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Verfahren zum Vakuumentgasen von geschmolzenen Metallen, insbesondere
Stahl Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entgasung von geschmolzenen Metallen,
insbesondere Stahl, mittels Vakuum.
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Die Vakuumentgasung von Metallen ist schon seit langer Zeit bekannt.
Beispielsweise wurde früher vorgeschlagen, geschmolzene Metalle durch einen evakuierten
Raum hindurch in eine Form zu gießen. Dieses ältere Verfahren bedingt aber einerseits
einige wesentliche Änderungen im technologischen Arbeitsaufwand und den Einsatz
unverhältnismäßig großer und unnötiger Kapitalinvestitionen. Weiterhin wurden flüssige
Metalle unter Vakuum durch induktive Heizung so lange durchgemischt, bis sie genügend
entgast waren. Dieses Verfahren erlaubt aber nur die Entgasung kleinerer Metallmengen.
Später wurden Vorschläge bekannt, die einen evakuierten Entgasungsraum vorsehen,
der oberhalb des Behälters der Schmelze liegt. Die"Metallschmelze wurde dann durch
diesen Raum mittels Rohrleitungen hindurchgeführt.
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Für diese Rohrleitungen wurde in einer Ausführungsform eine senkrechte,
konzentrische Rohranordnung vorgeschlagen, die von oben in den Behälter bis unter
den Spiegel der unter Atmosphärendruck stehenden Schmelze reichte. Das innere Rohr
diente der Aufwärtsbewegung der in den Entgasungsraum einströmenden Schmelze; das
äußere Rohr der Abwärtsbewegung der in ihren ursprünglichen Behälter rückkehrenden
Schmelze. Dabei diente also das innere Rohr als Trennwand zwischen den beiden Strömungen
und unterlag sowohl an seiner Innenals auch an seiner Außenwand dem starken Angriff
der strömenden Schmelze. Vor allem haben diese konzentrischen Rohre aber eine praktisch
ungenügende Entgasungswirkung, da untragbar lange Zeiten nötig sind, bis alle Teile
der Schmelze von der Entgasungsapparatur erfaßt wurden, denn eine wirksame Trennung
der Volumina, die in den Entgasungsraum eingesaugt werden oder aus ihm herausströmen,
ist bei diesem Verfahren nicht vorhanden. Eine solche Anordnung hat sich darum nicht
bewährt. Andere bekannte Verfahren zeigen zwei räumlich voneinander getrennte Rohre,
die in je einen Behälter bis unter den Spiegel der in ihnen enthaltenen, zu entgasenden
bzw. schon entgasten und unter Atmosphärendruck stehenden Schmelzen reichten.
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Der Fluß der zu entgasenden Schmelze aus ihrem Behälter aufwärts in
den Entgasungsraum und wieder abwärts in denselben bzw. den zweiten Behälter für
das nunmehr entgaste Metall geschah dabei meist durch einen Niveauunterschied in
Verbindung mit der barometrischen Steighöhe des Metalls, aber auch unter Zuhilfenahme
von eingeleitetem Gas, das diese Strömung unterstützte. Lange Zeit glaubte man offenbar,
die noch zu entgasende und die schon entgaste Schmelze streng trennen zu müssen
und nur durch die Verwendung je eines Behälters eine gute Entgasung erreichen zu
können.
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Dieses Verfahren hat aber schwerwiegende Nachteile, die in dem auf
der einen Seite abnehmenden, auf der anderen Seite jedoch zunehmenden Volumen der
Schmelze ihre Ursache haben. Die Aufrechterhaltung eines bestimmten Niveauunterschiedes
zwischen zwei Schmelzenmengen ist in der großtechnischen Gießerei praktisch unmöglich
oder zumindest mit größten technischen Schwierigkeiten verbunden. Sie würde verlangen,
daß beide Behälter in genau bestimmter Weise und Geschwindigkeit synchron gehoben
bzw. gesenkt werden müssen. Das ist aber in großtechnischem Maßstab mittels der
allgemein üblichen, von je einem Führer bedienten Kräne nicht möglich. Jede dabei
entstehende Störung der Hebe-bzw. Absenkbewegung wirkt sich in unkontrollierbarer
Weise auf die Durchsatzmenge aus. So kann beispielsweise eine rückwärts gerichtete
Strömung einsetzen oder sogar, falls einer der beiden Metallspiegel unter das Ende
des Ein- oder Rückströmrohres absinkt, das Einströmen von Luft in die evakuierte
Entgasungskammer erfolgen und eine langdauernde Unterbrechung des Entgasungsprozesses
hervorrufen.
