DE2923493C2

DE2923493C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Entgasen von Metallschmelzen in einer Reaktionskammer

Info

Publication number: DE2923493C2
Application number: DE2923493A
Authority: DE
Inventors: Joseph A. Dr. Creve Coer Mo. Clumper
Original assignee: Schweizerische Aluminium AG
Current assignee: Alcan Holdings Switzerland AG
Priority date: 1978-06-12
Filing date: 1979-06-09
Publication date: 1982-01-21
Also published as: GB2025466B; GB2025466A; FR2431887B1; IT1125362B; SE425257B; CA1130574A; ATA418679A; FR2431887A1; AU526630B2; DE2923493A1; YU137379A; EG14025A; NO153579B; AU4795679A; NO153579C; NO791904L; IT7923490A0; SE7905061L; AT369036B; NL7904567A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entgasen von Metallschmelzen in einer Reaktionskammer mit langgestreckter Seitenwandung, in deren oberen Bereich die Metallschmelze eingeführt, dann von einem Spülgas im Gegenstrom durchströmt und in einem tieferliegenden Bereich der Reaktionskammer abgezogen wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens nach dem Oberbegriff Anspruch 1 mit einem oberen Zulauf für die Metallschmelze in die Reaktionskammer, einem unteren Auslauf für die Metallschmelze sowie einem unter dem Zulauf angeordneten Einlaß für ein Spülgas.

In der Praxis enthält geschmolzenes Metall, insbesondere geschmolzenes Aluminium, im allgemeinen mitgeschleppte und gelöste Verunreinigungen in gasförmiger und fester Form, welche sich auf das Gußprodukt nachteilig auswirken.

Die Verunreinigungen können verschiedenen Ursprungs sein; so können sie metallische Verunreinigungen wie Alkali- und Erdalkalimetalle einschließen sowie gelösten gasförmigen Wasserstoff und eingeschlossene Filme von Oberflächenoxiden, welche aufgebrochen und vom geschmolzenen Metall mitgeschleppt worden sind. Im weiteren können die Einschlüsse von unlöslichen Verunreinigungen — wie beispielsweise Carbiden, Boriden usw. oder erodierten feuerfesten Materialien aus Ofen und Zuführungsrinnen — herrühren.

Ein bekanntes Verfahren zum Entfernen von gasförmigen Verunreinigungen aus geschmolzenen Metallen stellt das Entgasen dar. Dieses physikalische Verfahren schließt das Einleiten eines Spülgases in die Schmelze ein. Der Wasserstoff diffundiert durch die Schmelze zu den Blasen des Spülgases, wird von den Blasen adsorbiert und anschließend mit der Blase aus

4¹J der Schmelze ausgetragen.

Es ist natürlich höchst wünschenswert, das Entgasen von geschmolzenem Metall derart zu verbessern, daß solche Verunreinigungen im Gußprodukt stark vermindert sind. Dies ist insbesondere bei geschmolzenem

w Aluminium der Fall, wenn z. B. das entgaste und filtrierte Metall für dekorative Verkleidungen, als Schmiedstück oder Strangpreßprodukt in der Flugzeugindustrie oder gar als dünne Folien eingesetzt wird. Die genannten Verunreinigungen bewirken eine Minderung wichtiger Eigenschaften des Gußproduktes wie Zugfestigkeit und Korrosionswiderstand.

Rigorose Metallbehandlungsverfahren wie Gasspülung oder Schmelzefiltration haben zwar das Auftreten solcher Fehler stark vermindert, werden jedoch als unwirksam und/oder unwirtschaftlich angesehen.

In üblicher Weise durchgeführte Verfahren mit Spülgas wie das allgemeine Begasen des Schmelzeraumes, haben die Einführung des Spülgases in den eine geschmolzene Metallmenge enthaltenden Warmhalteofen zum Gegenstand gehabt. Dieses Verfahren macht es erforderlich, das geschmolzene Metall während der Behandlung mit Spülgas längere Zeit im Ofen zu halten, damit die behandelte Metalmenge konstant bleibt.

