DE1458874A1 - Vakuumentgasung von geschmolzenen Metallen,insbesondere Stahl - Google Patents

Description

(entsprechen* der Verfügung'lira 36.10./1.11.19^5)

. .·" Vakuumentgasung von geschmolzenen Metallen, insbesondere jÖtahlW

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entgasung von gesptoö^^ zenen Metallen, insbesondere Stahl, mittels Vakuum, f

Die Vakuumentgasung von Metallen ist schon seit langer Zeit b<3- ' kannt. Beispielsweise wurde früher vorgeschlagen, geschmolzene Metalle durch einen evakuierten Eaüm hindurch in eine Form oder¹.- ' eine Gießpfanne zu gießen(Deutsche Patentschriften 65 592, 96 836 und Deutsche Patentanmeldung B 12 970/31 c, bek. 13.3.1952). 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 so lange gehalten oder durch induktive Heizung so lange durchgemischt, bis sie genügend entgast waren (Deutsche Patentschrift 34-5 3 61). Dieses Verfahren erlaubt aber nur die Entgasung kleinerer Metallmengen. Es wurden auch Vorschläge bekannt, die einen evakuierten Entgasungsraum vorsehen, der oberhalb des Behälters der Schmelze liegt (USA-Patentschriften He 11 671, 4-14 397, 2 587 793, Deutsche Patentschrift 859 801). ' Die Metallschmelze wurde dann diesem Saum mittels Rohrleitungen zugeführt und aus ihm wieder abgeleitet·

Mir diese Rohrleitungen wurde in einer Ausführungsform (USA-Patentschrift 1 921 060, Fig. 3) eine senkrechte, konzentrische Rohren-? Ordnung vorgeschlagen, die von oben in den Behälter bis unter deü. 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 zurückkehrenden Schmelze. Dabei diente; also das innere Rohr als Trennwand zwischen den beiden Strömungen und unterlag sowohl an seiner Innen- als auch an seiner Außenwand ' deia stecken Angriff der strömenden-Schmelze· Vor allem haben diese

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₍ kpnzentrischen Rohre aber eine praktisch ungenügende

wirkung, 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 ein- · gesaugt werden oder aus ihm herausströmen, ist bei diesem Verfahren nicht vorhanden. Eine solche Anordnung hat sich darum trotz der kontinuierlichen Arbeitsweise und der Zurückführung in denselben Behälter nicht bewährt· In letzter Zeit ist ein nicht bekanntgewordener Vorschlag (zurückgezogene, nicht bekanntgemachte j deutsche Patentanmeldung H 29 4-03 VI/18 b vom 21.2.J.957, die ur- ; sprüngliche Stammanmeldung des vorliegenden Patentgesuchs)zur ■ Verbesserung gemacht, der die Vorteile des Verfahrens nutzen wollte. Er bestand darin, die Fördereinrichtung nicht als Gaszuführung in das innere Einlaufrohr, sondern als Zentrifugalförderung im äußeren Auslaufrohr auszubilden. Aber auch dieser Vorschlag führte zu keiner entscheidenden und brauchbaren Verbesserung.

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 Afcmosphärendruck stehenden Schmelzen reichten. Der Fluß der zu entgasenden Schmelze aus ihrem Behälter aufv/ärts in den Snt— gasungsraum und wieder abwärts in den zweiten Behälter für das j mmme.hr entgaste Metall geschah dabei meist durch einen ITiveau-, unterschied in Verbindung mit der barometrischen Steighöhe des ' Metalls, aber auüh unter Zuhilfenahme von eingeleitetem Gas (USA-Patentschrift 1 921 060, Fig. 1), das diese Jtrömung 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 Sntgasung erreichen zu können.

