DE602004011816T2

DE602004011816T2 - Erwärmte giessrinne für metallschmelze

Info

Publication number: DE602004011816T2
Application number: DE602004011816T
Authority: DE
Inventors: John S. Rathdrum TINGEY; David A. Spokane SALEE; Wade Lee Spokane BOWLES
Original assignee: Novelis Inc Canada
Current assignee: Novelis Inc Canada
Priority date: 2003-12-11
Filing date: 2004-12-07
Publication date: 2009-01-29
Anticipated expiration: 2024-12-08
Also published as: US6973955B2; ES2298844T3; EP1691945A1; RU2358831C2; RU2006122205A; KR101130362B1; CA2546085C; JP2007513770A; WO2005056219A1; CN1894061B; JP4653758B2; BRPI0417475A; CA2546085A1; NO20063130L; ATE385868T1; DE602004011816D1; KR20060127034A; CN1894061A; BRPI0417475B1; US20050126738A1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft generell eine Vorrichtung zur Beförderung geschmolzenen Metalls und insbesondere von geschmolzenem Aluminium in einem Aluminiumgießprozess.
STAND DER TECHNIK
Bei der Bearbeitung geschmolzenen Metalls werden generell Rinnen dazu verwendet, das geschmolzene Metall vom Schmelzofen zu verschiedenen Prozessvorrichtungen wie etwa Gießformen, Analysatoren usw. zu befördern. Wenn ein ausreichender Metallstrom vorliegt, liegt eine ausreichend wahrnehmbare Hitze im geschmolzenen Metall vor, um Wärmeverluste über die Rinne zu kompensieren. Bei Situationen mit geringem Metallstrom jedoch oder bei langen Rinnenläufen wird eine gewisse Form von Rinnenerwärmung erforderlich, um einen übermäßigen Verlust an metallischer Hitze zu verhindern.
Das US-Patent 3,494,410 (Birchill u. a.) offenbart eine gattungsgemäß erhitzte Rinne mit Vorkehrungen zur Erhitzung zu allen Seiten, jedoch ohne jedes Detail dahingehend, wie eine effiziente thermische Steuerung erreicht wird.
Das US-Patent 4,345,743 (Sivilotti) lehrt eine adiabatische rohrförmige Entladungsleitung inklusive einer refraktorischen Ausfütterung, die das geschmolzene Metall enthält und welche Heizelemente umfasst.
Das US Patent Nr. 6,444,165 (Eckert) vom 3. September 2002 beschreibt eine erhitzte Rinne mit in den Seitenwänden oder dem Boden eingebetteten Heizelementen in engem Kontakt mit dem refraktorischen Material der Rinne.
Diese beiden Dokumente verwenden beide Heizelemente, die mittels Wärmeleitung aufheizen. Derartige Heizelemente neigen dazu, heiße Punkte und eine ungleichmäßige Erhitzung aufgrund der Schwierigkeit bei der Gewährleistung eines guten Kontakts mit dem umgebenden feuerfesten Material auszubilden. Diese sind schwierig instand zu halten, da eine Tendenz besteht, dass diese mittels metallischer Imprägnierung oder eine Expansion der Elementhülle verstopft werden. Mit durch thermischen Kontakt betriebenen Erhitzern wird die Temperaturdifferenz zwischen dem Erhitzer und den umgebenden Materialien im Falle eines guten thermischen Kontakts niedrig und daher ist eine hohe Heizelementtemperatur dazu notwendig, eine gute Watt-Dichte und einen guten Energie-Übergang zu erreichen.
Das US-Patent Nr. 4,531,717 (Hebrant) offenbart eine abgedeckte erhitzte Rinne mit in der oberen Abdeckung befestigten Heizelementen. Diese Heizelemente basieren prinzipiell eher auf Strahlungserhitzung als auf Wärmeleitung und die Wärmestromdichte hängt von einer vierten Energie der Temperatur der Heizelemente und der Oberflächenaufnahme der Strahlung ab. Strahlungsheizelemente sind für hohe Watt-Dichten geeignet. Auf die Oberfläche von geschmolzenem Metall aufstrahlende Heizelemente sind insgesamt jedoch aufgrund des niedrigen Emissionsvermögens des geschmolzenen Metalls ineffektiv.
