WO1999032674A1 - Verfahren und vorrichtung zum abscheiden von nichtmetallischen einschlüssen aus flüssigen metallen mittels eines spiralkanals - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum abscheiden von nichtmetallischen einschlüssen aus flüssigen metallen mittels eines spiralkanals Download PDF

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WO1999032674A1
WO1999032674A1 PCT/DE1998/003730 DE9803730W WO9932674A1 WO 1999032674 A1 WO1999032674 A1 WO 1999032674A1 DE 9803730 W DE9803730 W DE 9803730W WO 9932674 A1 WO9932674 A1 WO 9932674A1
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Ingo Riehl
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Ingo Riehl
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B9/00—General processes of refining or remelting of metals; Apparatus for electroslag or arc remelting of metals
    • C22B9/02—Refining by liquating, filtering, centrifuging, distilling, or supersonic wave action including acoustic waves
    • C22B9/023—By filtering
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/08—Features with respect to supply of molten metal, e.g. ingates, circular gates, skim gates
    • B22C9/086—Filters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/10—Supplying or treating molten metal
    • B22D11/11—Treating the molten metal
    • B22D11/116—Refining the metal
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/20—Recycling

Definitions

  • the invention relates to the deposition of solid particles from fluids, especially to the deposition of non-metallic inclusions from molten metals.
  • the first method is based on the use of ceramic filters.
  • the entire amount of molten metal is passed through a ceramic filter.
  • the non-metallic contaminants separate out on the inner filter surfaces.
  • the ceramic filters allow very high degrees of separation, but have a number of disadvantages that can be used when pouring large quantities, e.g. in continuous casting.
  • the high flow resistance results in a strong limitation of the enforceable amounts of molten metal.
  • a ceramic filter for molten metal is described in DE 43 18 309 AI. It is a ceramic filter with an integrated, lumpy treatment agent.
  • the Siebkern of refractory ceramic material has wabenfb 'RMIG arranged perforations or a porous foamy structure. It has on one side at least one recess for receiving the lumpy treatment agent, which functions as a vaccine, desulfurization, nodulation or alloying agent and is fitted or glued into the recess.
  • the second method is gravity separation.
  • This method uses the difference in density between liquid metal (e.g. steel) and non-metallic contamination.
  • liquid metal e.g. steel
  • a resultant ICraft acts on the inclusions, which results from the difference between gravity and lift.
  • the specifically lighter non-metallic impurities are transported to the surface of the liquid metal and are deposited there in the covering slag. Since the impurities are resisted on their way through the melt, the transport to the surface of the melt takes place very slowly, depending on the particle size.
  • the process is implemented in the continuous casting distributor (tundish) and can be influenced by suitable flow guides in the distributor (EP 0376523A1).
  • the main disadvantages of this method are the poor deposition of small particles and cluster-shaped particle structures.
  • the third method, the deflection separation, is based on a constructive design of the
  • Such a deflection system can be arranged at any point in the technological process of molten metals, e.g. in the distributor, in
  • the first principle of action takes advantage of the fact that the non-metallic particles are subject to random transverse movements in the turbulent flow of the melt and can thus come into contact with the filter wall.
  • the turbulence of the melt required for this effect is in the invention with an i.a. multiple deflection of the melt> 90 degrees generated by the filter walls.
  • the filter surfaces are arranged alternately perpendicular or angled to the direction of flow.
  • the second principle of action is based on the poor wettability between molten metals and ceramics such as Al 2 O 3 or ZrO 2 and others.
  • the wetting angles in the filter wall-molten metal-non-metallic inclusion system are> 90 degrees.
  • the high boundary surface tensions favor the separation of the non-metallic inclusions from the melt to the filter wall, where they sinter after contact with it.
  • the method is described in patent EP 0376 523 AI.
  • the main disadvantages of this procedure are:
  • the object of the present invention is to reliably and continuously separate non-metallic inclusions from molten metals and steel.
