DE4427963C1 - Verfahren zur Herstellung von Mosaikbehältern und anderen gegossenen Körpern sowie Isolierhaube zur Durchführung eines solchen Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Mosaikbehältern und ande­ ren in einer Kokille aus einer mit Zuschlagstoffen versetzten Metallschmelze gegos­ senen Körpern, insbesondere im Bereich des Recycling radioaktiv kontaminierter Metalle aus kerntechnischen Anlagen, mit den Merkmalen des Oberbegriffs von An­ spruch 1.

Die Herstellung von gegossenen Körpern aus einer mit Zuschlagstoffen versetzten Metallschmelze ist erforderlich, um aus gemischtem Metallschrott nutzbare Produkte zu schaffen. Derart gemischter Metallschrott fällt insbesondere beim Abbau kern­ technischer Anlagen an, die Lehre der Erfindung ist aber nicht auf solche Anwen­ dungsfälle beschränkt.

Beim Abbau kerntechnischer Anlagen fallen erhebliche Mengen an kontaminiertem und aktiviertem Stahl und Nichteisenmetalle an. Die schadlose Verwertung dieses Schrotts durch Einschmelzen und Herstellen neuer Produkte ist interessant und not­ wendig. Es handelt sich hier um ein weltweit relevantes Problem (Atomwirtschaft, Januar 1994, Seite 72, 73, Tagungsbericht).

Während manche Verwender auf die Verwertung des Metallschrotts in Form von Ab­ schirmungen durch Vergießen als "verlorene Schalungen" setzen, ist es aus der Praxis (siehe die Veröffentlichung in Atomwirtschaft aaO.) bekannt, das Schmelzgut zu Ab­ schirmbehältern (Mosaikbehälter), kubischen Abfallkontainern und sogenannten Monolith-Behältern für die Verpackung von höher aktiviertem Stahl und an­ schließenden Verguß zu verwenden. Dabei arbeitet man mit folgendem Verfahren:

Der Körper wird aus einer mit den störenden Zuschlagstoffen versetzten Metall­ schmelze (meist eine Mehrzahl verschiedener Metalle gemischt) in einer Kokille ge­ gossen. Verbleiben die Körper in der Kokille, so kühlen sie relativ schnell ab. Um den gewünschten Anforderungen gerecht zu werden, müssen sie im nachhinein einer er­ neuten Erwärmung im Ofen unterzogen werden. Dieses Nachglühen ist erforderlich, beispielsweise wenn das Gefüge eine bestimmte Menge an Perlit und/oder Zementit und/oder Eisencarbide aufweist.

Bei dem derzeit aus der Praxis bekannten Verfahren kann man teilweise auf ein Nachglühen verzichten, weil die Kokille nach kurzer Zeit schon gezogen und durch eine Isolierhaube über dem gegossenen Körper ersetzt wird. Das hat den Vorteil, daß die Wände des gegossenen Körpers selbst ausgenutzt wird, um die gewünschten Temperaturen, die normalerweise während des Nachglühens erreicht werden, ohne weiteres zu erreichen. Die Isolierhaube über dem Körper führt dazu, daß der Körper langsam abkühlt, so daß sich durch diese Form des "integrierten" Nachglühens die notwendigen werkstofftechnischen Eigenschaften unmittelbar einstellen.

Die Arbeit mit einer Isolierhaube hat nicht nur Zeit- und Geldersparnis zur Folge, sie bedeutet auch erhebliche Energieeinsparung und Verringerung der Umweltbela­ stung.

Nun gibt es aber Metallschmelzen, die so hohe Anteile an Zuschlagstoffen der zuvor erläuterten Art aufweisen, daß das integrierte Nachglühen in der Isolierhaube für die Erreichung der gewünschten Werkstoffeigenschaften nicht ausreicht. Eine zuneh­ mende Mikrolegierungspraxis und steigende Anteile an Zuschlagsstoffen haben zur Folge, daß mittlerweile wieder trotz Einsatzes von Isolierhauben im Herstellungspro­ zeß auf das Nachglühen über viele Stunden zurückgegriffen werden muß.