Dieses Vorgehen hat manche Nachteile, unter anderem einen verminderten Wirkungsgrad und gesteigerte Kosten infolge eines längeren Ofenstillstandes während der Gasbehandlung sowie eine Verminderung der Wirksamkeit der Gasbehandlung durch die schlechte Bedeckung des geschmolzenen Metalls mit Spülgas, was den zu großen Blasen und der ungenügenden Dispersion der Blasen in der Schmelze zuzuschreiben ist

Als Alternative zu den oben beschriebenen, diskontinuierlichen Gasspülverfahren wurden gewisse Gasspülverfahren in kontinuierlicher Weise angewendet; d. h. die für die Behandlung erforderliche Vorrichtung wurde außerhalb des Schmelz- oder Halteofens angeordnet, oft entweder zwischen dem Schmelzofen und dem Warmhalteofen oder zwischen dem Warmhalteofen und der Gießmaschine. Dies half, die durch den Ofenstillstand während der Gasbehandlung verursachte Unwirtschaftlichkeit und die hohen Kosten zu mindern, konnte aber den Wirkungsgrad der Entgasung selbst nicht erfolgversprechend verbessern, weil untragbar hohe Mengen von Spülgas pro Einheit geschmolzenen Metalls erforderlich waren.

Eine übliche kontinuierlich arbeitende Gasspültechnik ist in der US-PS 37 37 304 offenbart; in einem Gehäuse ist ein Bett von »Steinen« angeordnet, durch welches das geschmolzene Metall hindurchgeht, ein Spülgas wird in der Nähe des Bettes eingeführt und steigt im Gegenstrom zum geschmolzenen Metall durch die Spalten zwischen den Steinen aufwärts. Ein Bett aus porösen Steinen hat aber einen Nachteil; der enge Abstand zwischen den Poren der Steine hat zur Folge, daß die durch die Steine hindurchgehenden Blasen auf deren Oberfläche koaleszieren und anstelle einer großen Anzahl kleiner Blasen eine verhältnismäßig kleine Anzahl großer Blasen bilden. Durch die js koaleszierenden Blasen wird aber die gesamte Oberfläche der Blasen, an welcher Wasserstoff adsorbiert werden kann, vermindert, was zu einem niedrigen Entgasungswirkungsgrad führt.

Die DE-PS 9 66 101 schildert ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von schmelzflüssigem Aluminium und Aluminiumlegierungen mit Chlorgas. Hierbei wird vorgeschlagen, daß ein indifferentes Gas durch eine Vielzahl von Öffnungen sowohl vor als auch nach dem Einbringen des Chlorgases durch die gleichen öffnungen in die Schmelze eingeleitet wird, so daß das Chlorgas in Zuführungen von indifferentem Gas eingelagert ist. Zur Durchführung dieses Verfahrens dient ein Begasungsrohr, welches mit Oberflächenschutz gegen den Angriff der Begasungsmittel und der Schmelze sowie mit einer Vielzahl von verteilt angeordneten Löchern versehen ist. Dank dieser Mittel sollen Schmelzen begast werden, um deren Visikosität zu vermindern, und das Abscheiden von in der Schmelze schwebenden Bestandteilen zu erleichtern. Der Fachmann entnimmt dieser Vorveröffentlichung, daß ein gleichzeitiges Filtrieren und Begasen nicht sehr zweckmäßig erscheint.

Gemäß der US-PS 35 37 987 wird die Entgasung und die Filtration in zwei getrennten Räumen einer bo Behandlungseinrichtung durchgeführt. Die dort beschriebene Vorrichtung wurde durch die Verwendung von Keramikfilterplatten gemäß US-PS 40 32 124 zwar vereinfacht, ohne jedoch eine Verbesserung des eingangs erwähnten Verfahrens zu bringen. h >

Es war im Rahmen des Standes der Technik also einerseits üblich, schmelzflüssiges Aluminium durch mehrere Filterschichten sickern zu lassen (DE-PS 9 66 101) oder gemäß US-PS 35 37 987 den Entgasungsprozeß und den Filtrierprozeß aufzuteilen. Anderseits sind aus anderen Fachgebieten Methoden bekannt, mittels deren durch aufwendige Reaktoren auf bestimmte Reaktionen abgezielte Sirömungsverhältnisse geschaffen werden, wie dies u. a. die DE-AS 13 01 800 und die US-PS 33 00 300 verdeutlichen.

Der wesentliche Nachteil der üblichen Spülgasbehandlung von Metallschmelzen muß darin gesehen werden, daß infolge des Koalezierens der Gasblasen in der Metallschmelze der Stoffaustausch — beispielsweise die Adsorption von Wasserstoff — unbefriedigend bleibt. Angesichts dieser Gegebenheiten besteht die gestellte Aufgabe darin, den Stoffaustausch bei der Gasspülung von Metallschmelzen zu verbessern.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß gemäß dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruches 1 die Metallschmelze tangential in die Reaktionskammer eingeleitet wird.

Im Anspruch 2 ist eine Vorrichtung zur Durchführung des beanspruchten Verfahrens angegeben.

