AT518458A2 - Verfahren und Vorrichtung zum Abkühlen von Krätze einer Metallschmelze - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zum Abkühlen von Krätze (1) einer Metallschmelze. Die Krätze (1) wird in einen Tiegel (2) eingebracht und der Tiegel (2) wird mit einem Deckel (3) abgedeckt, wobei der Tiegel (2) einen oberen Rand (4) aufweist, auf dem eine Abstützung (5) des Deckels (3) aufliegt. Über eine Inertgaseinleitung (6) wird ein Inertgas in das vom Deckel (3) abgedeckte Volumen eingebracht. Eine Auflagefuge (7) zwischen der Abstützung (5) des Deckels (3) und dem oberen Rand (4) des Tiegels (2) ist gasdurchlässig ausgebildet, wobei während des Abkühlens über die Inertgaseinleitung (6) eingebrachtes Inertgas durch die Auflagefuge (7) ausströmt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Abkühlen von Krätze einer Metallschmelze

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abkühlen von Krätze einer Metallschmelze, wobei die Krätze in einen Tiegel eingebracht wird und der Tiegel mit einem Deckel abgedeckt wird, wobei der Tiegel einen oberen Rand aufweist, auf dem eine Abstützung des Deckels aufliegt, und wobei über eine Inertgaseinleitung ein Inertgas in das vom Deckel abgedeckte Volumen eingebracht wird. Weiters betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Abkühlen von Krätze einer Metallschmelze, wobei die Vorrichtung einen Tiegel zur Aufnahme der Krätze und einen Deckel aufweist, wobei bei geschlossenem Deckel eine Abstützung des Deckels auf einem oberen Rand des Tiegels aufliegt, und wobei der Deckel eine Inertgaseinleitung aufweist.

Nach dem Abkrätzen einer Metallschmelze wird die Krätze zum Abkühlen in entsprechenden Krätzebehältern, die hierein auch als Tiegel bezeichnet werden, aufbewahrt. Da in der Krätze noch ein hoher Anteil des eingeschmolzenen Metalls enthalten ist, wird die Krätze im Allgemeinen durch nochmaliges Einschmelzen und Reinigen aufbereitet. Wenn jedoch die Krätze, die anfangs eine Temperatur von bis zu 1000°C aufweisen kann, mit einer sauerstoffhaltigen Umgebung in Kontakt kommt, kann ein erheblicher Anteil des in der Krätze enthaltenen Metalls oxidieren, was es für die Wiederaufbereitung unbrauchbar macht. Dies stellt insbesondere bei Metallen mit hoher Affinität zu Sauerstoff, wie etwa Aluminium, einen wirtschaftlichen Faktor dar, sodass im Stand der Technik bereits einige Verfahren und Vorrichtungen entworfen wurden, die eine Oxidation des in der Krätze enthaltenen Metalls verhindern sollen.

Beispielsweise offenbart die WO 2011/146563 A2 eine Vorrichtung zur Kühlung von Aluminiumkrätze, wobei die Krätze in einen Krätzebehälter gefüllt und mit einem Deckel möglichst gasdicht verschlossen wird. Die Innenseite des Deckels ist mit einer Verdrängungsstruktur versehen, die zumindest teilweise in die Krätze eintaucht. Der Zwischenraum zwischen dem Deckel und der Oberfläche der Krätze kann mit einem Inertgas gefüllt werden.

Bei einer derartigen Vorrichtung muss die Menge an Krätze sehr genau bemessen sein. Bei einer Überfüllung des Behälters, etwa aufgrund eines Bedienerfehlers odereiner Fehleinschätzung der Krätzemenge, kann es Vorkommen, dass der Deckel nicht mehr abdichtet und daher seinen Zweck nicht erfüllen kann. Das Inertgas wird dabei über die eingetauchte Struktur direkt in einzelne Löcher zwischen die Krätze geleitet. Dadurch kann es, je nach Verdichtung der Krätze, in bestimmten Bereichen zu einer ungleichmäßigen Verteilung oder zu Blockaden des Inertgasstroms kommen, da gegebenenfalls die zuführenden Bohrungen mit Krätze verstopft werden. EP 1737990 B1 offenbart ein Verfahren zum Abkühlen von Aluminiumschmelze, bei dem die Krätzewanne mit einem flachen Deckel abgeschlossen wird, und ein gasdichter Abschluss zwischen Deckel und Wanne erzielt wird, wenn ein beim Abkühlen entstehender Unterdrück den Deckel gegen den Rand der Krätzewanne saugt. Dabei wird vorausgesetzt, dass nach Aufsetzen des Deckels der Sauerstoff im Raum zu Aluminiumoxid umgesetzt wird und dadurch ein Unterdrück entsteht, da das gebildete Aluminiumoxid fest und nicht gasförmig ist. Dieses Verfahren ist für die Herstellung von Gussstücken, die typischerweise aus reinen Aluminiumlegierungen erschmolzen und vergossen werden, gut geeignet. Es bleibt jedoch unberücksichtigt, dass bei „schmutzigen Krätzen“ aus dem Verarbeiten von kontaminierten Schrotten, Bestandteile wie organischer Kohlenstoff in der Krätze enthalten sind, die sich mit Sauerstoff zu C02 (gleichbleibender Druck) oder sogar bei Sauerstoffmangel zu CO (ansteigender Druck, Gesundheitsgefahr) umwandeln können. Daher sind die Lehren der EP 1737990 B1 für schmutzige Krätzen nur beschränkt oder gar nicht anwendbar.