Derzeit läuft für derartige Metallschmelzen das aus der Praxis bekannte Verfahren so ab, daß nach dem Ziehen der Kokillen bei etwa 1100 K die Isolierhauben aufgesetzt werden. Das bewirkt dann eine zeitlich gleichmäßige Abkühlung der Körper bis unter 870 K mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 10 bis 15 K/h. Anschließend an diesen etwa vierundzwanzigstündigen Vorgang erfolgt dann bei Vorliegen entsprechender Gefüge das zuvor angesprochene Nachglühen.

Selbstverständlich ist Ausmaß und Zeitaufwand des Nachglühens von den in der Metallschmelze vorhandenen Strukturen abhängig. Die Perlit-Zerfallsglühung, ein Glühen bei relativ geringer Temperatur, dauert bei etwa 1000 K ca. vierzig Stunden. Bindet man dort eine Glühung über etwa acht Stunden bei ca. 1140 K ein, so können auch die Eisencarbide zurückgebildet werden.

Für andere Zuschlagstoffe müssen andere Temperaturen und andere Zeiten realisiert werden.

Bei dem aus der Praxis bekannten Verfahren wird mit einem Nachglühen von etwa vierzehn Stunden je Stück gerechnet.

Hohe Glühzeiten haben sich insbesondere durch die Stabilisierung des Zementits durch Einsatz verschiedener Legierungselemente als notwendig ergeben, die immer häufiger Anwendung finden. So stabilisieren Chrom, Mangan, Vanadium, Molybdän, Bor, Kupfer, Niob, Titan und andere Legierungselemente in hoher Konzentration das Zementit, da sie sich in ihm lösen. Der Zerfall des Zementits bei Glühung wird da­ durch verlangsamt. Chrom ist dabei besonders problematisch. Das erfordert sehr hohe Glühtemperaturen und/oder lange Glühzeiten. Entsprechendes gilt für den Perlitzer­ fall.

Das in jüngerer Zeit also trotz des Einsatzes von Isolierhauben wieder zunehmend er­ forderlich werdenden Nachglühen ist natürlich mit hohen Kosten, erheblichem Zeit­ aufwand und drastischer Umweltbelastung verbunden. Dieses Problem zu lösen ist Ziel der Lehre der Erfindung.

Das erfindungsgemäße Verfahren löst das zuvor aufgeworfene Problem durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1.

Erfindungsgemäß wird der Glühprozeß, der mit der bisherigen, passiven Isolierhaube schon in den eigentlichen Herstellungsprozeß integriert schien, erneut in den Herstel­ lungsprozeß integriert. Das geschieht dadurch, daß die Verfahrensweise mit der Iso­ lierhaube "aktiviert" wird. Entgegen der bisherigen Praxis, bei der man die Isolier­ haube für eine möglichst wirksame thermische Abschirmung nach Außen hin aus­ legte, wird im erfindungsgemäßen Verfahren das Innere der Isolierhaube, in dem sich der gegossene und thermisch zu behandelnde Körper befindet, nun thermisch zu­ gänglich gemacht. Es wird nämlich externe Wärmeenergie zugeführt, und zwar in ganz definierter Weise, nämlich über bestimmte Zeitabschnitte auf entsprechend ho­ hem Temperaturniveau. Dadurch wird das Innere der Isolierhaube über die entspre­ chend bestimmten Zeitabschnitte auf hohen, einem Glühofenverfahren entsprechen­ den Temperaturen gehalten. Die Verbindung der zusätzlich zugeführten Wärmeener­ gie mit der im gegossenen Körper gespeicherten Wärmeenergie schafft den optimalen Wirkungsgrad für das Glühverfahren, das nun erfolgreich in den eigentlichen Herstel­ lungsprozeß integriert ist. Aufgrund der Tatsache, daß die hohen Glühtemperaturen ohne zwischenzeitliches Abkühlen des gegossenen Körpers erreicht werden, da sie direkt an den Abschluß des Gießvorgangs anschließen können, wird die Gesamt-Zeit­ dauer des Glühprozesses wesentlich verringert. Unter Berücksichtigung der kriti­ schen Umwandlungspunkte der enthaltenen Zuschlagstoffe und Legierungs-Stabili­ satoren kann man in relativ kurzer Zeit, nämlich einer Zeit von etwa 24 Stunden zu optimalen Werkstoffeigenschaften auch bei schwierigen Metall schmelzen gelangen.

Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfah­ rens sind Gegenstand der Unteransprüche. Diese werden auch nachfolgend im Zu­ sammenhang mit der Erläuterung eines Ausführungsbeispiels weiter erläutert. In die­ sem Zusammenhang wird auch der Aufbau einer entsprechenden, erfindungsgemäß gestalteten aktiven Isolierhaube zur Durchführung dieses Verfahrens beschrieben.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt einen Aufbau zur Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens in schematischer Darstellung.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Herstellung von Mosaikbehältern und anderen in einer Kokille aus einer mit Zuschlagstoffen versetzten Metallschmelze ge­ gossenen Körpern 1, insbesondere im Bereich des Recycling radioaktiv kontaminier­ ter Metalle aus kerntechnischen Anlagen, bei dem kurzzeitig nach dem Gießen die Kokille gezogen und eine Isolierhaube 2 über den gegossenen Körper 1 gestülpt wird, unter der der Körper 1 mit hoher Temperatur beginnend über eine lange Zeit langsam - wesentlich langsamer als in der Kokille - abkühlt. Die Isolierhaube 2 wird nach Abschluß des Abkühlvorgangs dann gezogen.

In Fig. 1 erkennt man den Körper 1 auf einer Unterlage 3. Die Isolierhaube 2 ist von einem Tragrahmen 4 gehalten und wird, im hier dargestellten und bevorzugten Aus­ führungsbeispiel, mittels eines Kranes von oben her auf den auf der Unterlage 3 ste­ henden gegossenen Körper 1 abgesenkt. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich der Kör­ per 1 noch auf sehr hoher Temperatur, beispielsweise etwa 1170 K.

Erfindungsgemäß wird die Isolierhaube 2 nun aktiv betrieben, wird nämlich das In­ nere der Isolierhaube 2 durch Zuführung externer Wärmeenergie über bestimmte Zeitabschnitte auf hohen Temperaturen gehalten, die den Temperaturen in einem Glühofenverfahren zur Erreichung gewünschter Werkstoffeigenschaften entspre­ chen (siehe die Ausführungen in der Beschreibungseinleitung). Mittels der Isolier­ haube 2 wird im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens also der Glühofenprozeß ersetzt, mittels der Isolierhaube 2 wird aktiv Einfluß auf den Körper 1 in thermochemi­ scher Hinsicht genommen.

Die externe Wärmeenergie kann elektrothermisch zugeführt werden, beispielsweise mittels einer Widerstandsheizung oder einer Induktionsheizung. Für das vorliegende Verfahren hat es sich allerdings als besonders zweckmäßig erwiesen, daß die externe Wärmeenergie durch Luftzirkulation zugeführt wird. Damit wird ein hervorragender Wirkungsgrad erreicht, gleichzeitig läßt sich auch eine aktive Einflußnahme auf die Temperatur im Inneren der Isolierhaube 2 in umgekehrter Richtung realisieren. Mit einer gezielten Kaltluftzufuhr durch Luftzirkulation kann man nämlich eine gleich­ mäßige Abkühlung mit beliebiger Geschwindigkeit realisieren. Die Luftzirkulation in einem Kreislauf hat überdies zur Folge, daß Temperaturunterschiede im Inneren der Isolierhaube 2 weitgehend verschwinden.