Es besteht eine allgemeine Tendenz für die Bildung von Verunreinigungen oder Einschlüssen im geschmolzenen Metall, wenn diese durch die Rinne nach unten verläuft, was bei Rinnen, die von oben erhitzt werden (Aufhitze) noch schwerwiegender ist. Diese Einschlüsse wachsen bei Vorliegen von atmosphärischem Sauerstoff an der Oberfläche der Rinne und von den refraktorischen Materialien, aus denen die Rinnen üblicherweise gefertigt sind, an. Hohe Temperaturen, die an der Oberfläche des geschmolzenen Metalls vorliegen, und niedrige metallische Strömungsraten erhöhen diesen Effekt dramatisch.
Es ist daher wünschenswert, eine Anordnung für einen Rinnenheizer zu finden, welche eine gleichmäßige und steuerbare Hitze für das verlaufende geschmolzene Metall zur Verfügung stellt, während die Ausbildung von Einschlüssen reduziert wird.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt somit in einer Ausführungsform eine Binne zum Führen geschmolzenen Metalls zur Verfügung, umfassend eine von einer Bodenwand und Seitenwänden definierte äußere Schale, eine die äußere Schale füllende Isolierungsschicht, sowie einen leitfähigen U-förmigen refraktorischen Rinnenkörper zum Führen des geschmolzenen Metalls, wobei der Rinnenkörper in der Isolierungsschicht eingebettet ist. Zumindest ein Heizelement ist in der Isolierungsschicht nahezu, jedoch beabstandet von dem Rinnenkörper, positioniert, um einen Luftspalt zwischen dem Heizelement und dem Rinnenkörper bereitzustellen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zum Erhitzen geschmolzenen Aluminiums in einer Rinne zum Befördern des Metalls zur Verfügung gestellt, wobei die Rinne eine äußere Schale umfasst, die von einer Bodenwand und zwei Seitenwänden definiert ist, eine Isolierungsschicht, die die äußere Schale füllt, sowie einen leitfähigen U-förmigen refraktorischen Rinnenkörper zum Führen des geschmolzenen Metalls, wobei der Rinnenkörper in der Isolierungsschicht eingebettet ist und wobei die Wärme von einem oder mehreren Strahlungserhitzern zur Verfügung gestellt wird, welche in der Rinnenausmauerung nahe der leitfähigen U-förmigen refraktorischen Rinne, jedoch beabstandet von dem Rinnenkörper eingebettet sind, um einen Luftspalt zwischen dem Heizelement und dem Rinnenkörper bereitzustellen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird nunmehr im Zusammenhang mit den folgenden Figuren beschrieben:
1 ist eine perspektivische Ansicht einer erhitzten Rinne gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Querschnittsansicht entlang der Mittellinie der erhitzten Rinne aus 1;
3 ist eine Querschnittsansicht wie in 2, die eine andere Ausführungsform der erhitzten Rinne gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 ist eine Querschnittsansicht wie in 2, welche eine weitere Ausführungsform der erhitzten Rinne gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Die 1 und 2 zeigen eine perspektivische und eine Querschnittsansicht einer erhitzten Rinne gemäß der vorliegenden Erfindung. Unter Bezugnahme auf diese Figuren umfasst die Rinne 10 einer äußere Schale 12, die aus Stahl oder anderen geeigneten Materialien gefertigt sein kann, die im Stand der Technik gut bekannt sind, sowie Endplatten 13, die für die Verbindung von Rinnenabschnitten miteinander oder für die Anbringung anderer Teile des Metall-Handhabungssystems geeignet sind. Innerhalb der äußeren Schale 12 liegt eine Isolierungsschicht 14 vor und innerhalb dieser Isolierung 14 ruht ein U-förmiger Rinnenkörper 16 zum Transport geschmolzenen Metalls 18. Der Rinnenkörper 16 ist generell hoch leitfähig und korrosionsbeständig gegenüber dem geschmolzenen Metall und kann aus einem dichten feuerfesten Material wie beispielsweise Siliziumkarbid oder Graphit gefertigt sein.
Die Isolierungsschicht kann aus einer einzelnen Art von Isolierung bestehen oder kann von einer inneren zur äußeren Oberfläche mit unterschiedlichen Arten von Unterschichten abgestuft sein. Die Isolierung besteht typischerweise aus fasrigen Alumino-Silikat-Feuerfestmaterialien oder gießbaren Isolier-Feuerfestmaterialien.