Die EP 0224343 B1 wiederum offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Kühlen einer Metallkrätze, die sich in einem Tiegel befindet, wobei ein äußerer Kessel über den Tiegel gesetzt wird, wobei der äußere Kessel so geformt ist, dass er über und um den Tiegel passt. Der äußere Kessel hat dabei die Form einer bis zum Boden reichenden und auf diesem abgestellten Glocke, die den kompletten Tiegel umfasst. Über ein Ventil kann Inertgas in das vom äußeren Kessel begrenzte Volumen eingeleitet werden. Diese Lösung erlaubt jedoch nur eine eingeschränkte Mobilität der Tiegel und beansprucht einen relativ großen Raum.

Ziel der gegenständlichen Erfindung ist es, Vorrichtungen und Verfahren zum Abkühlen von Krätze einer Metallschmelze bereitzustellen, die die Nachteile des Standes der Technik überwinden.

Erfindungsgemäße wird daher ein Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, bei dem eine Auflagefuge zwischen der Abstützung des Deckels und dem oberen Rand des Tiegels gasdurchlässig ausgebildet ist, wobei während des Abkühlens über die Inertgaseinleitung eingebrachtes Inertgas durch die Auflagefuge ausströmt. Durch die dadurch erzielte geringfügige Undichtheit am Übergang Haube-Behälter ergibt sich unter Anderem der Vorteil, dass durch die Inertgasspülung ein geringer Überdruck in dem vom Deckel abgedeckten Volumen erzeugt wird, der dafür sorgt, dass ein Luftzutritt in die Haube vermieden wird. Die Undichtheit ist andererseits aber so gering, dass der Verbrauch an Inertgas niedrig gehalten wird. Als Inertgas kann jedes im Stand der Technik bekannte und zu diesem Zweck geeignete reaktionsträge Gas verwendet werden, wobei insbesondere Argon vorteilhaft verwendet werden kann.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens kann das Inertgas über die Inertgaseinleitung im obersten Bereich des Deckels in das vom Deckel abgedeckte Volumen eingebracht werden. Indem die Zuleitung nahe dem höchsten Punkt des Deckels, vorzugsweise im Bereich des oberen Drittels des Deckels, und die Ableitung über die umlaufende Auflagefuge erfolgt, und das Inertgas nicht durch die Krätze zur Entlüftung durchgeleitet wird, ergeben sich während des Abkühlens der Krätze wesentlich homogenere Bedingungen, die nicht von der Beladungsmenge und der Verdichtung im Tiegel abhängig sind.

In vorteilhafter Weise kann die Einbringung des Inertgases übereinen vorzugsweise nach dem Schwebekörperprinzip funktionierenden Strömungswächter geregelt werden. Dies erlaubt eine einfache und stabile Regelung, wobei etwaige Fehlfunktionen auf einfache Weise, etwa durch Überwachen des Schwebekörpers, vom Bedienpersonal schnell erkannt werden können.

Die erfindungsgemäßen Ziele werden weiters durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art umgesetzt, bei der bei geschlossenem Deckel zwischen der Abstützung und dem oberen Rand eine gasdurchlässige Auflagefuge gebildet ist, über die Inertgas, das über die Inertgaseinleitung in das vom Deckel abgedeckte Volumen eingebracht wird, aus der Vorrichtung ausströmt. Das Ausströmen ist dabei durch die relative schmale Auflagefuge nur eingeschränkt möglich, sodass über die Regelung der Inertgaseinleitung ein geringfügiger Überdruck im abgedeckten Volumen aufrechterhalten werden kann, der das Eindringen sauerstoffhaltiger Luft verhindert.