  • the melt e.g Al 2 O 3
  • a resulting force is created on the particles that acts radially inwards. Under the influence of this force, the particles are transported to the inner wall in the spiral channel. There they are deposited due to the wetting behavior between the ceramic wall, non-metallic particles and melt (interfacial tension) and sinter with the wall.
  • the spiral separator can be integrated in a wide variety of metallurgical vessels. It can be used at all points in the technological process where the metal is in the molten state. So its use is e.g. possible in the pouring area of the distributor, in the distributor itself and also in the pouring area of the distributor. In particular, any combination of such arrangements can be used to increase the separation effect.
  • a special conservative solution for the flow control is to keep the conventional dip tube in the center of the pouring system.
  • the coils of the spiral separator are located on the outside of the immersion tube. Thanks to a specially designed stopper with a central spigot, the spout can be poured out either via the spiral separator on the outside or via the immersion pipe on the inside.
  • This construction offers a high degree of safety with a possible clogging of the spiral separator. At the same time, it enables the pouring quantity to be maintained when the liquid level in the distributor decreases.
  • spiral separator can be arranged around a central immersion pipe, which is followed once again by a straight annular channel on the radial outside.
  • Special plug constructions can be used to switch between the individual channels and to control the flow rate work either on the lifting principle or on the rotating principle or on a combination of both principles.
  • the separation efficiency of the new spiral separators is very high. They depend essentially on the length of the spiral channel and its overall geometric design as well as on the outflow rate. According to previous studies, they are far above 50% and thus significantly higher than the degrees of separation of other technologies (gravity separation, deflection separation).
  • a very high level of security against malfunctions can be achieved by combining a classic pipe spout and spiral separator.
  • a spout pipe of classic design is located in the core of the spiral separator.
  • One or more spiral channels can now be applied to the outer radius of the pouring tube (radially nested or several turns or both). With a suitably shaped closure mechanism (plug), either the conventional pouring pipe or the spiral separator or both can be flowed through.
  • the separation effect by radial nesting of several spiral channels by increasing the spiral channel, the separation effect can easily be increased. If there is insufficient space, the spiral channel can easily be extended by radial nesting of several spiral channels, e.g. flow alternately from top to bottom and from bottom to top.
  • the spiral separator system can be used at all points in the metallurgical process which the metal is in liquid form.
  • Special places of use are, for example, the ladle spout, the distributor spout, inside the distributor, the distributor spout. Any combination of these locations is possible.
  • the present disclosure illustrates the wetting behavior between the ceramic wall 4 (as the wall of the spiral channel 5), non-metallic particles 2 and molten metal 1.
  • the typical wetting angles W are greater than 90 °.
  • the non-metallic inclusions 2 sinter with the wall 4 of the spiral channel. 2 shows the principle of operation of the spiral separator.
  • the inclusions 2 eg Al 2 O 3 ), which are specifically lighter than the molten metal 1, move on a circular or spiral path 3 between the walls 4 of the spiral separator.
  • the spiral separator in the distributor spout is described as a special exemplary embodiment.
  • he can replace the traditional spout with a simple pipe or combine with it.
  • the pouring system and the separating system merge into a single system - the pouring spiral separator.
  • a version of the spiral separator is advantageous, which contains a simple dip tube 6 in the center.
  • the so-called spiral channel 5 is then located on the outer radius of the dip tube 6; s. 6 and 7.
  • FIGS. 4 and 5 show further exemplary embodiments of the spiral separator in the distributor spout.
  • the winding diameter of the spiral channel 5 can be 20 ... 70 mm and the length of the dip tube 6 with the spiral channel applied can be 500 ... 1000 mm; the values for the diameter of the immersion tube 6 are 30 ... 100 mm.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abscheiden nichtmetallischer Einschlüsse aus flüssigen Metallen und einen dafür vorgesehenen keramischen Abscheider. Kennzeichen der Erfindung ist, dass die nichtmetallischen Einschlüsse durch eine permanente Führung der Metallströmung auf einer Kreis- bzw. Spiralbahn an den Wänden des Spiralkanals abgeschieden werden. Für Teilchen, welche gegenüber dem Fluid spezifisch leichter sind, erfolgt diese Abscheidung vorwiegend an den radial innen liegenden Wänden.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM ABSCHE IDEN VON N ICHTMETALL ISCHEN EINSCHLÜSSEN AUS FLÜSS IGEN METALLEN MITTELS EINES SP IRALKANALS
Die Erfindung bezieht sich auf die Abscheidung fester Teilchen aus Fluiden, speziell auf die Abscheidung nichtmetallischer Einschlüsse aus schmelzflüssigen Metallen.
