WO1994017935A1

WO1994017935A1 - Verfahren zum abscheiden nichtmetallischer einschlüsse aus flüssigen metallen und keramische kammer dafür

Info

Publication number: WO1994017935A1
Application number: PCT/EP1994/000312
Authority: WO
Inventors: Peter Hammerschmid; Dieter Janke; Klaus Raiber
Original assignee: Max-Planck-Institut Für Eisenforschung GmbH
Priority date: 1993-02-08
Filing date: 1994-02-03
Publication date: 1994-08-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden nichtmetallischer Einschlüsse (3) aus flüssigen Metallen und eine dafür vorgesehene keramische Kammer (2). Kennzeichen der Erfindung ist, dass die nichtmetallischen Einschlüsse (3) durch eine ein- oder mehrfache Umlenkung der Metallströmung um mindestens 90° an den Innenflächen einer keramischen Kammer und an keramischen Leitflächen (4) in der Kammer (2) abgeschieden werden.

Description

Verfahren zum Abscheiden nichtmetallischer Einschlüsse aus flüssigen Metallen und keramische Kammer dafür

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden nichtmetallischer Einschlüsse aus flüssigen Metallen und eine dafür vorgesehene keramische Kammer.

Zur Abscheidung nichtmetallischer Einschlüsse aus flüssigen Metallen werden Kanal-, Schaum- und Schüttbettfilter angewandt, bei Leichtmetallen hauptsächlich letztere. Bei Stahlguß sind meistens Schaumfilter, selten Kanalfilter im Einsatz. Während bei Leichtmetallen und Stahlguß die Filtrierung Stand der Technik ist, ist diese bei Strangguß bisher nicht möglich. Schaum- und Kanalfilter setzen sich nach Abguß größerer Mengen von Stahl durch die abgeschiedenen nichtmetallischen Einschlüsse zunehmend zu und beeinträchtigen die Gießleistung. Bei Stahlguß besteht das Problem nicht, weil das Gewicht der Gußstücke unterhalb der kritischen Stahlmengen liegt. Bei Leichtmetallen tritt diese Erscheinung trotz großer Metallmengen deshalb nicht auf, weil das Lückenvolumgen der Schüttbettfilter so groß ist, daß die Gießleistung trotz der Abscheidung der Einschlüsse aufrechterhalten werden kann. Schüttbettfilter können beim Stranggießen von Stahl nicht eingesetzt werden, weil der Stahl im Gegensatz zu den Leichtmetallen bei wesentlich höheren Stahltemperaturen nicht durch das leichtere Schüttgut hindurchgegossen werden kann. Beim Stahlstrangguß führt außerdem die Langzeitbeanspruchung der Filter im Gegensatz zum Stahlstandguß infolge Bruch oder Erweichung des keramischen Werkstoffs zum Versagen des Filtrationsprozesses.

Beim Stahlstrangguß hat man stattdessen versucht, nichtmetallische Einschlüsse durch eine geeignete Strömungsführung im Verteiler in der Abdeckschlacke abzuscheiden. Diese Maßnahme führt unter bestimmten Bedingungen zur Abscheidung eines Teils der Einschlüsse. Es verbleibt jedoch vor allem neben clusterförmigen größeren Einschlüssen ein großer Teil kleiner Einschlüsse in der Schwebe, die nicht abgeschieden werden. Eine solche Abscheidung durch eine gerichtete Stahlströmung im Verteiler in Richtung auf die Abdeckschlacke wird in der EP 0 376 523 AI beschrieben. Diese gerichtete Stahlströmung wird durch Kanäle bewirkt, die zwischen einem Wehr und einem Damm untergebracht sind. Diese Lenkung der Stahlströmung hat in erster Linie den Zweck, die nichtmetallischen Einschlüsse in Richtung auf die Abdeckschlacke zu transportieren. Die dabei auftretende geringfügige Abscheidung von Einschlüssen in den Kanälen und an den Prallflächen ist ohne Bedeutung für das Gesamtergebnis der Abscheidung.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, große Stahl- oder Metallmengen wie beim Strangguß als Sequenzguß mehrerer Schmelzen so zu behandeln, daß auch feine Einschlüsse unter 10 μm neben clusterförmigen Einschlüssen mit ausreichend gutem Wirkungsgrad abgeschieden werden können. Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die nichtmetallischen Einschlüsse durch eine ein- oder mehrfache Umlenkung der o Metallströmung um mindestens 0 an den Innenflächen einer keramischen Kammer und an keramischen Leitflächen in der Kammer abgeschieden werden.