Eine vorteilhafte erfindungsgemäße Ausgestaltung kann vorsehen, dass der obere Rand des Tiegels und die Abstützung des Deckels jeweils aus Metall ausgebildet sind. Dies stellt eine sehr kostengünstige und einfache Lösung dar, die gegenüber gasdicht abgeschlossenen Konzepten eine stark verbesserte Lebensdauer aufweist und minimale Wartungs- und Instandhaltungskosten verursacht.

In vorteilhafter Weise kann der Tiegel einen Nennfüllstand für die Krätze aufweisen, wobei ein unten von der Ebene des oberen Randes und oben von dem Deckel begrenztes Deckelvolumen größer ist, als ein unten von dem Nennfüllstand und oben von der Ebene des oberen Randes begrenztes Restvolumen des Tiegels. Die dadurch bewirkte verhältnismäßig große Oberfläche des Deckels begünstigt die Verteilung des Inertgases und die Verdrängung des sauerstoffhaltigen Gases (Luft). Weiters beeinflussen Abweichungen vom Nennfüllstand die Abkühlbedingungen nur geringfügig. Das Deckelvolumen kann beispielsweise mehr als das Doppelte, Dreifache oder Vierfache des Restvolumens betragen. Die das Deckelvolumen begrenzende Deckeloberfläche kann dabei erheblich größer sein, als die freie Oberfläche der Krätze, beispielsweise kann die das Deckelvolumen begrenzende Deckel-

Oberfläche mehr als dem 1,5-Fachen, mehr als dem 2-Fachen oder mehr als dem 2,5-Fachen der freien Oberfläche der Krätze entsprechen.

In einerweiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Inertgaseinleitung oberhalb der Abstützung und vorzugsweise im obersten Bereich des Deckels angeordnet sein. Vorzugsweise mündet die Inertgaseinleitung in das obere Drittel des Deckelvolumens (d.h. im oberen Drittel des Normalabstands zwischen der Ebene des oberen Randes und dem höchsten Punkt des Deckels).

In vorteilhafter Weise kann der Deckel unterhalb der Abstützung eine schräg nach außen hin abstehende Schürze aufweisen. Dies erleichtert einerseits das Aufsetzen des Deckels auf den Tiegel und leitet andererseits das durch die Auflagefuge ausströmende Gas nach unten.

Um die Ausbildung eines Kamineffekts am Rande der Auflagefuge zu vermeiden, kann die zwischen unterem Rand des Deckels und Abstützung gemessene Schürzenhöhe h in Bezug auf die Tiegelhöhe H ein Verhältnis h/H aufweisen, das das Auftreten eines Kamineffekts an der Auflagefuge verhindert. Ein Kamineffekt kann auftreten, wenn heiße Luft an der Außenwandung des Tiegels nach oben strömt, dies kann durch die erfindungsgemäße Ausformung der Schürze weitgehend verhindert werden. Das Verhältnis h/H kann dabei vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,7, vorzugsweise zwischen 0,2 und 0,5, insbesondere bei etwa 1/3 liegen. In diesem Bereich wurden bei Versuchen gute Ergebnisse erzielt.

In einerweiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der Inertgaseinleitung ein Strömungswächtervorgelagert sein. Dabei können sehr einfache Strömungswächter, die nach dem Schwebekörperprinzip arbeiten, verwendet werden. Über den Strömungswächter kann schnell erkannt werden, ob der Deckel richtig auf dem Tiegel aufsitzt, oder ob das Inertgas zu schnell über die Auflagefuge ausströmt, etwa wenn der Deckel schlecht aufsitzt oder Fremdkörper sich in der Fuge befinden.

Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur 1 näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung zeigt. Dabei zeigt

Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Abkühlen von Krätze in einer Schnittansicht.

Fig. 1 zeigt einen Tiegel 2 mit der darin eingefüllten Krätze 1, wobei die Krätze 1 den Tiegel 2 bis zu einem Nennfüllstand 8 ausfüllt, der unterhalb eines oberen Randes 4 des Tiegels liegt. Zwischen der Ebene des Nennfüllstands 8 und der Ebene des oberen Randes 4 verbleibt oberhalb der Krätze 1 ein Restvolumen 10, welches sich je nach tatsächlichem Füll stand unterscheiden kann. Der Deckel 3 ist derart ausgestaltet, dass das Restvolumen 10 auch negativ sein kann, ohne dass die Funktion der Einrichtung beeinträchtigt wäre.