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Andererseits bedeutet das Überführen der noch zu entgasenden Metallschmelze
aus dem einen Behälter durch den hochgelegenen evakuierten Entgasungsrauen
in
den zweiten Behälter für das schon entgaste Metall einen großen Temperaturverlust,
weil dieser Behälter durch das einströmende Metall aufgeheizt werden muß. Es wurde
darum beispielsweise vorgeschlagen, den zweiten Behälter mit einem besonderen Ofen
zum Wiederaufheizen der Schmelze zu versehen oder die Schmelze im hochgelegenen
Evakuierungsraum mittels einer besonderen Induktionsheizung auf der nötigen Temperatur
zu halten.
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Das wesentlichste Hindernis für die Einführung dieses Verfahrens in
die Praxis ist aber, daß es Änderungen im bisher gewohnten technologischen Arbeitsablauf
erfordert, die im Gießbetrieb nur unter sehr großen Schwierigkeiten einzuführen
sind. Bisher wurde das Metall meist aus dem Schmelzofen in eine Gießpfanne gefüllt
und daraus in die Formen gegossen. Hier wird aber ein zweiter Behälter, also z.
B. eine zweite Gießpfanne öder der eben erwähnte zweite' Ofen, nötig, in den das
entgaste Metall einläuft.
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Eine Variante dieser schon bekannten Verfahren zeigt ebenfalls eine
hochgelegene Entgasungsapparatur, die von oben in die Schmelze hineinreicht, aber
mit ihr nur durch ein einzelnes Rohr verbunden ist. Das hier vorgeschlagene Verfahren
arbeitet diskontinuierlich. Es wird jeweils eine größere Menge der Schmelze aus
dem Behälter entnommen, durch die Einwirkung des Vakuums in den Entgasungsraum gehoben
und dort von einem Teil der enthaltenen Gase befreit. Danach wird die entnommene
Menge wieder in den ursprünglichen Behälter zurückgeführt, wo sie wahrscheinlich
bis zum Boden absinkt. Das Entnehmen und Zurückführen wird mehrfach hintereinander
wiederholt. Das Verfahren, das sich wohl durchaus bewährt, besitzt verschiedene
Nachteile. Das Entgasungsgefäß muß flächenmäßig sehr groß sein, da ein Fördergas,
fehlt, das eine starke Spül-und Entgasungswirkung hat. Gerade die große Schmelzenoberfläche
erfordert in vielen Fällen eine Beheizung. Durch das periodische Einsaugen der Schmelze
in das Entgasungsgefäß und das dazwischenliegende Zurückfließen tritt keine ständige
Durchmischung auf, die nur durch ein kontinuierliches Verfahren erzielt werden kann.
Es treten auch Zeiten relativ hohen Druckes (Druckspitzen) auf, die nur eine geringe
Entgasung liefern und bei der starken Druckabhängigkeit des Austretens von Wasserstoff
auch gar nicht liefern können. Um die Druckspitzen nicht zu hoch ansteigen zu lassen,
muß auch das Vakuumpumpenaggregat größer als sonst nötig gewählt werden. Zudem ist
das Verfahren nur für bestimmte, vor allem unberuhigte Stahlsorten voll geeignet,
so daß seine Anwendungsmöglichkeit fühlbar beschränkt ist.
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Wie dringlich andererseits das Fehlen eines kontinuierlichen Vakuumentgasungsverfahrens
empfunden wurde, ist daraus ersichlich, daß vor kurzem nochmals eine Umfülleinrichtung
bekannt wurde, bei der der flüssige Stahlaus einem Gefäß in ein anderes durch einen
evakuierten Raum geleitet wurde. Auch wurde diese Einrichtung noch. dadurch ausgebaut,
daß der evakuierte Raum in Kammern unter verschieden hohem Vakuum unterteilt und
an den Ein-bzw. Auslauföffnungen besondere Ein- und Auslaßsiphons mit überlaufbogen
angeschlossen wurden. Dadurch wurde eine so komplizierte Einrichtung bekannt, daß
deren Betriebssicherheit in Zweifel gezogen werden muß. Die, vorliegende Erfindung
hat sich die Aufgabe gestellt, ein kontinuierliches Vakuumentgasungsverfahren zu
entwickeln, das die vorstehend aufgezählten Nachteile vermeidet und mit einfachen
Mitteln eine wirksame Entgasung gewährleistet.