Wie eingangs schon erläutert worden ist, kann man die Kokille nach ca. 60 bis 90 Minuten ziehen und durch die Isolierhaube 2 ersetzen. Die Kokille sollte dabei bei etwa 1200 bis 1300 K, vorzugsweise bei etwa 1170 K gezogen werden. Die Abküh­ lung des Körpers 1 erfolgt dann über mehrere Stufen mit jeweils mehreren Stunden Dauer und mit unterschiedlichen Abkühlungsgeschwindigkeiten. Die gesamte Zeit­ dauer vom Ziehen der Kokille bis zum Ziehen der Isolierhaube 2 kann in besonders zweckmäßiger Weise zwischen 15 und 30 Stunden, vorzugsweise etwa 24 Stunden betragen.

In einem besonders bevorzugten Beispiel der Erfindung erfolgt das Ziehen der Ko­ kille bei etwa 1170 K, gleichzeitig das Aufsetzen der Isolierhaube 2. Mittels einer Programmsteuerung läßt sich die Temperatur zunächst bei 1170 K halten und dann sehr langsam über eine Zeitdauer von etwa sieben Stunden auf etwa 1040 K absen­ ken. Über weitere sechs Stunden erfolgt dann ein Abkühlen mit 10 K/h auf etwa 980 K. Jetzt hat man den Bereich des Glühprozesses verlassen, nunmehr geht es nur noch um die physikalischen Werkstoffeigenschaften, die ein zu schnelles Abkühlen nicht wünschenswert erscheinen lassen. Es erfolgt in den nächsten Stufen ein Abkühlen bis auf ca. 870 K mit 30 K/h und anschließend ein Abkühlen bis hinunter auf 570 K mit ca. 40 K/h, dann also über siebeneinhalb Stunden. Insgesamt erreicht man dann die gewünschte Bearbeitungszeit von ca. 24 Stunden.

Es ist interessant, daß dieser Zeitrahmen dem entspricht, was eingangs für den Einsatz der Isolierhaube im Stand der Technik allein angesetzt worden ist, auf der Grundlage von Metallschmelzen, die ein Nachglühen bei Einsatz einer passiven Isolierhaube des Standes der Technik nicht erfordern.

Erfindungsgemäß ist die Isolierhaube 2 in den Gieß-Zyklus integriert. Während des Einsatzes von maximal 24 Stunden ist der Prozeß des Zerfallglühens bei der erfin­ dungsgemäß eingesetzten aktiven Isolierhaube 2 bereits abgelaufen und abgeschlos­ sen. Bei der passiven Isolierhaube des Standes der Technik war noch ein weiterer Zeitaufwand von ca. 14 Stunden für das Nachglühen erforderlich, verbunden natür­ lich mit dem entsprechenden zusätzlichen Energieaufwand. Mit dem erfindungsge­ mäßen Verfahren kann man noch größere Konzentrationen an Zuschlagstoffen an­ gemessen berücksichtigen und die gewünschten Werkstoffqualitäten erreichen.

In Fig. 1 erkennt man wie zuvor schon erläutert die Isolierhaube 2. Diese könnte zur Realisierung der Zuführung externer Wärmeenergie mit einer elektrischen Wider­ standsheizung in der Wandung versehen sein. Auch eine elektrische Induktionshei­ zung käme in Frage.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel gilt allerdings, daß die in den Rahmen 4 einge­ hängte Isolierhaube 2, vorzugsweise am unteren Rand, mindestens eine, vorzugs­ weise verteilt über den Umfang mehrere Lufteintrittsöffnungen 5 und, vorzugsweise oben mittig mindestens eine Luftaustrittsöffnung 6 aufweist. An die Lufteintrittsöff­ nung 5 ist ein Gebläse 7 mit nachgeschalteter Heizstufe 8 angeschlossen. Im darge­ stellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Heizstufe 8 um einen Prozeß­ brenner, der den vom Gebläse 7 geförderten Luftstrom auf die gewünschte Solltem­ peratur erhitzt.