Zur Entfernung nichtmetallischer Einschlüsse aus schmelz- flüssigen Metallen (Erhöhung des Reinheitsgrades der Metalle) werden in der Industrie im Wesentlichen drei Verfahren eingesetzt.
Das erste Verfahren basiert auf dem Einsatz keramischer Filter.
Bei diesem Verfahren wird die gesamte Menge des schmelz- flüssigen Metalls durch einen keramischen Filter geführt. Dabei scheiden sich die nichtmetallischen Verunreinigungen an den inneren Filterflächen ab.
Die keramischen Filter erlauben zwar sehr hohe Abscheidegrade, haben aber eine Vielzahl von Nachteilen, die einem Einsatz beim Vergießen großer Mengen, z.B. beim Stranggießen, entgegenstehen.
Die Hauptnachteile dieses Verfahrens sind:
- der hohe Strömungswiderstand der Filter; bei einer endlichen Triebkraft für die Strömung (ferrostatische Druckdifferenz) hat der hohe Strömungswiderstand eine starke Begrenzung der durchsetzbaren Mengen schmelzflüssigen Metalls zur Folge.
- das Zusetzen der Filter; aufgrund ihrer geringen Aufhahmekapazität setzten sich die keramischen Filter sehr bald zu. Dies führt zu einem starken Anstieg des Strömungswiderstandes des Filters und damit zu einer starken Abnahme der realisierbaren Gießmengen.
- die ungenügende thermische und mechanische Beständigkeit bei Langzeitbeanspruchung der Filter; beim Stranggießen führt die Langzeitbeanspruchung des Filters bei hohen Temperaturen zum Bruch oder zum Erweichen des keramischen Materials.
Damit ist ein Einsatz von keramischen Filtern z.B. beim Stranggießen nur bedingt möglich. Beschrieben wird ein Keramikfϊlter für Metallschmelzen in DE 43 18 309 AI. Es handelt sich hierbei um einen Keramikfilter mit integriertem, stückigem Behandlungsmittel. Der Siebkern aus feuerfestem keramischen Material besitzt wabenfb'rmig angeordnete Lochungen bzw. eine offenporig schaumige Struktur. Er weist einseitig mindestens eine Vertiefung zur Aufnahme des stückigen Behandlungsmittels auf, das als Impf-, Entschwefelungs-, Nodulierungs- oder Legierungsmittel fungiert und in die Vertiefung eingepaßt oder eingeklebt ist. Von L. Bechny, S. Vrabel, H. Hofmann: Einfluß auf die Qualität von Gußeisen durch Schmelzfiltration, Gießerei-Erfahrungsaustausch 11/97 wird u.a. ein Abriß über die verschiedenen bekannten Typen von keramischen Filtern und Siebkernen gegeben. Danach werden die bekannten keramischen Filter, abhängig von der Produktionsweise in drei Gruppen eingeteilt, nämlich gepreßte Filter mit zylindrischen runden Öffnungen, extrudierte Filter mit zylindrischen, quadratischen Öffnungen und Filter mit retikularer, schaumiger Struktur.
Das zweite Verfahren ist die Schwerkraftabscheidung.