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Es besteht in einem Verfahren zum Vakuumentgasen von geschmolzenen
Metallen, insbesondere Stahl, unter Durchlaufen einer Vakuumkammer, die oberhalb
der zu entgasenden Schmelze angeordnet ist und in die diese Schmelze mittels eines
Fördergases durch ein Einlaufrohr eingeleitet wird, in der Vakuumkammer entgast
und danach durch ein vom Einlaufrohr getrenntes Auslaufrohr in denselben Schmelzbadbehälter
zurückströmt, und ist dadurch gekennzeichnet, daß die entgaste Schmelze durch das
Auslaufrohr in einem solchen seitlichen Abstand von der Mündung des Einlaufrohres
in den Sc'hmelzbadbehälter zurückgeführt wird, daß sie nicht mehr unmittelbar durch
das Einlaufrohr angesaugt werden kann. Die neue Vorrichtung zur Durchführung dieses
Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß das Einlauf- und das Rücklaufrohr in
so einem seitlichen Abstand voneinander angebracht sind, daß die in die Gießpfanne
zurückfließende entgaste Schmelze nicht mehr durch das Einlaufrohr angesaugt werden
kann. Hierbei ist es zweckmäßig, daß die in die Gießpfanne eintauchenden Enden des
Einlauf- und des Rücklaufrohres in einer horizontalen Ebene liegen.
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Die im Einlaufrohr aufwärts strömende Schmelze steht, je höher sie
gelangt, unter sich stetig verwindendem Druck. Das begünstigt das Austreten von
Gas und die Bildung von Gasblasen schon in dem Einlaufrohr, wodurch die Förderung
und auch die Entgasung der Schmelze begünstigt wird. Es kann daher nach dem Ingangsetzen
des Umlaufs die Zuführung des Stoffes mit geringer Dichte bzw. des vorzugsweise
zugeführten Gases zeitweise unterbrochen werden. Auch beim Nachlassen der Gasentwicklung
kann durch zeitweises Einleiten die Umlaufbewegung unterstützt werden. Bei starker
Gasentwicklung aus dem Stahl selbst kann auch die Menge des zugegebenen Fördergases
herabgesetzt werden.
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Das vorgeschlagene Entgasungsverfahren besitzt zunächst alle Vorteile
eines kontinuierlichen Prozesses und vermeidet die hin- und hergehende Bewegung
großer Massen. Es braucht nur jeweils die hindurchfließende, relativ kleine Metallmenge
entgast zu werden, so daß die Entgasung sehr weitgehend erfolgen kann. Der Entgasungsvorgang
erfaßt große Volumina infolge des kontinuierlichen Flusses, zumal relativ weite
Rohrleitungen und große Strömungsgeschwindigkeiten möglich sind. Zum Beispiel sind
Durchsätze von 10 t/min und mehr erzielbar.
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Die hindurchströmende Metallmenge wird einem wesentlich größeren Vorrat
entnommen und in ihn wieder zurückgeführt. Dabei kommt die große Wärmekapazität
dieses Vorrats zur Wirkung, so daß eine zusätzliche Erwärmung der hindurchströmenden
Metallmenge nicht erforderlich ist. Dies ist ein wärmetechnisch ausschlaggebender
Vorteil.
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Außerdem bedingt das vorgeschlagene Verfahren keine wesentliche Änderung
des technologischen Arbeitsanlaufs. Beim bisherigen Gießverfahren wird das Mefall
zunächst in eine genügend große Gießpfanne. gebracht und aus ihr vergossen. Diese
Gießpfanne wird bei. Benutzung des hier vorgeschlagenen Verfahrens in der üblichen
Weise gefüllt und an
einer dafür vorbereiteten Stelle abgesetzt.
Dann wird die Entgasungsapparatur von oben her so weit hineingesenkt, daß die beiden
räumlich voneinander getrennten Rohre mit ihren unteren Enden in die Schmelze eintauchen.
Danach werden die Evakuierung und auch die Zufuhr von Fördergas in. Gang gesetzt.
Nachdem die Schmelze ein- oder mehrfach durch den Entgasungsraum hindurchgeflossen
ist, wird das Vakuum aufgehoben. Die Entgasungsapparatur wird angehoben, die Gießpfanne
in der üblichen Weise zur Gußform weitertransportiert und das Metall in der üblichen
Weise vergossen. Die Änderung des Arbeitsablaufs besteht also allein darin, daß
die gefüllte Gießpfanne vor dem Guß für eine gewisse Zeitspanne an geeigneter Stelle
abgesetzt wird. Die Erfindung erreicht also ihr Ziel in Überraschend einfacher Weise.