An der Luftaustrittsöffnung 6, die sich im dargestellten Ausführungsbeispiel am Kopf der Isolierhaube 2 befindet sich, weil das aus Gründen thermischer Konvektion optimal ist, eine motorisch angetriebene Abgasklappe 9, die den Abgasstrom steuert.

Angedeutet ist, daß im Inneren der Isolierhaube 2 mindestens ein, vorzugsweise meh­ rere Temperatursensoren 10 angeordnet sind. Diese befinden sich im Betrieb mög­ lichst nahe am Körper 1, im dargestellten Ausführungsbeispiel über dessen Höhe ver­ teilt, um das Temperaturprofil des Körpers 1 kontinuierlich festzustellen. Von den Meßwerten dieser Temperatursensoren 10 hängt dann ab, mit welcher Heizleistung der Prozeßbrenner in der Heizstufe 8 betrieben wird. Um die Isolierhaube 2 problemlos auf den Körper 1 aufsetzen zu können, können die Temperatursensoren 10 gegenüber dem Körper 1 verstellbar sein. Sie lassen sich so beim Aufsetzen und Ziehen der Isolierhaube 2 vom Körper 1 zurückziehen und im Betrieb an den Körper 1 anstellen.

Zuvor ist mehrfach angesprochen worden, daß sich eine Luftzirkulation verfahrens­ technisch als besonders zweckmäßig erwiesen hat. Damit kann schon durch Eliminie­ rung von Temperaturgradienten im Inneren der Isolierhaube 2 die Wärmeenergie des Körpers 1 selbst wesentlich besser ausgenutzt werden, ganz unabhängig davon, ob der Prozeßbrenner in der Heizstufe 8 angeschaltet ist oder nicht. Dazu dient im darge­ stellten Ausführungsbeispiel ein besonderer Umluftkreislauf 11 mit Lufteintritt 12 und Luftauslaß 13 an der Isolierhaube 2 und mit einer externen, motorbetriebenen Umluft­ regelklappe 14. Dieser Umluftkreislauf 11 erlaubt die energiesparende, nämlich die Heizstufe 8 ggf. auch nicht einsetzende Nutzung der Isolierhaube 2 dann, wenn man mit einem Ausgleich der Temperaturgradienten im Inneren der Isolierhaube 2 auskommt, beispielsweise weil die Zusammensetzung der Metallschmelze ein nur geringfügig verändertes Nachglühen der Isolierhaube 2 erfordert. Natürlich ist es vorgesehen, daß eine zentrale, programmierbare Steuereinheit den gesamten Prozeß steuert, an die alle Meßelemente, Stellelemente, Brenner usw. angeschlossen sind.

Fig. 1 zeigt im übrigen im einzelnen noch ein Einlaßventil 16 mit nachgeschaltetem Gasfilter 17, Gasmanometer 18, Druckregler 19 und Druckwächter 20 sowie ein weiteres Manometer 21 für einen anderen Druckbereich. In einem Parallelzweig befinden sich ein Startgas-Magnetventil 22 und ein Startgas-Einstellhahn 23. Im Parallelzweig findet man ein Regel- und Sicherheitsventil 24. Diesem folgt am Ende der Parallelführung ein üblicher Gaseinstellhahn 25. Das ist die von der programmierbaren Steuereinheit steuerbare Gaszuführung für den Prozeßbrenner in der Heizstufe 8. Die Sensoren 10 und die Antriebsmotoren für die verschiedenen Elemente werden ebenfalls von der Steuereinheit angesteuert.