Dieses Verfahren hat aber schwerwiegende KacirGeile, 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

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Unmöglich oder zumindest mit größten technischen Schwierigkeiten verwundern. Sij| würde verlangen,, daß beide Behälter in genau bestimmter Wei^se ttnd Geschwindigkeit synchron gehoben bzw» gesenkt werden imssen. Das ist aber in großtechnischem Maßstab "mittels der ^l^gemein üblichen, von je einem Führer bedienten Kräne kicl$F. möglich. Jede dabei entstehende Störung der Hebe- bzw« Absenkbewegung wirkt sich in unkontrollierbarer Weise auf die Jhirchsatzmenge aus. So kann beispielsweise eine rüokwäiftjs geriothtete Strömung einsetzen oder sogar, falls einer der beiden Metallspiegel unter das Ende des Ein- oder

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Hückströjairolires.abgiiikt, das Einströmen von Luft in die eva-

kuierte Entgösungska^mer erfolgen und eine langdauernde Unterbrechung des BntgasÄgs^rozöeses hervorrufen.

Andererseits be&euteT$ da:s überführen der noch zu entgasenden Metallsoniieisse aus dem Öinen Behälter durch den hochgelegenen evakuieitÄn |lntg8sun|;srÄam iü den zweiten Behälter für das schon eÄbgä'ste ¥eta^L einen großen tTemperaturverlust, weil dieser, len^l%er*'"duroJL das ,einströmende Metall aufgeheizt werden muß* 3&9,wurde däjtum beispielsweise vorgeschlagen, den zweiten Behälter mit eiiiam "iö^ondereii Ofen zum Wiederaufheizen der Schmelze zu versehen uni/öder die Schmelze im hochgelegenen Sntgasung^raum. ji^ttels 0iner besonderen Induktions- oder Lichtbogenheizung auf de^- nötigen temperatur zu halten (USA-Patentschrift 2 587 793, ffcanzöeisahe Patentschrift 578 617).

Das wesentlichste Hindernis für die Einführung dieses Verfahrens mit zwei Behältern ^U3A-Patentschrift 1 921 060, Fig. 1) ist die Tätsache, 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 Kokillen vergossen. Hier wird aber ein zweiter Behälter, also z. B. eine zweite Gießpfanne oder 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 hineinieLcht, aber mit ihr nur durch ein einzelnes Rohr verbunden ist. (Luxemburgische Patentschrift 34 836 bzw. "Stahl und Eisen" 76 (1956) S. 1721 ff). 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 wieder- holt. Das Verfahren, das sich wohl durchaus bewährt, besitzt aber verschiedene wesentliche Nachteile. Das Sntgasungsgefäß muß flächenmäßig sehr groß sein, da ein Fördergas fehlt, das eine starke Spül- und Entgasungswirkung hat. Gerade die große Schmelzenoberfläche erfordert in Vielen Fallen 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 aubh das Vakuum— pumpenaggregat größer als sonst nötig gewählt werden. Zudem ist das Verfahren nur für bestimmte, vor allem unberuhigte Stahlsorten voll geeignet, so daß seine Anwrendungsmdglidhkeit fühlbar beschränkt ist. Auch ist der Aufwand, der für die diskontinuierliche Relativbewegung großer Massen, d.h. von Gießpfanne und Entgasungsgefäß, erforderlich ist, recht beträchtlich..

Wie dringlich andererseits das Fehlen eines kontinuierlichen Vakuum-Sntgasungsverfahrens empfunden wurde, ist daraus ersichtlich, daß vor kurzem nochmals eine Umfülleinrichtung bekannt wurde, bei der der flüssige Stahl aus einem Gefäß in ein anderes durch einen evakuierten Raum geleitet und beheizt wurde (Luxemburgische Patentschrift 34 601). Auch wurde diese Üa-

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Die vorliegende Erfindung hat sich die Ausgabe gestellt, „Vakuumentgasungsverfahren zu entwickeln, &§s die vorstehend' a\f£-"] gezählten Sachteiie vermeidet und mit einfachen Mitteln eine ' wirksame Entgasung gewährleistet. . ' ""

Beim erfindungsgemfeßen Verfahren zum kontinuierlichen Vakuumentgasen von geschmolzenen Metallen, insbesondere Stahl durchläuft die Metallschmelze in bekannter Weise eine Vakuumkammer, die oberhalb der zu entgasenden Schmelze angeordnet ist und in der die Schmelze entgast wird. Die Schmelze wird mittels einer Fördereinrichtung, z.B. mittel» Einleiten eines Fördergases im Einlaufrohr durch ein Einlaufrohr in die Vakuumkammer eingeleitet und durch ein Auslaufrohr in denselben Schmelzenbehälter zurückgeführt. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die entgaste Metallschmelze durch ein vom Einlaufrohr getrenntes Auslaufrohr in einem solchen seitlichen Abstand von der Mündung des Einlaufrohrs in den Schmelzenbehälter zurückgeführt wird, daß sie nicht mehr unmittelbar durch das Einlaufrohr angesaugt wird.