Dieses Verfahren nutzt den Dichteunterschied zwischen flüssigem Metall (z.B. Stahl) und nichtmetallischer Verunreinigung. Im Schwerkraftfeld wirkt auf die Einschlüsse eine resultierende ICraft, die sich aus der Differenz von Schwerkraft und Auftrieb ergibt. Dadurch werden die spezifisch leichteren nichtmetallischen Verunreinigungen an die Oberfläche des flüssigen Metalls transportiert und dort in der Abdeckschlacke abgeschieden. Da die Verunreinigungen auf ihrem Weg durch die Schmelze einen Widerstand erfahren, findet der Transport an die Oberfläche der Schmelze in Abhängigkeit von der Teilchengröße nur sehr langsam statt. Das Verfahren wird im Stranggußverteiler (Tundish) realisiert und kann durch geeignete Strömungsführungen im Verteiler beeinflußt werden (EP 0376523A1).
Die Hauptnachteile dieses Verfahrens sind einmal die schlechte Abscheidung kleiner Teilchen und clusterförmiger Teilchengebilde.
Wegen ungünstiger Kräfteverhältnisse (Widerstand- Schwerkraft- Auftrieb) können sehr kleine Teilchen und clusterformige Teilchengebilde nur bei sehr großen (technologisch unakzeptablen) Verweilzeiten der Schmelze im Verteiler abgeschieden werden. Zum anderen sind große Abmessungen der Verteiler erforderlich.
Zur Realisierung hinreichend großer Verweilzeiten der Schmelze wären große Abmessungen der Verteiler erforderlich.
Damit ist der Einsatz von Schwerkraftabscheidung im Stranggußverteiler hinsichtlich des Reinheitsgrades kaum beeinflußbar. Insbesondere besteht die Gefahr des Verbleibs von größeren clusterförmigen Einschlüssen, welche die Qualität des Stahles erheblich mindern.
Das dritte Verfahren, die Umlenkabscheidung, basiert auf einer konstruktiven Gestaltung des
Abscheiders, welcher die Strömung des flüssigen Metalls mehrfach wechselseitig umlenkt. Im
Gegensatz zu Filterabscheidern treten hier wegen geringer Druckverluste keine Probleme auf, die eine Begrenzung der Durchflußmenge bewirken würden.
Die Anordnung eines derartigen Umlenksystems kann an beliebiger Stelle des technologischen Prozesses schmelzflüssiger Metalle erfolgen, z.B. im Verteiler, im
Eingußbereich des Verteilers als auch im Ausgußbereich des Verteilers.
Mittels dieses Verfahrens soll es möglich sein, die vorher beschriebenen Nachteile zu vermeiden und beim Strangguß übliche Gießmengen mit guten Wirkungsgraden abzuscheiden. Die Entfernung der Teilchen aus der Schmelze erfolgt dabei nach zwei
Wirkprinzipien:
Das erste Wirkprinzip nutzt die Tatsache, daß die nicht- metallischen Teilchen in der turbulenten Strömung der Schmelze zufälligen Querbewegungen unterliegen und so in Kontakt mit der Filterwand kommen können. Die für diesen Effekt benötigte Turbulenz der Schmelze wird in der Erfindung mit einer i.a. mehrfachen Umlenkung der Schmelze >90 Grad durch die Filterwände erzeugt. Die Filterflächen sind dabei abwechselnd senkrecht oder abgewinkelt zur Strömungsrichtung angeordnet.
Das zweite Wirkprinzip beruht auf der schlechten Benetzbarkeit zwischen schmelzflüssigen Metallen und Keramiken wie Al2O3 oder ZrO2 u.a. Die sich im System Filterwand- Metallschmelze-nichtmetallischer Einschluß einstellenden Benetzungswinkel sind >90Grad. Die hohen Grrenzflächenspannungen begünstigen die Abscheidung der nichtmetallischen Einschlüsse aus der Schmelze zur Filterwand, wo sie nach dem Kontakt mit dieser versintern. Das Verfahren ist im Patent EP 0376 523 AI beschrieben. Die Hauptnachteile dieses Verfahrens sind:
- Aufhebung von Trägheitswirkungen durch wechselnde Strömungsrichtung; die bei einer Umlenkung auftretende Trägheitswirkung der Schmelze und der suspendierten Teilchen (Einschlüsse) kann wegen der permanent wechselnden Strömungsrichtung nur gering wirken. Dies gilt insbesondere bei Berücksichtigung des die Bewegung der Teilchen hemmenden Widerstandes.