Nachdem die Krätze 1 in den Tiegel 2 eingefüllt worden ist, wird der Tiegel 2 mit einem Deckel 3 abgedeckt. Dabei wird der Deckel 3 mit einer entlang der Innenseite des Deckels 3 umlaufenden Abstützung 5 auf den oberen Rand 4 des Tiegels 2 aufgesetzt. Der Deckel weist eine in etwa als glocken- oder haubenartig zu beschreibende Form auf, wobei der Deckel 3, wenn er auf den Tiegel 2 aufgesetzt ist, oberhalb der Ebene des oberen Randes 4 ein Deckelvolumen 9 umschließt, das erheblich größer ist, als das darunterliegende Restvolumen 10 des Tiegels. Sollte somit die tatsächlich Füllmenge an Krätze 1 von der Sollfüllmenge (die durch den Nennfüllstand 8 definiert ist) abweichen, wirkt sich dies daher nur mäßig auf das vom Deckel 3 oberhalb der Krätze 1 abgeschlossene Gesamtvolumen aus, was sich positiv auf die Prozessstabilität auswirkt. Über die Außenwandung des Tiegels 2 wird durch direkten Kontakt der Krätze und über Wärmeleitung durch die Wandung der Großteil der Wärme während des Abkühlprozesses abgeführt. Dadurch kann der Deckel 3 dünnwandig ausgeführt werden, was die Herstellkosten gering hält und die Deckelmanipulation erleichtert. Die relativ große Oberfläche des Deckels 3, die direkt an das Deckelvolumen 9 angrenzt, bewirkt einen guten und gleichmäßigen Wärmetransport der Krätzestrahlung nach außen, während die Krätze 1 abkühlt. Somit wird eine übermäßige Erwärmung des Deckels 3 vermieden und es können günstige Werkstoffe zum Einsatz kommen.

Der Deckel 3 besteht aus einem Metallblech und weist eine dem Verlauf des oberen Randes 4 des Tiegels 2 folgende Form auf, die im Allgemeinen rechteckig ist. Grundsätzlich kann der Tiegel jedoch auch eine andere Form aufweisen. Unterhalb der Abstützung 5 weist der Deckel 3 ein nach außen hin verbreiterte Schürze 11 auf, die das Aufsetzen des Deckels 3 auf den Tiegel 1 erleichtert. Die Schürze 11 verlängert den Deckel seitlich nach unten hin und bietet daher auch einen gewissen Berührungsschutz gegenüber der etwa 200 - 300 °C heißen Außenoberfläche des Tiegels 2. An der Oberseite des Deckels ist eine Halterung 13 angeordnet, an der ein Kran oder Staplerzinken angreifen kann, um den Deckel zu bewegen. Auch der Tiegel 2 kann in bekannterWeise (in Fig. 1 nicht dargestellte) Halterungen bzw. Aufnahmen für Kranhaken, Staplerzinken oder entsprechende Vorrichtungen aufweisen, mit denen der Tiegel manipuliert und transportiert werden kann.

Der obere Rand 4 des Tiegels 2 besteht aus einer vorzugsweise unbearbeiteten oder nur grob bearbeiteten Metallfläche und kann daher erhebliche Toleranzabweichungen gegenüber der dargestellten ebenen Form aufweisen. Die Abstützung 5, die vorzugsweise ebenfalls aus Metall besteht, liegt ohne zwischenliegende Dichtung direkt, Metall auf Metall, auf dem oberen Rand 4 auf, sodass die zwischen dem oberen Rand 4 und der Abstützung 5 gebildete Auflagefuge 7 nicht vollständig abgedichtet und daher gasdurchlässig ist.

Da eine eigene Abdichtung der Auflagefuge 7 erfindungsgemäß nicht erforderlich ist, wirken sich etwaige Verunreinigungen des oberen Randes 4 oder der Abstützung 5 nur geringfügig oder gar nicht auf die Funktionalität der Vorrichtung aus, was einen erheblichen Vorteil gegenüber vergleichbaren abgedichteten Systemen darstellt, bei denen die Dichtungsflächen sauber gehalten werden müssen und auch die Dichtungen gegen die Einflüsse der heißen Krätze speziell geschützt werden müssen.