Bei der Erfindung wird auf die Anwendung der obenerwähnten keramischen Schaum-, Kanal- oder Schüttbettfilter wegen der erwähnten Schwierigkeiten verzichtet. Für die Abscheidung von nichtmetallischen Einschlüssen sind zwei Vorgänge maßgebend:

1.) Der Antransport der Teilchen an eine keramische Fläche und

2.) die Anhaftung der Teilchen an dieser Fläche.

Der erste Vorgang kann durch die Steuerung der Metallströmung beeinflußt werden. Der zweite Vorgang ist dagegen weitgehend durch die Oberflächenspannung zwischen dem Teilchen und der Schmelze und der Abscheidefläche und dem Metall festgelegt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung wird für die Kammer Keramik verwendet, die einen Benetzungswinkel o von größer als 90 gegenüber dem Metall hat, wie Keramik auf der Basis Tonerde, Zirkoniumoxid oder dergleichen.

Bei turbulenter Strömung des Metalls kommen die Teilchen aufgrund ihrer schnellen, ungerichteten Bewegung in Wandnähe und können dort festgehalten werden. Bei laminarer hindernisfreier Strömung bewegen sich die Teilchen mit der Strömung des Metalls, weichen jedoch beim Anströmen auf ein Hindernis aufgrund der Trägheitskräfte diesem aus, wenn sie - wie es meistens 7935 __ Z_j _ PCT/EP94/00312

bei Schwermetallen und Stahl der Fall ist - leichter als das Metall sind.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens strömt das gesamte flüssige Metall durch eine mit nur einer Ein- und einer Auslaßöffnung versehenen Kammer. Dabei sind bevorzugt die keramischen Leitflächen abwechselnd senkrecht und abgewinkelt zur Strömungsrichtung angeordnet.

Die keramische Kammer kann nach einer Ausführungsform in ein Verteilergefäß eingebaut sein. Sie kann aber auch alternativ in ein Tauchrohr oder einen Tauchkasten integriert sein.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen keramischen Kammer dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt einer keramischen Kammer mit Leitflächen für die Umlenkung der flüssigen Metallströmung,

Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie A-A aus Fig. 1,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung einer keramischen Kammer,

Fig. einen Längsschnitt durch eine weitere

Ausgestaltung einer keramischen Kammer mit keramischem Innenteil, Fig. 5 den Querschnitt längs der Linie B-B aus Fig. 4,

Fig. 6 eine weitere perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer keramischen Kammer gemäß der Erfindung,

Fig. 7 einen Längsschnitt durch ein Tauchrohr mit darin integrierter keramischer Kammer zum Umlenken der Metallströmung zur Abscheidung nichtmetallischer Einschlüsse,

Fig. 8 eine Draufsicht eines Verteilergefäßes mit eingebauter keramischer Kammer und

Fig. 9 einen Längsschnitt durch ein Verteilergefäß gemäß Fig. 8

Fig. 10 definiert den Benetzungswinkel und zeigt schematisch das Anhaften des nichtmetallischen Einschlusses an einer keramischen Fläche.

Gleiche Teile sind in den verschiedenen Abbildungen mit denselben Bezugszeichen versehen.

Durch die erfindungsgemäße Umlenkung des flüssigen Metallstroms 1 an den keramischen Leitflächen 4 wird bei einer schnellen Strömung eine hohe Turbulenz in der keramischen Abscheidekammer 2 erzeugt und genügend Fläche für die Abscheidung der nichtmetallischen Teilchen 3 angeboten. Bei langsamerer, laminarer Strömung des Metallstroms 1 weichen die Teilchen 3 den als Hindernis wirkenden Leitflächen 4 aus und scheiden sich in einer Rückströmung auf deren Rückseiten 5 ab.

Die Kammer 2 wird zwangsweise vom flüssigen Metall durchströmt, wobei das Metall durch eine Einlaßöffnung 6 in die Kammer 2 einströmt und durch eine Auslaßöffnung 7 ausströmt. Die Kammer 2 kann so ausgebildet sein und in ihrer Lage im Raum so angeordnet werden, daß das Metall in jeder Richtung durch die Kammer strömen kann, also von oben nach unten oder umgekehrt von unten nach oben oder horizontal oder in schräger Richtung von oben nach unten oder umgekehrt. Dabei kann die Kammer so ausgebildet sein, daß das Metall von einem zentralen Einlaß von innen nach außen oder umgekehrt strömt, wobei es innerhalb der Kammer ein- oder mehrfach umgelenkt wird. Die Kammer kann auch so ausgebildet sein, daß das Metall von einer Seite durch ein- oder mehrfache Umlenkungen durch die Kammer strömt und die Kammer an der anderen Seite verläßt (Fig. 2).