- begrenzte Turbulenzerzeugung; die die Abscheidung begünstigende Turbulenz der Schmelze läßt sich nicht unbegrenzt steigern.
- geringe Abscheidegrade; die erzielten Abscheidegrade solcher „Umlenkabscheider" sind gering. Nach bisherigen Untersuchungen liegen sie in der Größenordnung von 50%.
- Erosion der keramischen Leitflächen; hohe Strömungs- geschwindigkeiten und senkrechte Anströmung von Leitflächen können zu einer beschleunigten Errosion dieser führen und so neue nichtmetallische Teilchen erzeugen.
Damit kann mit derartigen Umlenkabscheidern keine hocheffektive Abscheidung erfolgen.
Insgesamt existiert derzeit kein System oder Verfahren, mit dem eine Abscheidung von Einschlüssen aus Metallschmelzen mit hoher Effizienz und hohem Reinheitsgrad des Metalls realisiert werden kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, nichtmetallische Einschlüsse aus Metall- und Stahlschmelzen zuverlässig und kontinuierlich abzuscheiden.
Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß nach Anspruch 1 vorgeschlagen, daß die gesamte Metallschmelze oder ein Teil dieser in einem spiralförmigen Kanal aus geeignetem feuerfesten Material und von beliebigem Querschnitt geführt wird und sich die nichtmetallischen Teilchen an den Innenwänden des Kanals abscheiden. Für die Abscheidung ist folgender Vorgang maßgebend: Durch die Bewegung der Schmelze auf einer Kreisbahn baut sich im spiral- oder kreisförmigen Kanal durch die auf die Schmelze einwirkenden Trägheitskräfte ein Druckfeld auf, bei dem der Druck in der Schmelze radial nach außen zunimmt. Der Transport der in der Schmelze suspendierten Teilchen erfolgt nun unter dem Einfluß der Trägheit der Teilchen und unter dem Einfluß dieses Druckfeldes. Für Teilchen, welche gegenüber dem Fluid (der Schmelze) eine geringere Dichte (z.B. Al2O3) besitzen, entsteht so eine resultierende Kraft auf die Teilchen, die radial nach innen wirkt. Unter dem Einfluß dieser Kraft werden die Teilchen im Spiralkanal an die innere Wand transportiert. Dort werden sie wegen des Benetzungsverhaltens zwischen Keramikwand, nichtmetallischen Teilchen und Schmelze (Grenzflächenspannung) abgeschieden und versintern mit der Wand.
Der Spiralabscheider kann in die verschiedensten metallurgische Gefäße integriert werden. Dabei kann er an all jenen Stellen des technologischen Prozesses eingesetzt werden, an denen das Metall in schmelzflüssigem Zustand vorliegt. So ist sein Einsatz z.B. im Eingußbereich des Verteilers, im Verteiler selbst und auch im Ausgußbereich des Verteilers möglich. Insbesondere kann eine beliebige Kombination derartiger Anordnungen zur Erhöhung des Abscheideeffektes angewendet werden.
Eine spezielle konservative Lösung der Ausflußsteuerung ist die Beibehaltung des herkömmlichen Tauchrohres im Zentrum des Ausgußsystems. An der Außenseite des Tauchrohres befinden sich die Windungen des Spiralabscheiders. Durch einen speziell gestalteten Stopfen mit Mittelzapfen kann der Ausguß sowohl über den außen befindlichen Spiralabscheider als auch über das innen befindliche Tauchrohr erfolgen. Diese Konstruktion bietet ein hohes Maß an Sicherheit bei einer möglichen Zusetzung des Spiralabscheiders. Sie ermöglicht zugleich eine Beibehaltung der Gießmenge bei abnehmendem Flüssigkeitsspiegel im Verteiler.