Die im Einlaufrohr aufwärts strömende Schmelze steht, Je höher sie gelangt, unter sich stetig verminderndem Druck. Das begünstigt das Austreten von Gas und die Bildung von Gasbläsen \ schon in dem Einlauf rohr, wodurch die Förderung und auch die Ent'-» '.gasung der Schmelze begünstigt wird· Auch kann beim Nachlassen der Gasentwicklung durch zeitweise stärkeres Einleiten die Umlaufbew.egung unterstützt werden. Bei starker Gasentwicklung aus £ dem Stahl selbst kann die Menge des zugegebenen Fördergases herabgesetzt werden. Nach dem Ingangsetzen des Umlaufs kann die Zu-

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führung des Stoffes mit geringer Dichte bzw. des vorzugsweise zugeführten Gases sogar zeitweise unterbrochen werden.

Das vorgeschlagene Entgasungsverfahren besitzt zunächst alle Vor teile 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 erfolgt· Der Entgasungsvorgang erfaßt große Volumina infolge des kontinuierlichen'Flusses, zu mal relativ weite Rohrleitungen und große Strömungsgeschwindig keiten möglich sind. Zum Beispiel sind Durchsitze von 10 Tonnen pro Minute und mehr erzeilbar.

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.

Außerdem bedingt das vorgeschlagene Verfahren keine wesentliche Änderung des technologischen Arbeitsablaufs. Beim bisherigen Gießverfahren wird das Metall zunächst in eine genügend große Gießpfanne abgestochen 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 wird die Evakuierung und auch die Zufuhr von Fördergas in Gang gesetzt. Nachdem die Schmelze ein- oder mehrfach durch den 3ntgasungsraum 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 Jtelle abgesetzt wird. Die Erfindung erreicht also ihr Zi.■"■ in überraschend ein-; fächer Weise. 009812/0305

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Weiterhin widerlegt das vorgeschlagene Verfahren ein bisher wohl vorhanden gewesene« Voturteil. Wie die große Zahl bekanntgewordener Vorschläge zeigt, glaubte man offenbar, eine wirksame Vakuumentgasung der. Schnei»· nur dadurch erreüien zu können, daß die entgaste Schmelze nach einmaligem Durchlaufen des Khtgasungagefäßee durch das aweite Bohr hindurch in einem besonderen Behälter aufgefangen wird und sie nicht wieder mit der noch nicht entgasten Schmelze vermischte (USA-Patentschrift 1 921 060, SMg. 1)· Sl#s ist ein Trugschluß. Denn der zweite Behälter, in den die entgaste Schmelze geleitet wird, muß zunächst soviel (nloht entgaste) Schmelze enthalten, daß der evakuiert·* Bntgaeungsraum auch auf dieser Seite durch eine barometrische Steigeäul* abgeschlossen werden kann. Erst wenn eine größere Menge itttga|tter Schmelze vorliegt, kann das Verfahren arbeiten. Dieser Kajt&tell wird durch das hier vorliegende Verfahren vermieden^ tlfrerraechenderweiae -wird das ganze Volumen der su entgasenden Sohmelae nacheinander von der Smtgasung· erfaßt, Ob*»hl 4ifr eatgaSte Schmelze wieder in ihren Ursprungliehen »»häitereuröök^fulirt wird.

Zu» weiteren Veretöiadsiie der Erfindung wird nachstehend ein Beispiel fttr eine AjEpsrratur und ein Entgasungsverfahren beschrieb·»· Hie* w£*d ale fBydermittel das Binleiten von Gas in das £instz»5mroW benuttt.