Nichtmetallische Einschlüsse scheiden sich je nach Strömungsgeschwindigkeit an den Innenflächen der Kammer 2 bzw. an den Rückseiten 5 der Leitflächen 4 ab. Um eine Verengung der durchströmten Querschnitte während längerer Gießzeiten zu vermeiden, werden die Leitflächen 4 abwechselnd in Gießrichtung senkrecht und schräg bzw. konisch angeordnet (Fig. 4). Die sich auf den Innenflächen der Kammer 2 bzw. auf den Rückseiten 5 der Leitflächen 4 abscheidenden nichtmetallischen Einschlüsse 3 führen dabei nicht zur Verengung des durchströmten Querschnitts, da sich die Einschlüsse 3 bei zunehmender Abscheidung aufgrund ihrer Geschwindigkeit weiter entfernt von den Kanten an den Stellen 8 der Rückseiten der Leitflächen 4 abscheiden.

Der Abscheidegrad der Einschlüsse aus dem flüssigen Metall nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vergleichbar mit demjenigen von Kanal- und Schaumfiltern und beträgt 50 bis 80 % des Einschlußgehaltes des Metalls vor der Abscheidekammer. Das erfindungsgemäße Verfahren hat jedoch den Vorteil, daß die vergossene Metallmenge wesentlich größer sein kann und es möglich ist, mehrere Pfannen hintereinander als sog. Sequenzguß mit den gewünschten Massendurchsätzen zu vergießen.

Da die Kammer im Vergleich zu den Filterquerschnitten von Schaum- und Kanalfiltern einen geringeren Querschnitt benötigt, kann sie beispielsweise zwischen Verteiler und Tauchrohr oder im Tauchrohr 9 integriert (Fig. 7) oder im Verteiler 10 unmittelbar vor dessen Ausflußöffnung in die Kokille (Fig. 8 und 9) angeordnet werden, so daß die Einschlüsse unmitelbar vor dem Eintritt des Metalls in den Tauchausguß 9 und die Stranggießkokille abgeschieden werden. Je nach den örtlichen Gegebenheiten ist es auch möglich, die Abscheidekammer und das Tauchrohr oder den Tauchkasten zu einer Einheit zu kombinieren.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat auch gegenüber den Kanal- und Schaumfiltern den Vorteil, daß zu Gießbeginn kein Stau des Metalls mit teilweiser Erstarrung - das sog. Priming - auftritt und das Metall ohne Verzögerung durchfließen kann. Außerdem ist die erfindungsgemäße Kammer wesentlich stabiler als die Kanal- oder Schaumfilter, so daß keine Gießstörungen wie z.B. ein Bruch des Filters auftreten können.

Für die Abscheidung nichtmetallischer Einschlüsse in flüssigem Metall in der erfindungsgemäßen keramischen

Kammer eignen sich solche keramische Materialien, die einen Benetzungswinkel gegenüber dem Metall von größer o als 90 aufweisen, wie solche auf der Basis von Tonerde,

Zirkoniumoxid oder dergleichen. Fig. 10 macht deutlich, wie der Benetzungswinkel θ definiert ist. Ein nichtmetallischer Einschluß 3 haftet an der Wand der

Abscheidekammer 2 unter Bildung des Benetzungswinkels θ. o Bei Benetzungswinkeln von θ größer 90 ist die Haftung der nichtmetallischen Einschlüsse 3 an der Wand der

Abscheidekammer 2 oder an Leitflächen 4 in der

Abscheidekammer 2 besonders gut.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Abscheiden nichtmetallischer Einschlüsse aus flüssigen Metallen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die nichtmetallischen Einschlüsse durch eine ein- oder mehrfache Umlenkung der Metallströmung um mindestens 90 an den Innenflächen einer keramischen Kammer und an keramischen Leitflächen in der Kammer abgeschieden werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß keramisches Material mit einem Benetzungswinkel von o größer als 90 gegenüber dem Metall verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das gesamte flüssige Metall durch eine mit nur einer Einlaß- und einer Auslaßöffnung versehene Kammer zwangsweise strömt.

4. Keramische Kammer zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, 2 oder 3» d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die keramischen Leitflächen abwechselnd senkrecht und abgewinkelt zur Strömungsrichtung angeordnet sind.

5. Keramische Kammer nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sie in ein Verteilergefäß eingebaut ist.

6. Keramische Kammer nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sie in ein Tauchrohr oder einen Tauchkasten integriert ist.