Weitere Lösungsvarianten sind aus beliebigen radialen Kombinationen von Spiralkanälen und geraden Kanälen (konventionelle Tauchrohre) ableitbar. So kann z.B. um ein zentrales Tauchrohr ein Spiralabscheider angeordnet werden, dem auf der radialen Außenseite nochmals ein gerader Ringkanal folgt. Zur Umschaltung zwischen den einzelnen Kanälen und zur Durchflußmengenregelung können spezielle Stopfenkonstruktionen eingesetzt werden, die entweder nach dem Hubprinzip oder nach dem Drehprinzip oder nach einer Kombination beider Prinzipien arbeiten.
Die Vorteile des neuen Spiralabscheiders sind:
- permanente radiale Kraftwirkung auf die Teilchen; durch die im überwiegenden Teil des Spiralabscheiders beibehaltene Krümmungsrichtung des Kanals existiert eine stets gleichgerichtete Kraftwirkung auf die Teilchen, die wiederum einen permanenten Transport der Teilchen zur Wand zur Folge haben.
- geringer Turbulenzeinfluß; die im Spiralkanal auftretende Turbulenz der Schmelze ist für den Transport der Teilchen zur Wand nicht existentiell erforderlich. Ihr Einfluß auf den Teilchentransport ist gering gegen die o.g. aus der Trägheit von Fluid und Teilchen resultierende Kraftwirkung.
- hohe Abscheidegrade; die erzielten Abscheidegrade der neuen Spiralabscheider sind sehr hoch. Sie hängen wesentlich von der Länge des Spiralkanals und seiner gesamten geometrischen Auslegung sowie von der Ausflußgeschwindigkeit ab. Nach bisherigen Untersuchungen liegen sie weit oberhalb von 50% und damit deutlich über den Abscheidegraden anderer Techniken (Schwerkraftabscheidung, Umlenkabscheidung).
- geringe oder keine Erosion der keramischen Leitflächen; da im Spiralabscheider keine Staupunktströmungen (senkrechte Anströmung von Leitflächen) auftreten, ist nur mit einer geringen Erosion des Kanals zu rechnen.
- kein lokales Zusetzen des Spiralabscheiders; die Bewegung von Fluid und Teilchen auf einer gleichförmigen Spiralbahn und die leicht streuende Wirkung der Turbulenz der Strömung führen zu einer gleichmäßigen Ablagerung von Teilchen entlang der gesamten Spiralbahn des Spiralabscheiders. Insbesondere tritt keine lokal vermehrte Abscheidung auf, die ein Zusetzen des Abscheiders bewirkt.
- einfache Integration in bestehende Anlagen; setzt man den Spiralabscheider entsprechend dem Ausführungsbeispiel im Ausguß eines Verteilers ein, so ist einzig ein modifiziertes Ausgußsystem erforderlich, welches den Spiralabscheider und einen geeigneten Stopfen zur Mengensteuerung enthält. Die Hauptabmessungen des Verteilers und des Ausgußsystems sowie aller vor- und nachgeschalteten technologischen Anlagen können beibehalten werden.
- kein Priming zu Gießbeginn; wegen der hinreichend großen Querschnitte des Spiralabscheiders ist der auftretende Druckabfall gering (insbesondere im Vergleich zu Schaumfϊltern). Ein Zusetzen des Spiralabscheiders zu Gießbeginn mit teil weiser Erstarrung des Metalls (sogenanntes Priming) erfolgt nicht.
- hohe mechanische Festigkeit; die konstruktive Gestaltung des Spiralabscheiders mit innerem Tauchrohr und äußerem Spiralkanal führt zu einer sehr hohen mechanischen Stabilität. Ein bei Schaumfiltern oft beobachteter Filterbruch ist sehr unwahrscheinlich.
- hohe Sicherheit im Havariefall; eine sehr hohe Sicherheit gegen Betriebsstörungen (z.B. Erstarren der Schmelze im Spiralkanal) kann durch Kombination von klassischem Rohrausguß und Spiralabscheider erreicht werden. Dabei befindet sich im Kern des Spiralabscheiders ein Ausgußrohr klassischer Bauart. Auf dem äußeren Radius des Ausgußrohres können nun ein oder mehrere Spiralkanäle aufgebracht werden (radial geschachtelt oder mehrere Windungen oder beides). Mit einem geeignet geformten Verschlußmechanismus (Stopfen) kann entweder das konventionelle Ausgußrohr oder der Spiralabscheider oder beide durchströmt werden.