Die Figuren 1 und 2 »eigen ein Sehe«· der verwendeten Entgssuageapparatur, wob·! in den beiden figuren zwei nur geringfügig voneinander abweichende Varianten der Fördereinrichtung gezeichnet sind. '

Pie Vekuumpumpenaniage 1 in den Figuren 1 und 2 evakuiert den Vakuumrau» 2 über die JHimpleitung 5. Der Vakuumraum 2 wird durch d«n Kessel 10 begrenzt, in dessen Boden die Hohre 12 und 1* tlngeeetst sind* pi»*· Höhre verlaufen vorzugsweise senkr*oht und teuchea V^n oben in die Schmelze 16, die sich in dem ·1β*Τ ^w|j|CfeÄapfanne 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.

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 Einatrömrohr) 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 da/in in Richtung der Pfeile 21 nachströmt.

Die Gasblasen vermindern die Dichte der Schmelze im Rohr 14 so, daß diese etwas höher steigt, als die barometrische Steighöhe h. der kompakten Schmelze beträgt. Die aus dem Rohr 14 in den VakuumrauK 2 eindringende Schmelze wird dort von den Gasblasen getrennt und noch weiter entgast· Sie fließt dann über die Strecke 11 am Boden des Yekuumraumes und in Richtung des Pfeiles 20 in das Rohr 12 und schließlich in Richtung des Pfeiles 19 ia die Scheel* se 16 zurück.

Die Leitung 27, durch die das Fördergas zugeführt wird, ist in Figur 1 unabhängig von dem Vakuumkessel 2 und dem Rohr 14.

In Figur 2 ist die Gasleitung 28/29 mit dem Vakuumkessel 2 fest verbunden, so daß keine gesonderte Leitung wie in Figur 1 notwendig ist.

Als fördernde Gase können inerte, in der Schmelze nicht oder nur wenig lösbare Gase, wie z.B. Argon, benutzt werden. Denselben Zweck erfüllen aber auhh 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 Vakuumreu» eind _;Slnrichtungen vorgesehen, die die Abtreanuiig des freiwerdenden Qeses von dem aeiist in größeren Tropfen oder Strahlen umherwirbelnden Metallmengen bewirken. Als einfaches Beispiel hierfür ist in den beigegebeneri Abbildungen die Prallplatte _ä' 23 eingezeichnet, -·;-

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Claims (3)

ήΟ Ansprüche zur Ausscheidung aus der Patentanmeldung H 29 783 VI a/18 b. Tr.A. (entsprechend der Verfugung vom 26.10./1.11.1965)

1. Verfahren zum kontinuierlichen Vakuumentgasen von geschmolzenen Metallen, insbesondere Stahl, bei dem die Schmelze eine Vakuumkammer durchläuft, die oberhalb der zu entgasenden Schmelze angeordnet ist und in der die Schmelze entgast wird, und mittels einer Fördereinrichtung, z.B. mittels Einleiten eines Fördergases durch ein Einlaufrohr in die Vakuumkammer eingeleitet und durch ein Auslaufrohr in denselben Schmelzenbehälter zurückgeführt

ρ wird, dadurch gekennzeichnet, daß die entgaste Metallschmelze durch ein vom Einlaufrohr (14) getrenntes Auslaufrohr (12) in einem solchen seitlichen Abstand (11) von der Mündung des Sinlaufrohres (14) in den Schmelzenbehälter (25) zurückgeführt wird (Pfeile 19»20), daß sie nicht mehr unmittelbar durch das Einlaufrohr (14) angesaugt wird (Pfeile 21).

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einer Vakuumkammer, die mit einem in die Gießpfanne eintauchenden Einlaufrohr und einem in dieselbe Pfanne eintauchenden Rücklaufrohr versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Einlaufrohr (14) und das Rücklaufrohr (12) in einem derartigen seitlichen Abstand (11) voneinander angebracht sind, daß die in die Gießpfanne zurückfließende entgaste ochmelze (Pfeil 19) nicht mehr durch das Einlaufrohr angeeaugt wird (Pfeil 21).

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Gießpfanne eintauchenden Enden des Einlauf- 'und des Rücklaufrohres (14 bzw. 12) in einer horizontalen Ebene liegen.

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