Durch das tangentiale Einführen der Metallschmelze in die Reaktionskammer wird im Metallstrom eine Wirbelbewegung erzeugt; durch die Einführung des strömenden Gases in den wirbelnden Metallstrom erreicht die Dispersion der Entgasungsblasen ein Maximum. Durch die im Anspruch 3 beschriebene Optimierung des Düsenkalibers wird die effektive Adsorption von gasförmigen Verunreinigungen weiter erhöht.

Mit zunehmendem Durchmesser der Reaktionskammer nimmt die Dispersion der Spülgasblasen im Kammerzentrum ab. Der Erzielung einer besseren Gasblasdispersion dient das Merkmal des Anspruches 4; zu dem noch zusätzlich die Einlaßdüsen in bezug auf den Metallauslauf in unterschiedlicher Höhe angeordnet sein können.

Die Unteransprüche 5 bis 8 beschreiben weitere vorteilhafte Ausbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der dazu vorgeschlagenen Vorrichtung wird eine beträchtliche Erhöhung der Produktivität in bezug auf das Entgasen von geschmolzenem Metall erzielt, weil das Entgasen ohne durch den Schmelzofen verursachte Unterbrechungen fortgesetzt werden kann. Zudem ermöglicht die Gestaltung der Vorrichtung deren Anordnung in Nähe der Gießmaschine, wodurch die Möglichkeit eines weiteren Eindringens von Verunreinigungen in die Schmelze wesentlich vermindert wird. Schließlich wird das Entgasen von geschmolzenem Metall durch die Optimierung des Wirkungsgrades der Adsorption von gasförmigen Verunreinigungen verbessert.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Blasengröße des Spülgases auf ein Minimum verringert, während die Dispersion der Gasblasen wesentlich verbessert wird; die wirksame Oberfläche für die Durchführung der Adsorptionsreaktion wird erhöht und so die Entgasung des geschmolzenen Metalls optimiert. Zusätzlich erlaubt der hohe Wirkungsgrad der Vorrichtung die Durchführung einer Entgasung mit einer wesentlich geringeren Menge an Spülgas; die durch das Reinigungsverfahren erzeugte Abgasmenge wird in bedeutendem Ausmaß vermindert.

Die Vorrichtung und das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung haben einen sehr breiten Verwendungsbereich. Insbesondere bei Stranggießverfahren kann ein Paar von solchen Wirbeltankreaktoren

in Parallelschaltung verwendet werden. Bei Stranggießverfahren von langer Dauer und einem damit verbundenen großen Durchfluß von Metall kann es erforderlich werden, im Verlauf des Gießens ein Auswechseln des Filters durchzuführen. Ein solches Auswechseln kann durch die Verwendung von parallel angeordneten Durchflußkanälen mit je einem Reaktor erleichtert werden, wenn gewährleistet ist, daß das geschmolzene Metall ohne Unterbrechung beispielsweise durch Ventile, Klappen od. dgl. von einem Kanal in den anderen umgeleitet werden kann. Der Fluß des geschmolzenen Metalls ist so auf eine Reaktionskammer beschränkt und kann sofort auf den anderen Kanal umgeleitet werden, wenn der Wirkungsgrad der ersten Kammer abfallen würde. Damit ist gewährleistet, daß ein ununterbrochener Strom von gereinigtem flüssigem Metall einer Stranggießmaschine zugeführt werden kann.

Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung schematisch dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 den Längsschnitt durch eine Vorrichtung mit zylinderförmiger Reaktionskammer;

F i g. 2 den Horizontalschnitt entlang der Linie H-II in F i g. 1;

F i g. 3 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform der Vorrichtung;

F i g. 4 eine Seitensicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Vorrichtung;

F i g. 5 die Draufsicht auf F i g. 4.

Ein Wirbeltankreaktor 1 weist eine langgestreckte zylindrische Seitenwandung 2 auf, die mit einem Boden 4 eine zylindrische Reaktionskammer 10 bildet. Diese dient zur Begasung und Filtrierung einer durch einen Zulauf 6 im oberen Bereich der Reaktionskammer 10 in diese eingeleiteten sowie durch einen Auslauf 8 wieder austretenden Metallschmelze. Zulauf 6 und Auslauf 8 sind in bezug auf die Seitenwandung 2 tangential angeordnet.

