg und 0,q.0/0 Si |
| Versuch Nr. Dichte (g/ccm) |
| vor dem Entgasen I nach dem Entgasen |
| i I,8 2,65 |
| 2 2,3 2,65 |
Diese gasfreie Legierung hatte eine Dichte von 2,6 bis 2,65. Offensichtlich ist
das der Entgasungsbehandlung unterworfene Metall frei von Gas..
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Es wurde bereits auf den weiteren Vorteil hingewiesen, der dadurch
erhalten wird, daß bei der Entgasungsbehand.lung ein Entfernen von Natriutinverunreinigungen
aus dem geschmolzenen Metall erhalten wird,. Die nachstehenden Versuchsergebnisse
zeigen die Wirkung dieser Behandlung auf den Natriumgehalt von handelsüblichem reinem
Aluminium und einer Legierung mit 2% Magnesium. In diesen Versuchen wurden 2700
kg Metall je Stunde in der Entgasungsvorrichtung behandelt, und 2,25 kg Chlor je
Stunde wurden in das geischmolzene Metall zur Herstellung von Aluminiumchlorid eingeführt.
Folgende in Tabelle IV dargestellte Ergebnisse wurden erzielt.
| Tabelle IV |
| Natriumgehalt von Metall |
| °/o Natrium |
| Behandeltes Metall vor dem nach dem |
| Entgasen Entgasen |
| Handelsübliches |
| Aluminium ........... 0,005 0,002 |
| Aluminium mit 2 0/0 Mg... 0,004 0,002 |
'Obwohl der Natriumgehalt nicht völlig bei dem, Entgasungsverfahren entfernt wurde,
war die Menge beträchtlich vermindert. Eine derartige Verbindung ist in den Fällen
wichtig, in denen ein Höchs.tnatriumgehal:t für eine bestimmte Legierung vorgeschrieben
ist. Es ist auf diese Weise möglich, ein gasfreies Metall und ein Metall mit niedrigem
Natriumgehalt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, zu erhalten..
-
Die Wirkung des Einführens. von Bortrichlorid zusammen mit gasfärmligem
Chlor ergibt sich aus den folgenden beiden Beispielen., bei denen handelsübliches
reines Aluminium behandelt wurde. Im ersten Falle wurde ein Gemisch von 3,5 kg Chlor
und o,85 kg Bortrichlorid je Stunde verwendet, während in dem zweiten Falle 3,5
kg Chlor und 0,94 kg Bortrichlorid je Stunde verwendet wurde. Das Metall wurde durch
eine Vorrichtung hindurch mit einer Menge von 160o kg/Std. geleitet. Der Borgehalt
des fertigen Metalls ist in Tabelle V aufgeführt.
| Tabelle V |
| Zusatz von Bor zu Aluminium |
| Versuch Nr. °/o Bor |
| vor dem Entgasen I nach dem Entgasen |
| I O 0,002 |
| 2 |
| o 0,004 |
Offensichtlich ist das mit dem Gemisch aus. Bor und Bortrichlorid behandelte Metall
vollkommen entgast. Außerdem setzte sich das Bortrichlorid' mit dem Aluminium um,
so daß eine kleine 'Borrnenge verblieb. Eine derartige Menge ist wichtig, wenn eineKornverfeinerung
des Gußstückes erwünscht ist.