Der Rinnenkörper wird innerhalb der umgebenden Isolierung 14 auf Pfeiler 19, hergestellt aus Feuerfestmaterial, beispielsweise Kalziumsilikat-(Wollastonit)-Feuerfestkarton, abgestützt.
Ein Heizelement 20 ist in der Isolierungsschicht 14 und zwischen dem Pfeiler 19 benachbart zu, jedoch beabstandet von dem Rinnenkörper 16, positioniert, um einen Luftspalt 28 zur Verfügung zu stellen. Der Luftspalt 28 erlaubt den Übergang der Strahlungshitze zwischen dem Heizelement 20 und dem Rinnenkörper 16. Da der Rinnenkörper hoch leitfähig ist, ist das Wärmegleichgewicht so hoch, dass kein signifikanter Temperaturunterschied zwischen dem Heizelement und dem Abschnitt des Rinnenkörpers vorliegt, der dem Erhitzer gegenüberliegt, jedoch von diesem beabstandet ist. Dies erlaubt einen effizienten Betrieb der Heizelemente und eine hohe Wärmestromdichte auch mit Heizelementtemperaturen, die niedriger sind als solche, die in einer Situation mit Weiterleitung angewendet werden. Der Luftspalt 28 ist zur Verhinderung entweder eines unterbrochenen oder zufälligen thermischen Kontakts zwischen dem Heizelement und den Rinnenkörper ausreichend und eliminiert daher einen lokalen Wärmeübergang durch Leitung und eine ungleichmäßige Hitze und heiße Punkte. Die maximale Größe des Luftspalts 28 ist nicht kritisch und in einer Ausführungsform kann ein konisch zulaufender Spalt mit einer größeren Spaltbreite verwendet werden, um verglichen mit dem gegenüberliegenden Rinnenbereich einen vergrößerten Heizelementoberflächenbereich mit einem daraus resultierenden größeren effektiven Wärmeübergang zu ermöglichen. Um konduktive Wärmeverluste zu den Wollastonit-Pfeilern zu verhindern, wird der Luftspalt auch zwischen den Seiten der Heizelemente und den Pfeilern fortgeführt. Obwohl ein einzelnes Heizelement beschrieben wird, ist es selbstverständlich, dass der Begriff "Heizelement", wie er hierin verwendet wird, auch mehr als ein Element beinhaltet. Die Heizelemente sind typische Strahlungserhitzer, wie sie beispielsweise von Watlow geliefert werden.
Eine weitere Verschlussplatte 21 aus refraktorischem Material wie etwa Wollastonit ist unterhalb des Heizelements 20 vorgesehen. Diese Platte kann entfernt werden, um den Heizelementen zu ermöglichen, leicht für Instandhaltungsarbeiten oder für ein Ersetzen ohne Auseinanderbauen der Rinne entfernt zu werden.
Das Material des Rinnenkörpers sollte eine hohe Absorptionsfähigkeit für Bestrahlung aufweisen oder mit einer leitfähigen, hoch absorptionsfähigen Beschichtung beschichtet sein, um den Strahlungswärmeübergang zu maximieren. Siliziumkarbid- und Graphit-Rinnenmaterialien weisen eine akzeptable Absorptionsfähigkeit für diese Anwendungen auf.
Der Luftspalt 28 zwischen dem zumindest einen Heizelement und den Rinnenkörper beträgt vorzugsweise zumindest 0,5 cm, um bei Anwendung zufällige thermische Kontakte zu verhindern. Aus praktischen Raumgründen wird generell ein maximaler Luftspalt von 1 cm verwendet.
2 zeigt zusätzlich eine weitere bevorzugte Ausführungsform, bei der eine isolierende Abdeckung 26, wie im Stand der Technik gut bekannt ist, über der Rinne 10 platziert werden kann, um den Wärmeverlust des geschmolzenes Metalls zu reduzieren. In einigen Ausführungsformen werden Vorkehrungen für die Injizierung von Inertgas unter die Isolierungsabdeckung getroffen und in diesen Fällen ist die Abdeckung mit geeigneten Abdichtelementen versehen.