Im oberen Bereich der Reaktionskammer 10 ist eine nicht dargestellte — beispielsweise aus Argon oder Stickstoff bestehende Inerigasbedeckung — vorhanden, um die Readsorption von gasförmigen Verunreinigungen an der Oberfläche des geschmolzenen Metalls zu vermindern. Dieses ist in Fig. 1 mit 12 bezeichnet und füllt zwischen seinem Badspiegel 14 sowie dem Boden 4 einen sog. Schmelzeraum 16 einer Höhe h.

An der Innenseite der Seitenwandung 2 ist oberhalb des Auslaufs 8 eine periphere Randleiste 22 vorgesehen, deren Innenflächen 24 geneigt sind und eine sich nach unten konisch verjüngende Einsatzöffnung 26 für ein entsprechend gestaltetes Filter 20 begrenzen: das Filter 20 hat eine entsprechend konisch ausgebildete Umfangsfläche 30. welche mit einer Dichtung 28 zur Anlage an die Innenfläche 24 der Randleiste 22 versehen ist.

Die Dichtung 28 ist elastisch und soll durch das eingesetzte flüssige Metall 12 nicht benetzbar sein, um dessen chemischem Angriff zu widerstehen und thermisch so beständig zu sein, daß es die hohen Arbeitstemperaturen erträgt. Typische Dichtungsmaterialien, welche bei der Verarbeitung von Aluminium verwendet werden, umfassen faserförmige, feuerfeste Abdichtungen verschiedenster Zusammensetzungen, wie die nachfolgenden Beispiele zeigen:

— Dichtungsmittel mit ungefähr

45% Aluminiumoxid. 52% Siliziumoxid,
1.3% Eisenoxid und 1.7% Titanoxid:

— Dichtungsmittel mit ungefähr

55% Siliziumoxid, 40,5% Aluminiumoxid,
4% Chromoxid und 0,5% Eisenoxid;

— Dichtungsmittel mit ungefähr

53% Siliziumoxid, 46% Aluminiumoxid und

1 % Eisenoxid.

Oberhalb des Filters 20 ist die Seitenwandung 2 von mehreren Einlaßdüsen 32 durchsetzt, die in das

κι geschmolzene Metall 12 auf dessen Weg vom Zulauf 6 zum Auslauf 8 Spülgas einleiten. Wie aus Fig.2 ersichtlich, wird das Spülgas durch die Einlaufdüsen 32 tangential und in Strömungsrichtung des Metalls 12 eingeleitet, d. h. wie dieses im Uhrzeiger- oder Gegenuhrzeigersinn, so daß das Metall 12 in der Reaktionskammer 10 kontinuierlich wirbelt, wenn es zum Zulauf 6 zum Auslauf 8 fließt.

Die Verwendung einer zylindrischen Reaktionskammer 10 hat in Kombination mit dem tangential angeordneten Metallzulauf 6 und tangential angeordneten Einlaßdüsen 32 für das Spülgas im Vergleich zu konventionellen Verfahren und Vorrichtung zum Filtrieren und Entgasen von geschmolzenem Metall einen deutlichen Vorteil.

Um den Wirkungsgrad des Entgasungsverfahrens weiter zu erhöhen, d. h. den Wirkungsgrad der Kinetik der Adsorptionsreaktion auf ein Maximum zu bringen, soll im übrigen die Austrittsöffnung jener Einlaßdüsen 32 so gestaltet sein, daß die Blasengröße auf ein

jo Minimum reduziert wird; die Oberfläche für die Absorptionsreaktion wird auf ein Maximum gebracht. Die Austrittsöffnungen werden so klein wie möglich gemacht, allerdings soll dabei ein Verstopfen der Einlaßdüsen 32 mit Metall 12 vermieden werden, beispielsweise durch eine konische Ausgestaltung. Der Durchmesser der Düsenaustrittsöffnung soll zwischen 0.127 und 1,905 mm — vorzugsweise zwischen 0,254 und 1,27 mm — liegen. Die Einlaßdüsen 32 können in Form eines geraden Rohres, einer konischen Düse oder einer doppeltrichterförmigen Ultraschalldüse ausgebildet sein.

Die Blasenverteilung über die gesamte Schmelze wie auch das Verhindern der Koaleszenz von Blasen kann auch durch den Druck, mit welchem das durchströmen-5 de Gas eingeführt wird, kontrolliert werden. Gasdrücke im Bereich von (35-140O)-IO³NZm², vorzugsweise größer als 140 ■ 10³ N/m², haben sich für das Entgasen von geschmolzenem Aluminium und seinen Legierungen als optimal erwiesen.

Als Spülgas können vor allem inerte Gase verwendet werden, welche vorzugsweise eine geringe Menge eines aktiven gasförmigen Zusatzstoffes wie Chlor oder eine vollständig halogenisierte Kohlenwasserstoff-Komponente enthalten.