Claims (16)

1. Verfahren zur Herstellung von Mosaikbehältern und anderen in einer Kokille aus einer mit Zuschlagstoffen versetzten Metallschmelze gegossenen Körpern (1), insbe­ sondere im Bereich des Recycling radioaktiv kontaminierter Metalle aus kerntechni­ schen Anlagen, bei dem kurzzeitig nach dem Gießen die Kokille gezogen und eine Isolierhaube (2) über den gegossenen Körper (1) gestülpt wird, unter der der Körper (1) mit hoher Temperatur beginnend über eine lange Zeit langsam - wesentlich lang­ samer als in der Kokille - abkühlt, und die Isolierhaube (2) dann gezogen wird, da­ durch gekennzeichnet, daß das Innere der Isolierhaube (2) durch Zuführung externer Wärmeenergie über bestimmte Zeitabschnitte auf hohen, einem Glühofenverfahren entsprechenden Temperaturen gehalten wird.

2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die externe Wärmeenergie elektrothermisch zugeführt wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die externe Wärmeenergie durch Luftzirkulation zugeführt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Innere der Isolierhaube (2) in bestimmten Verfahrensstufen durch Abfuhr von Wärmeenergie, insbesondere durch Zumischung von Kaltluft, in definierter Weise ab­ gekühlt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kokille nach ca. 60 bis 90 min. gezogen und durch die Isolierhaube (2) er­ setzt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kokille bei etwa 1200 bis 1100 K, vorzugsweise bei etwa 1170 K, gezogen wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung über mehrere Stufen mit jeweils mehreren Stunden Dauer und mit unterschiedlichen Abkühlungsgeschwindigkeiten erfolgt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamt-Zeitdauer vom Ziehen der Kokille bis zum Ziehen der Isolierhaube (2) 15 bis 30 Stunden, vorzugsweise etwa 24 Stunden beträgt.

9. Verfahren zur Herstellung von Mosaikbehältern und anderen in einer Kokille aus einer mit Zuschlagstoffen versetzten Metallschmelze gegossenen Körpern (1), insbe­ sondere im Bereich des Recycling radioaktiv kontaminierter Metalle aus kerntechni­ schen Anlagen, bei dem kurzzeitig nach dem Gießen die Kokille gezogen und eine Isolierhaube (2) über den gegossenen Körper (1) gestülpt wird, unter der der Körper (1) mit hoher Temperatur beginnend über eine lange Zeit langsam - wesentlich lang­ samer als in der Kokille - abkühlt, und die Isolierhaube (2) dann gezogen wird, insbe­ sondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft im Inneren der Isolierhaube (2) aktiv zirkuliert wird.

10. Isolierhaube zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die Wandung eine elektrische Wider­ standsheizung integriert ist.

11. Isolierhaube zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie, vorzugsweise am unteren Rand, minde­ stens eine, vorzugsweise verteilt über den Umfang mehrere Lufteintrittsöffnungen (5) und, vorzugsweise oben mittig, mindestens eine Luftaustrittsöffnung (6) aufweist und daß an die Lufteintrittsöffnungen (5) ein Gebläse (7) mit nachgeschalteter Heizstufe (8) angeschlossen ist.

12. Isolierhaube nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß an der Luftaustrittsöffnung (6) eine aktiv steuerbare Abgasklappe (9) angeordnet ist.

13. Isolierhaube nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß im Inneren der Isolierhaube (2) mindestens ein, vorzugsweise mehrere Tempe­ ratursensoren (10), vorzugsweise nahe an dem Körper (1) angeordnet sind.

14. Isolierhaube nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Temperatursensoren (10) gegenüber dem Körper (1) verstellbar sind.

15. Isolierhaube nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß ein gesonderter Umluftkreislauf (11) mit Lufteintritt (12) und Luftaustritt (13) an der Isolierhaube (2) und mit externer Umluftregelklappe (14) vorgesehen ist.

16. Isolierhaube nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß eine zentrale, programmierbare Steuereinheit vorgesehen ist, an die alle Meß­ elemente, Stellelemente, Brenner etc. angeschlossen sind.