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Weiterhin widerlegt das vorgeschlagene Verfahren ein bisher wohl vorhanden
gewesenes Vorurteil. Wie die große Zahl bekanntgewordener Vorschläge zeigt, glaubte
man offenbar, eine wirksame Vakuumentgasung der Schmelze nur dadurch erreichen zu
können, daß die entgaste Schmelze nach einmaligem Durchlaufen des Entgasungsgefäßes
durch das zweite Rohr hindurch in einem besonderen Behälter aufgefangen wird und
sie nicht wieder mit der noch nicht entgasten Schmelze vermischte. Dies ist darüber
hinaus ein Trugschluß. Denn der zweite Behälter, in den die entgaste Schmelze geleitet
wird, muß zunächst so viel nicht entgaste Schmelze enthalten, daß der evakuierte
Entgasungsraum auch auf dieser Seite durch eine barometrische Steigsäule abgeschlossen
werden kann. Erst wenn eine größere Menge entgaster Schmelze vorliegt, kann das
Verfahren arbeiten. Dieser Nachteil wird durch das hier vorliegende Verfahren vermieden.
Überraschenderweise wird das ganze Volumen der zu entgasenden Schmelze nacheinander
von der Entgasung erfaßt, obwohl die entgaste Schmelze wieder in ihren ursprünglichen
Behälter zurückgeführt wird.
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Zum weiteren Verständnis der Erfindung wird nachstehend ein Beispiel
für eine Apparatur und ein Entgasungsverfahren beschrieben. Hier wird als Fördermittel
das Einleiten von Gas in das Einströmrohr benutzt.
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Die F i g. 1 und 2 zeigen ein Schema der verwendeten Entgasungsapparatur,
wobei in den beiden Figuren zwei Varianten der Fördereinrichtung gezeichnet sind.
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Die Vakuumpumpenanlage 1 in den F i g. 1 und 2 evakuiert den Vakuumraum
2 über die Pumpleitung 3. Der Vakuumraum 2 wird durch den Kessel 10 begrenzt, in
dessen Boden 11 die Rohre 12 und 14 eingesetzt sind. Diese Rohre verlaufen vorzugsweise
senkrecht und tauchen von oben in die Schmelze 16, die sich in dem Behälter, einer
Zwischenpfanne 25, befindet.
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Die Vorrichtung wird mit den vorzugsweise in einer horizontalen Ebene
liegenden Enden der Rohre 12 und 14 in die Schmelze 16 bis unter den Spiegel 15
eingetaucht. Dann wird der Raum 2 evakuiert, wobei die Schmelze in die Rohre bis
zur barometrischen Steighöhe h" eindringt.
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Unterhalb oder im unteren Teil des Rohres 14 liegt das Ende der Rohrleitung
27, durch die ein Gas in die Schmelze eingeleitet wird. Die Gasblasen steigen im
Rohr 14 (dem Einströmrohr) auf, wobei ihre Größe immer mehr zunimmt. Dabei nehmen
sie die dort befindliche Schmelze in- Richtung des Pfeiles 22 in den Vakuumraum
2 hinein mit, die dann in Richtung der Pfeile 21 nachströmt.
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Die Gasblasen vermindern die Dichte der Schmelze im Rohr 14 so, daß
diese etwas höher steigt, als die barometrische Steighöhe ha der kompakten Schmelze
beträgt. Die aus dem Rohr 14 in den Vakuumraum 2 eindringende Schmelze wird dort
von den Gasblasen getrennt und noch weiter entgast. Sie fließt dann in Richtung
des Pfeiles 20 in das Rohr 12 und in Richtung des Pfeiles 19 in die Schmelze 16
zurück.
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Die Leitung 27, durch die das Fördergas zugeführt wird, ist in F i
g. 1 unabhängig von dem Vakuumkessel 2 und dem Rohr 14.
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In F i g. 2 ist die Gasleitung 28/29 mit dem Vakuumkessel 2 fest verbunden,
so daß keine gesonderte Leitung wie in F i g. 1 notwendig ist.
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Als fördernde Gase können inerte, in der Schmelze nicht oder nur wenig
lösbare Gase, wie z. B. Argon, benutzt werden. Denselben Zweck erfüllen aber auch
die Gase, die, wie Stickstoff und Kohlenstoffmonoxyd, schon in gewisser Menge in
der Schmelze vorhanden sind, da sie ohnedies im Vakuumkessel wieder mit abgetrennt
werden.
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Im Vakuumraum sind Einrichtungen vorgesehen, die die Abtrennung des
frei werdenden Gases von dem meist in größeren Tropfen oder Strahlen umherwirbelnden
Metallmengen bewirken. Als einfaches Beispiel hierfür ist in den Figuren die Prallplatte
23 eingezeichnet.