Das eingesetzte Gas kann irgendein Gas oder ein Gasgemisch wie Stickstoff, Argon, Chlor, Kohlenmonoxid, Freon 12 usw. sein, das für eine annehmbare Entgasung geeignet ist.

Eine bevorzugte Gasmischung für die Entgasung von

bo geschmolzenem Aluminium und Aluminiumlegierungen enthält eine Mischung von Stickstoff oder Argon, mit ungefähr 2-20 VoL-%, vorzugsweise 5—15 VoL-% Dichlordifluormethan. In Verbindung mit dieser Gasmischung kann über dem geschmolzenen Metall 12 eine gasförmige Schutzdecke aus Argon, Stickstoff od. dgL aufrechterhalten werden, und die Readsorption von gasförmigen Verunreinigungen an der Oberfläche der Schmelze zu vermindern.

Das Filter 20 weist ein Filtermedium mit offenzelliger Struktur und einer Vielzahl von miteinander verbundenen Hohlräumen auf, durch die das geschmolzene Metall 12 zum Entfernen oder Vermindern der mitgeschleppten Partikel fließt. Nach einer Ausführungsform wird ein keramisches Schaumfilter mit einer Luftdurchlässigkeit von 400—8000 χ 10~⁷ cm², vorzugsweise 400—250Ox ΙΟ-⁷ cm², einer Porosität von 0,80— 0,95 und einer Porenzahl von 2—18 Poren je 1 cm Länge, vorzugsweise von 8—18 Poren je 1 cm Länge, verwendet. Die Menge des durch das Filter 20 flfeßenden geschmolzenen Metalls kann im Bereich von 13— 130 cm³ pro min und cm² Filterfläche liegen.

Während das geschmolzene Metall 12 — wie bereits geschildert — durch den im oberen Bereich der zylindrischen Reaktionskammer lö tangential angeordneten Zulauf 6 in diese eingeführt wird und durch die Reaktionskammer 10 läuft, strömt das in einer Vielzahl von Blasen auftretende Spülgas durch die Metallschmelze 12 im Gegenstrom aufwärts und erzeugt in der Metallschmelze 12 u. a. eine Wirbelbewegung. Die gasförmigen Verunreinigungen diffundieren durch die Metallschmelze 12, adhärieren an den Blasen des Spülgases und werden von diesen adsorbiert; da die Blasen durch die Metallschmelze 12 aufwärts perlen, werden die Verunreinigungen aus ihr entfernt.

Der in Fig. 1, 2 dargestellte Wirbeltankreaktor 1 eignet sich besonders für das Entgasen von geschmolzenem Aluminium, wobei der innere Durchmesser d der Reaktionskammer 10 bis zu 30 cm betragen kann. Die Anzahl der Einlaßdüsen 32 und die Menge an eingesetztem Spülgas hängt stark von der Durchflußmenge des zu behandelnden Metalls 12 ab. Die zwischen den Düsenachsen A und den Tangenten T an den Kreisumfang der zylinderförmigen Seitenwandung 2 an deren jeweiligen Durchstoßpunkt für die Düsenachse A gemessenen Düsenwinkel W (Fig.2) betragen zwischen 10° und 90°. Bei Verwendung mehrerer Einlaßdüsen 32 müssen diese nicht denselben Winkel IV aufweisen.

Das Ausführungsbeispiel der Fig.3 ist durch seine Düsenanordnung und -verteilung besonders für einen großen Kammerdurchmesser d geeignet Wie bereits beschrieben, nimmt die Dispersion der Gasblasen gegen das Zentrum des Metalls in der Reaktionskammer 10 mit steigendem Reaktordurchmesser d ab. Diesem Problem kann mit dem Wirbeltankreaktor 41 begegnet werden, dessen Reaktionskammer 10 sich aus einem oberen zylinderförmigen Seitenwandteil 42 und einem unteren, sich nach unten verjüngenden konischen Wandungsteil 43, zusammensetzt Der obere Seitenwsridur.gstei! 42 muß nicht zwingend von zyür.derfönr.iger Gestalt sein; er kann auch einen oktagonalen oder irgendeinen anderen Querschnitt besitzen, solange dieser eine wirbelnde Rotationsbewegung der durch den Zulauf 6 eingebrachten Metallschmelze 12 bei deren Durchfluß durch die Reaktionskammer 10 ermöglicht Auch hier tritt das geschmolzene Metall 12 tangential in die Reaktionskammer 10 ein, durchfließt diese in einer wirbelnden Rotationsbewegung, um sie über den Auslauf 8 auf die beim Ausführungsbeispiel der F i g. 1 beschriebene Weise zu verlassen.