In einer in 3 gezeigten bevorzugten Ausführungsform kann die Rinne des Weiteren eine metallische oder nicht-metallische Metall-Eindringbarriere umfassen, die beispielsweise einen metallischen oder Graphit-Schirm oder einen porösen Bogen 30 umfasst, der an der äußeren Oberfläche des Rinnenkörpers 16 nahe dem Heizelement 20 eingesetzt ist, um als Metallbarriere zu dienen. Dieser Schirm kann eine metallische Legierung wie etwa eine Fe-Ni-Cr-Legierung sein. Die metallische Eindringbarriere sollte thermisch stabil und gegenüber Aluminium nicht benetzbar sein, um beim Hindurchführen der Strahlungshitze ohne Verlusteffekt effizient zu sein. Eine Gittergröße von 0,5 mm mal 0,5 mm ist typischerweise zu diesem Zweck effektiv.
Eine Metall-Eindringbarriere kann dann, wenn sie aus einem elektrisch leitfähigen Metall oder einem Nichtmetall gefertigt ist, für die Detektion metallischer Leckagen durch Bereitstellung eines Mittels zur Detektion zur Veränderung der Leitfähigkeit zwischen der Barriere und dem Metall in der Rinne verwendet werden. Ein derartiger Detektor kann aus einem Sensor 32 bestehen, der in das Metall in der Rinne eingetaucht wird und eine elektrische Verbindung 34 mit der Metall-Eindringbarriere mit einem Leitfähigkeitsdetektor 36, der zwischen den zwei Elementen eingesetzt ist. Normalerweise wird eine sehr niedrige Leitfähigkeit detektiert werden, wenn jedoch eine metallische Infiltration auftritt, wird die Leitfähigkeit ansteigen und der Leitfähigkeitsdetektor 36 wird einen Fehler anzeigen, so dass eine korrigierende Aktion unternommen werden kann.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 4 gezeigt. In dieser Ausführungsform sind die Wollastonit-Pfeiler 19 nach außen konisch zulaufend 40, so dass der Strahlungsspalt 28 nach außen hin konisch zulaufend ist, was eine größere Watt-Dichte im Heizelement 20, wie oben bereits erwähnt, ermöglicht. 4 zeigt ebenso eine weitere Ausführungsform, bei der Heizelemente 42 ähnlich wie der Bodenerhitzer 20 zwischen den Wollastonit-Stützen 44 entlang der Seiten der Rinne 16 befestigt sind. Ein Strahlungsspalt 46 ist für jedes dieser Heizelemente vorgesehen und in der gezeigten Gestalt ist dieser Strahlungsspalt ebenso effektiv konisch zulaufend. Es wird angemerkt, dass derartige Seitenheizelemente in Verbindung mit dem gezeigten Boden-Heizelement verwendet werden können, oder aber allein. (Nicht gezeigte) Zugangsplatten ähnliche der Boden-Verschlussplatte 21 können ebenso in einigen Ausführungsformen in der Seite der Rinne verwendet werden, um einen leichten Zugang zu den Seiten-Heizelementen zu ermöglichen.
Ein geeignetes Temperatursteuerungssystem, wie es im Stand der Technik gut bekannt ist, kann im Zusammenhang mit der Rinne 10 gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Das System kann Thermoelemente umfassen, die in einem oder mehreren Heizelementen 20 und in Sektionen des Rinnenkörpers 16 nahe einer oberen Oberfläche des geschmolzenen Metalls 18 platziert sind. Ein Rinnenerhitzungs-Steuerungsprogramm verwendet die Ausgabe von beiden Arten von Thermoelementen, um geeignete Temperaturen des geschmolzenen Metalls beizubehalten, während die Lebensdauer des Heizelements 20 durch Begrenzung der Ausgabe des Heizelements 20 verringert wird. Eine oder mehrere Spannungen können dazu verwendet werden, die Oberflächentemperatur des geschmolzenen Metalls im Rinnenkörper aufzuheizen und beizubehalten. Beispielsweise können die Spannungen 220 oder 110 Volt betragen.
Die Logik hinter dem Heizelement-Steuerungsprogramm verwendet eine P.I.D.-Steuerung mit geschlossener Schleife, um eine enge Toleranz der Temperatur des geschmolzenen Metalls direkt vor der Einführung in die Gießform beizubehalten. Ein Beispiel eines geeigneten Temperatursteuerungssystems kann in dem US-Patent Nr. 6,555,165 (Eckert) gesehen werden.