Nahe dem höchsten Punkt des Deckels 3 ist eine Inertgaseinleitung 6 angeordnet, über die Inertgas in das Deckelvolumen 9 (und somit auch in das Restvolumen 10) eingeleitet wird, nachdem der Deckel 3 auf den Tiegel 2 aufgesetzt worden ist. Die Menge an einströmendem Inertgas kann mit einem Strömungswächter 12 kontrolliert und geregelt werden. Das Inertgas, im Allgemeinen wird Argon verwendet, das schwerer als Luft ist, verdrängt zuerst die im Restvolumen 10 und im Deckelvolumen 9 vorhandenen Gase und fließt dann stetig über die Auflagefuge 7 aus, wodurch ein Eindringen von sauerstoffhaltiger Luft verhindert wird. Dadurch wird unterhalb des Deckels 3 bzw. oberhalb der freien Oberfläche der Krätze 1 eine Schutzatmosphäre aufgebaut und aufrechterhalten, die ein Oxidieren des in der Krätze 1 verbliebenen Metalls weitgehend verhindert, wobei diese Funktion auch bei sogenannten „schmutzigen Krätzen“ gewährleistet ist. Gleichzeitig ist die Auflagefuge 7 dünn genug, dass der Verbrauch an Inertgas sehr niedrig gehalten werden kann.

Bezuaszeichen:

Krätze 1 Tiegel 2 Deckel 3 oberen Rand 4 Abstützung 5 Inertgaseinleitung 6 Auflagefuge 7 Nennfüllstand 8 Deckelvolumen 9 Restvolumen 10 Schürze 11 Strömungswächter 12 Halterung 13

Claims (11)

Patentansprüche

1. Verfahren zum Abkühlen von Krätze (1) einer Metallschmelze, wobei die Krätze (1) in einen Tiegel (2) eingebracht wird und der Tiegel (2) mit einem Deckel (3) abgedeckt wird, wobei der Tiegel (2) einen oberen Rand (4) aufweist, auf dem eine Abstützung (5) des Deckels (3) aufliegt, und wobei über eine Inertgaseinleitung (6) ein Inertgas in das vom Deckel (3) abgedeckte Volumen eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auflagefuge (7) zwischen der Abstützung (5) des Deckels (3) und dem oberen Rand (4) des Tiegels (2) gasdurchlässig ausgebildet ist, wobei während des Abkühlens über die Inertgaseinleitung (6) eingebrachtes Inertgas durch die Auflagefuge (7) ausströmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Inertgas über die Inertgaseinleitung (6) im obersten Bereich des Deckels (3) in das vom Deckel (3) abgedeckte Volumen eingebracht wird

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringung des Inertgases über einen vorzugsweise nach dem Schwebekörperprinzip funktionierenden Strömungswächter (12) geregelt wird.

4. Vorrichtung zum Abkühlen von Krätze (1) einer Metallschmelze, wobei die Vorrichtung einen Tiegel (2) zur Aufnahme der Krätze (1) und einen Deckel (3) aufweist, wobei bei geschlossenem Deckel eine Abstützung (5) des Deckels (3) auf einem oberen Rand (4) des Tiegels (2) aufliegt, und wobei der Deckel (3) eine Inertgaseinleitung (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass bei geschlossenem Deckel zwischen der Abstützung (5) und dem oberen Rand (4) eine gasdurchlässige Auflagefuge (7) gebildet ist, über die Inertgas, das über die Inertgaseinleitung (6) in das vom Deckel (3) abgedeckte Volumen eingebracht wird, aus der Vorrichtung ausströmt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Rand (4) des Tiegels (2) und die Abstützung (5) des Deckels (3) jeweils aus Metall ausgebildet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiegel (2) einen Nennfüllstand (8) für die Krätze (1) aufweist, wobei ein unten von der Ebene des oberen Randes (4) und oben von dem Deckel (3) begrenztes Deckelvolumen (9) größer ist, als ein unten von dem Nennfüllstand (8) und oben von der Ebene des oberen Randes (4) begrenztes Restvolumen (10) des Tiegels (2).

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Inertgaseinleitung (6) oberhalb der Abstützung (5) und vorzugsweise im obersten Bereich des Deckels (3) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (3) unterhalb der Abstützung (5) eine schräg nach außen hin abstehende Schürze (11) aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen unterem Rand des Deckels (3) und Abstützung (5) gemessene Schürzenhöhe (h) in Bezug auf die Tiegelhöhe (H) ein Verhältnis (h/H) aufweist, das das Auftreten eines Kamineffekts an der Auflagefuge (7) verhindert.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis (h/H) zwischen 0,1 und 0,7, vorzugsweise zwischen 0,2 und 0,5, insbesondere bei etwa 1/3 liegt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Inertgaseinleitung (6) ein Strömungswächter (12) vorgelagert ist.