An den unteren Wandungsteil 43 schließt ein im wesentlichen zylinderförmiger Sockelteil 44 an, der in der Nähe und oberhalb des Auslaufs 8 mit der Randleiste 22 für das Filter 20 versehen ist

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die das Spülgas einleitenden Einlaßdüsen 32 und 32* auf verschiedenen Höhen an der Umfangsfläche des Wandungsteils 43 und so in verschiedenen Abständen zur Mittelachse M des Wirbeltankreaktors 41 angeordnet. Auf diese Weise wird eine maximale Blasenverteilung des Spülgases erreicht.

Hat beispielsweise der Seitenwandungsteil 42 einen Durchmesser d von 50 cm, so kann die optimale Blasenverteilung des Spülgases dadurch erreicht werden, daß ein erster Satz von Einlaßdüsen 32a in einem radialen Abstand a von etwa 22 cm von der Mittelachse M des Wirbeltankreaktors 41 und ein zweiter Satz von Einlaßdüsen 32 in einem radialen Abstand b von etwa 15 cm von der Mittelachse Mdes Wirbeltankreaktors 41 angeordnet wird.

Hierdurch wird der Wirkungsgrad des Entgasungsprozesses wesentlich erhöht, d. h., durch die Optimierung der Blasenverteilung des Spülgases wird die Kinetik der Adsorptionsreaktion verbessert.

In F i g. 4 ist unterhalb des zylindrischen Seitenwandungsteils 42 ein zweiter Zylinderteil 45 von kleinerem Durchmesser vorgesehen, der zusammen mit dem oberen Seitenwandungsteil 42 die Reaktionskammer 10 bildet, die ebenfalls mit einem tangential angeordneten Zulauf 6 in ihrem oberen Bereich und mit einem Auslaß 8 am Boden 4 versehen ist. Auch hier ist der Filter 20 in der beschriebenen Weise angebracht.

Der obenliegende Satz von Einlaßdüsen 32/, ist hier im oberen Seitenwandungsteil 42 und ein zweiter Satz von Einlaßdüsen 32 im unteren Zylinderteil 45 angeordnet; es hat sich herausgestellt, daß bei einer derartigen Anordnung der Einlaßdüsen 32 bzw. 32_Λ in einem radialen Abstand zur Zentralachse der Reaktionskammer 10 eine maximale Blasenverteilung des Spülgases erreicht werden kann. Liegt beispielsweise der Durchmesser des oberen Seitenwandungsteils 42 in der Größenordnung von 45 bis 50 cm, so sollte der Durchmesser des unteren Zylinderteils 45 bei 25 bis 30 cm liegen.

Die Dimensionen des Wirbeltankreaktors 1, 41 die Anzahl der Einlaßdüsen 32, 32/, und die erforderliche Menge an Spülgas beim Ausführungsbeispiel der F i g. 4 hängen stark von der Durchflußgeschwindigkeit des zu behandelnden geschmolzenen Metalls 12 ab. Es hat sich herausgestellt daß für Durchflußgeschwindigkeiten von 225 kg/min der Durchmesser der Reaktionskammer 10 bzw. der Seitenwandungsteile 42 oder 2 etwa 45 bis 50 cm und der vertikale Abstand / zwischen Metallzulauf 6 und Metallauslauf 8 etwa 60 bis 180 cm betragen sollte. Für einen Wirbeltankreaktor 1,41 obengenannter Dimensionierung wurde gefunden, daß zur Erzielung einer optimalen Blasenverteilung des Spülgases die Eip.laßdüsen 32, 32,·, im wesentlichen senkrecht zu den Tangenten T an der Reaktionskammer am Ort des Durchstoßpunktes der Gaseinlaßachse A angeordnet sein sollten.

Die Einlaßdüsen 31, 31* können zur Einstellung des Winkels W auf Verbindungsteile mit Kugelgelenk montiert oder so angebracht sein, daß ihr radialer Abstand a, b zur Mittelachse M verändert werden kann.