Claims

Rinne zum Transport geschmolzenen Metalls, umfassend: (a) einen äußeren Mantel, der von einer Bodenwand und zwei Seitenwänden definiert ist; (b) eine Isolierschicht, die den äußeren Mantel füllt; (c) einen leitenden refraktorischen Rinnenkörper zum Transport geschmolzenen Metalls, der in der Isolierschicht eingebettet ist; und (d) ein Heizelement, das in der Isolierschicht nahe dem Rinnenkörper, jedoch von diesem beabstandet, positioniert ist, um einen Luftspalt zwischen dem Heizelement und dem Rinnenkörper bereitzustellen.
Rinne gemäß Anspruch 1, wobei der Luftspalt zwischen dem Heizelement und dem Rinnenkörper zumindest 0,5 cm beträgt.
Rinne gemäß Anspruch 1, wobei der Luftspalt zwischen dem Heizelement und dem Rinnenkörper weniger als 1,0 cm beträgt.
Rinne gemäß Anspruch 1, wobei das Heizelement nahe dem Bodenende der Rinne positioniert ist.
Rinne gemäß Anspruch 4, wobei Heizelemente nahe den Seitenwänden der Rinne positioniert sind.
Rinne gemäß Anspruch 1, wobei der Rinnenkörper aus Siliziumkarbid oder Graphit gefertigt ist.
Rinne gemäß Anspruch 1, des Weiteren umfassend ein metallisches Eindringbarrierenelement, das an einer äußeren Oberfläche des Rinnenkörpers nahe dem Heizelement angesetzt ist.
Rinne gemäß Anspruch 7, wobei das metallische Eindringbarrierenelement aus einer Metalllegierung oder einem Nicht-Metall gefertigt ist.
Rinne gemäß Anspruch 7, wobei die Metalllegierung eine Fe-Ni-Cr-Legierung ist.
Rinne gemäß Anspruch 7, wobei das Nicht-Metall Graphit ist.
Rinne gemäß Anspruch 1, des Weiteren umfassend Thermoelemente, die in dem Heizelement und in dem Rinnenkörper nahe dem geschmolzenen Metall platziert sind, sowie ein P.I.D. Steuerungsprogramm mit geschlossener Schleife zum Steuern der Heizleistung von dem Heizelement.
Rinne gemäß Anspruch 7, des Weiteren umfassend einen Leitfähigkeits-Detektor, der mit einer Verbindung an der metallischen Eindringbarriere und mit einer zweiten Verbindung verbunden ist, die zum Einsetzen in das geschmolzene Metall innerhalb der Rinne angepasst ist, wobei der Leitfähigkeits-Detektor mit einem Element zur Anzeige, dass sich die gemessene Leitfähigkeit als Ergebnis von Eindringen von Metall in die Rinnenausmauerung erhöht, versehen ist.
Verfahren zum Aufheizen von in einer Rinne befördertem geschmolzenen Metall, wobei die Rinne einen äußeren Mantel, der von einer Bodenwand und einem Paar von Seitenwänden definiert ist, einer den äußeren Mantel füllenden Isolierschicht, einen leitfähigen refraktorischen Rinnenkörper zum Transport des geschmolzenen Metalls, der in der Isolierschicht eingebettet ist, und ein in der Isolierschicht nahe zum Rinnenkörper, jedoch von diesem beabstandet positionierten Heizelement, um einen Luftspalt zwischen dem Heizelement und der Rinne zur Verfügung zu stellen, umfasst, wobei das Verfahren die Ausrichtung von Wärme von dem Erhitzer zu dem Rinnenkörper durch einen Strahlungswärme-Transfer über den Luftspalt umfasst und hierdurch eine gleichmäßige Erhitzung des Rinnenkörpers und des darin beförderten geschmolzenen Metalls bereitgestellt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei die Distanz über den Luftspalt hinweg 0,5 bis 1,0 cm beträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei das Heizelement nahe dem Bodenende der Rinne positioniert ist.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei Heizelemente nahe den Seitenwänden der Rinne positioniert sind.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei die Temperatur des Heizelements und des Rinnenkörpers nahe dem geschmolzenen Metall gemessen werden und zur Steuerung der Heizleistung von dem Heizelement verwendet werden.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei ein metallisches Eindringbarrierenelement an einer äußeren Oberfläche des Rinnenkörpers nahe dem Heizelement vorgesehen ist und die Leitfähigkeit zwischen der Eindringbarriere und dem geschmolzenen Metall innerhalb der Rinne gemessen wird, wobei ein Anstieg der Leitfähigkeit eine Metallinfiltration in die Rinnenausmauerung anzeigt.