- beliebige Gießmengen einstellbar; durch eine Parallel- Schaltung von zwei oder mehreren Spiralabscheidern kann der Nachteil des gegenüber dem einfachen Tauchrohr höheren Druckverlustes (geringere Gießmengen) leicht kompensiert werden.
- Erhöhung der Abscheidewirkung durch radiale Schachtelung mehrerer Spiralkanäle; durch Verlängerung des Spiralkanals kann auf einfache Weise eine Erhöhung der Abscheidewirkung erreicht werden. Bei mangelnder Baufreiheit kann die einfache Verlängerung des Spiralkanals auch durch eine radiale Schachtelung mehrerer Spiralkanäle erreicht werden, die z.B. abwechselnd von oben nach unten und von unten nach oben durchflössen werden.
- Einsatz an mehreren Stellen des technologischen Prozesses möglich; das System Spiralabscheider kann an allen Stellen des metallurgischen Prozesses eingesetzt werden, an denen das Metall in flüssiger Form vorliegt. Spezielle Einsatzorte sind z.B. der Pfannen- Ausguß, der Verteiler-Einguß, innerhalb des Verteilers, der Verteiler-Ausguß. Es ist eine beliebige Kombination dieser Einsatzorte möglich.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Patentansprüche verwiesen. Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. In der zugehörigen Zeichnung zeigen in schematischen Darstellungen:
Fig. 1 : typische Benetzungswinkel im System flüssiges Metall-nichtmetallischer Einschluß,
Fig. 2: Bewegung von gegenüber dem Fluid spezifisch leichteren Einschlüssen im Spiralabscheider,
Fig. 3 : Spiralabscheider mit rundem Spiralkanal,
Fig. 4: Spiralabscheider mit rechteckigem Spiralkanal,
Fig. 5 : Spiralabscheider mit rechteckigem Spiralkanal und Tauchrohr,
Fig. 6: Spiralabscheider mit rundem Spiralkanal und Tauchrohr,
Fig. 7: Spiralabscheider mit rechteckigem Spiralkanal und Tauchrohr,
Fig. 8 : Ausflußsteuerung,
Fig. 1 veranschaulicht das Benetzungsverhalten zwischen Keramikwand 4 (als Wandung des Spiralkanals 5), nichtmetallischen Teilchen 2 und Metallschmelze 1. Die typischen Benetzungswinkel W sind größer als 90°. Die nichtmetallischen Einschlüsse 2 versintern mit der Wand 4 des Spiralkanals. In Fig. 2 ist das prinzipielle Wirkprinzip des Spiralabscheiders dargestellt. Die gegenüber der Metallschmelze 1 spezifisch leichteren Einschlüsse 2 (z.B. Al2O3) bewegen sich auf einer Kreis- bzw. Spiralbahn 3 zwischen den Wänden 4 des Spiralabscheiders.
Als spezielles Ausführungsbeispiel wird der Spiralabscheider im Verteiler-Ausguß beschrieben. Hier kann er den traditionellen Ausguß durch ein einfaches Rohr ersetzen oder mit diesem kombiniert werden. In diesem Fall verschmelzen Ausgußsystem und Abscheidesystem zu einem einzigen System - dem Ausguß-Spiralabscheider. Bei der technischen Ausführung ist eine Version des Spiralabscheiders vorteilhaft, die im Zentrum ein einfaches Tauchrohr 6 enthält. Auf dem Außenradius des Tauchrohres 6 befindet sich dann der sogenannte Spiralkanal 5; s. Fig. 6 und Fig. 7.