Die Wirkungsweise wird nachfolgend anhand von Beispielen geschildert:

Beispiel 1

Ein Wirbeltankreaktor 1 nach F i g. 1 mit einem inneren Durchmesser d der Reaktionskammer 10 von 20,5 cm wurde in ein vorhandenes Oberführungssystem für geschmolzenes Metall eingebaut Der Abstand zwischen dem Metallzulauf 6 und dem Metallauslauf 8

betrug 63,5 cm, der Abstand des Metallzulaufs 6 von den Gaseinlaßdüsen 32 lag bei 45,5 cm. Ein aus Keramikschaum bestehendes Filter 20 wurde zwischen den Gaseinlaßdüsen 32 und dem Auslauf 8 für das geschmolzene Metall 12 angeordnet. Für die Zuführung des Spülgases waren zwei Einlaßdüsen mit einem Durchmesser der Einlaßöffnung von 0,64 mm eingebaut. Die Längsachse A der Einlaßdüse 32 und die entsprechende Tangente T der Seitenwandung 2 der Reaktionskammer 10 bildeten einen Winkel W von 20°. Die Durchflußgeschwindigkeit des geschmolzenen Metalls 12 lag bei 39 kg/Min. Eine Gasmischung von 10 Vol.-% Dichlordifluormetan und 90 Vol.-% Argon wurde mit einer Durchflußgeschwindigkeit von 14 l/min durch die Einlaßdüsen 32 in die Reaktionskammer 10 eingeführt. Sowohl das flüssige Metall 12 als auch das Spülgas wurden — von oben betrachtet — im Gegenuhrzeigersinn in die Reaktionskammer 10 eingeführt. Der Wasserstoffgehalt des geschmolzenen Metalls 12 wurde vor und nach der Behandlung in der Reaktionskammer 10 gemessen. Er betrug vor der Behandlung 0,36—0,40 cm³ pro 100 g Aluminium und nach der Entgasungsbehandlung 0,08—0,14 cm³ pro 100 g Aluminium. Diese Zahlen zeigen den äußerst hohen Wirkungsgrad der Entgasung.

Beispiel 2

Es wurde die gleiche Vorrichtung 1 wie in Beispiel 1 verwendet. Die Durchflußgeschwindigkeit des geschmolzenen Metalls 12 durch die Reaktionskammer 10 betrug 43,5 kg/min. Die Zusammensetzung und die Durchflußgeschwindigkeit des Spülgases waren gleich wie in Beispiel 1. Es wurde gefunden, daß der gemessene Wasserstoffgehalt von 0,35 und 038 cm³ pro 100 g Aluminium vor der Behandlung auf 0,10—0,12 cm³ pro 100 g Aluminium nach der Entgasung reduziert werden konnte. Damit wird erneut der sehr hohe Wirkungsgrad der Entgasung gezeigt.

Beispiel 3

Der Wirbeltankreaktor nach Fig.4 mit einem inneren Durchmesser der Reaktionskammer 10 von 45 cm wurde in ein bereits vorhandenes Überführungssystem für geschmolzenes Metall eingebaut. Im oberen Seitenwandungsteil 42 wurden sechs Einlaßdüsen 32 für das Spülgas angebracht, wobei ein erster Satz von drei Düsen 7,5 cm in den Reaktor hineinragte, ein zweiter Satz von drei Düsen 32 ungefähr 1,3 cm. Eine Metallschmelze 12 wurde mit einer Durchflußgeschwindigkeit von 225 kg/min durch die Reaktionskammer 10 geleitet. Eine Spülgasmischung von 6 Vol.-% Dichlordifluormethan und 94 Vol.-% Argon wurde mit einer Gesamtdurchflußgeschwindigkeit von 70 l/min (gemessen unter Standardbedingungen für Temperatur und Druck) durch die Einlaßdüsen 32 in die Metallschmelze 12 eingeleitet. Die Achsen A der Düsenöffnungen 34 bildeten mit den Tangenten Γ des Seitenwandungsteils 42 der zylinderförmigen Reaktionskammer 10 einen

ίο Winkel W von 90°. Der Wasserstoffgehalt des geschmolzenen Metalls 12 vor der Behandlung wurde zu 0,23 cm³ Wasserstoff pro 100 g Aluminium bestimmt. Nach der Behandlung betrug der Wasserstoffgehalt nur noch 0,17 cm³ pro 100 g Aluminium. Diese Zahlen zeigen, daß der Wasserstoffgehalt wesentlich gesenkt wird und die Entgasung mit gutem Wirkungsgrad erfoigt.

Vergleichsbeispiel

Der Versuch nach Beispiel 1 wurde wiederholt. Die Reaktionskammer wurde so verändert, daß der Metallzulauf nicht mehr tangential erfolgte, sondern daß er auf das Zentrum gerichtet war. Während die Einlaßdüsen 32 dem schmelzflüssigen Aluminium im unteren Reaktorbereich eine rotierende Bewegung aufzwangen, wurde durch den Aluminiumstrom aus dem Zulauf diese gleichförmige Bewegung stark gestört. Die Durchflußgeschwindigkeit des geschmolzenen Metalls lag bei 39 kg/min. Eine Gasmischung von 10 Vol.-°/o Dichlordifluormethan und 90 VoI.-°/o Argon wurde mit einer Durchflußgeschwindigkeit von 14 l/min durch die Einlaßdüsen in die Reaktionskammer eingeführt. Der Wasserstoffgehalt des geschmolzenen Metalls wurde vor und nach der Behandlung in der Reaktionskammer gemessen. Er betrug vor der Behandlung 0,36—0,40 cm³ pro 100 g Aluminium und nach der Entgasungsbehandlung 0,18—0,32 cm³ pro 100 g Aluminium. Diese Zahlen zeigen eine wesentlich schlechtere Entgasung des Aluminiums, weitere Tests ließen erkennen, daß das erstarrte Aluminium wegen schlechter Entfernung des in der Schmelze gelösten Wasserstoffs Microporositäten zeigte. Ursache der schlechten Entgasung lag darin, daß das radiale Einführen der Metalischmelze keine Durchwirbelung im Reaktionsbehälter zustande brachte und das aus den Einlaßdüsen austretende Behandlungsgas als große Blasen nur in Teilbereichen der Reaktionskammer aufstiegen, so daß andere Bereiche unbehandelt blieben.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Entgasen von Metallschmelzen

in einer Reaktionskammer mit langgestreckter Seitenwandung, in deren oberen Bereich die Metallschmelze eingeführt, dann von einem Spülgas im Gegenstrom durchströmt und in einem tieferliegenden Bereich der Reaktionskammer abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschmelze tangential in die Reaktionskammer eingeleitet wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Reaktionskammer mit langgestreckter Seitenwandung, einem oberen Zulauf für die Metallschmelze in die Reaktionskammer, einem unteren Auslauf für die Metallschmelze sowie einem anter dem Zulauf angeordneten Einlaß für ein Spülgas, dadurch gekennzeichnet, daß der Zulauf (6) und der Auslauf (8) für die Metallschmelze sowie der/die Einlaßstutzen (32) für das Spülgas in bezug auf die Seitenwandung (2) der Reaktionskammer (10) tangential angeordnet sind, oder daß der Zulauf

(6) für die Metallschmelze sowie der/die Einlaßstutzen (32) für das Spülgas in bezug auf die Seitenwandung (2) der Reaktionskammer (10) tangential angeordnet sind und dem Auslauf (8) ein an sich bekanntes Filter (20) vorgeschaltet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in bezug auf die entsprechenden jo Tangenten (T)der Seitenwandung (2) der Reaktionskammer (10) in einem Winkel von 10° bis 90° angeordnete Einlaßstutzen (32) für das Spülgas Düsen aufweisen, deren Öffnungen 0,127 bis 1,905, vorzugsweise 0,254 bis 1,27 mm, weit sind. r>

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch zwei Sätze von Einlaßdüsen (32, 32h) für das Zuführen des Spülgases mit unterschiedlichem radialem Abstand zur Zentralachse der Reaktionskammer (10).

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an einen ersten zylinderförmigen Seitenwandungsteil (42) ein sich nach unten konisch verjüngender zweiter Wandungsteil (43) oder ein zweiter zylinderförmiger Seitenwandungsteil (45) kleineren Durchmessers anschließt

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Satz von Einlaßdüsen (32h) für das Zuführen des Spülgases im ersien Seitenwandungsteil (42) und ein zweiter Satz von Einlaßdüsen (32) für das Zuführen des Spülgases im zweiten Wandungsteil (43) bzw. 45) angeordnet ist

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Auslauf (8) für die Metallschmelze (12) und den Einlaßdüsen (32, 32h) für das Spülgas das auswechselbare Filter (20) angeordnet und an der Innenwand der Reaktionskammer (10) eine Halterung (22) für das Filter (20) vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 7, dadurch gekonnzeichnet, daß das Filter (20) aus keramischem Schaummaterial mit offenzelliger Struktur gebildet ist und eine Vielzahl von mit einem Netzwerk aus keramischem Material umgebenen, miteinander verbundenen Hohlräumen aufweist, wobei das keramische Schaummaterial vorzugsweise eine Luftdurchlässigkeit im Bereich von 400 bis 800OxtO-⁷cm², eine Porosität von 0,80-0,95 und eine Porenzahl von 2 — 18 je 1 cm Länge hat.