Durch diese Konstruktion können in Verbindung mit einem geeignet geformten Verschlußmechanismus (Stopfen 7 mit Mittelzapfen 7.1) entweder das konventionelle Tauchrohr 6 oder der Spiralabscheider oder beide durchströmt werden, s. Fig. 8. Die Darstellung in Fig. 8 a, b, c bedeuten 8a: kein Ausfluß; 8b: Ausfluß durch Spiralabscheider; 8c: Ausfluß durch Spiralabscheider und Tauchrohr. Damit ist eine sehr hohe Sicherheit gegenüber Störfällen gegeben. Ferner kann der zeitweilige Ausguß durch das Tauchrohr 6 zum Aufheizen des Spiralkanals 5 genutzt werden. Schließlich kann bei abnehmendem Badspiegel im Verteiler durch beide Querschnitte (Tauchrohr 6 und Spiralkanal 5) ausgeströmt werden, wodurch eine Erhöhung der Gießmenge (Stahlmassestrom) erreicht wird. Am Ende des Spiralkanals 5 kann mit geringem konstruktiven Aufwand ein Ausströmen in beliebiger Richtung (axial, radial, tangential, ...) erreicht werden.
In Fig. 3 sowie Fig 4 und 5 sind weitere Ausfuhrungsbeispiele des Spiralabscheiders im Verteilerausguß dargestellt.
Für den Spiralabscheider können die folgenden Abmessungen vorgesehen werden: der Windungsdurchmesser des Spiralkanals 5 kann 20 ... 70 mm und die Länge des Tauchrohres 6 mit aufgebrachtem Spiralkanal 500 ... 1000 mm betragen; die Werte für den Durchmesser des Tauchrohres 6 liegen bei 30 ... 100 mm. Liste der Bezugszeichen
Metallschmelze, Fluid
nichtmetallische Einschlüsse
Kreis- bzw. Spiralbahn
Wände des Spiralkanals
Spiralkanal
Tauchrohr
Stopfen
7.1 Mittelzapfen

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Führen der Metallschmelze durch oder an einem Abscheider, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abscheiden von nichtmetallischen Einschlüssen aus flüssigen Metallen die Metallschmelze (1) mit den suspendierten nicht-metallischen Einschlüssen (2) auf einer permanenten Kreis- bzw. Spiralbahn (3) geführt wird und sich die Einschlüsse (2) an den Wänden (4) des Spiralkanals (5) abscheiden.
2Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gesamte flüssige Metall (1) oder Teile des flüssigen Metalls zwangsweise durch einen aus einer oder mehreren Windungen bestehenden ein- oder mehrgängigen Spiralkanal (5) strömt.
3. Vorrichtung zum Abscheiden von nichtmetallischen Einschlüssen aus flüssigen Metallen, arbeitend nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal des Abscheiders die Form einer ein- oder mehrgängigen Spirale (5) besitzt.
4.Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für den Abscheider keramisches Material mit einem
Benetzungswinkel W>90 Grad gegenüber dem Metall vorgesehen ist.
5 . Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiralabscheider eine oder mehrere Einlaß- und
Auslaßöffhungen aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie als keramischer Spiralabscheider an mindestens einer Stelle des technologischen Prozesses angeordnet ist, an der das Metall in schmelzflüssiger Form vorliegt
7 . Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiralabscheider im Pfannen-Ausguß angeordnet ist.
8 . Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiralabscheider im Verteiler-Einguß angeordnet ist.
9 . Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiralabscheider im Verteiler angeordnet ist.
10 . Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiralabscheider im Verteiler- Ausguß angeordnet ist.
11 . Vorrichtung nach Anspruch 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung des Abscheideeffekts Spiralabscheider in beliebiger Kombination an mehreren Stellen des technologischen Prozesses einsetzbar sind.
12 . Vorichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausflußsteuerung auf die Außenseite des im Zentrum des Ausgußsystems vorhandenen herkömmlichen Tauchrohres (6) der Spiralkanal (5) aufgebracht ist, wobei zum Verschließen von Spiralkanal (5) und/oder Tauchrohr (6) ein Stopfen (7) mit Mittelzapfen (7.1) vorgesehen ist.
PCT/DE1998/003730 1997-12-19 1998-12-18 Verfahren und vorrichtung zum abscheiden von nichtmetallischen einschlüssen aus flüssigen metallen mittels eines spiralkanals WO1999032674A1 (de)

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