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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Verarbeitung
von flüssigem Metall, z. B. von Stahl.
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Für zahlreiche metallurgische Verfahren ist es notwendig oder
vorteilhaft, ein flüssiges Metall von einem Gefäß in ein
folgendes Gefäß während eines Bearbeitungsvorganges, beispielsweise
eines metallischen Formmediums, in gesteuerter Weise mit
geringer Geschwindigkeit und geringer Turbulenz zu überführen.
Außerdem ist es vorteilhaft, wenn das flüssige Metall in einem
'sauberen' Zustand gehalten wird, um in derartige Fommittel
überführt zu werden. Derartige Formmittel können beispielsweise
eine Gießform, eine kontinuierliche Gießform, eine Blockform
oder irgendein Behälter sein oder eine jener Funktionen kann
der Abzug von Wärme aus dem flüssigen Metall sein, um eine
Verfestigung zu bewirken. Die Vorteile sowohl in arbeitsmäßiger,
metallurgischer und ökonomischer Hinsicht des Gießens oder
Formens aus einem Vorrat sauberen, flüssigen Metalls, das unter
steuerbaren physikalischen Bedingungen zugeführt wird, sind
allgemein bekannt.
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Es sind zahlreiche Systeme bekannt (z.B. US-A- 3 525 510, wovon
die Erfindung ausgeht), bei welchen flüssiges Metall in einen
Zuführungsbehälter abgegeben und dann über ein Transportmedium
in ein solches Metallformmedium abgegeben wird. Der
Zuführungsbehälter, der irgendein Behälter sein kann, der in der Lage ist,
eine Menge flüssigen Metalls aufzunehmen, die ausreicht, um ein
Reservoir von Speisemetall zu bilden, gewährleistet
normalerweise nicht eine gesteuerte Strömungsrate, und die Strömung des
flüssigen Metalls weist einen hohen Grad von Turbulenz und hohe
Geschwindigkeiten bei der Überführung in das Metallformmedium
auf, und dies steht im Gegensatz zu der Arbeitsweise des
Metallformmediums; weiter ist es oft vorteilhaft, in der Lage zu sein,
die Bildungsrate und die Lage des erstarrenden Produktes derart
zu steuern, daß die Wachstumsraten abgeschwächt und ein
Wiederschmelzen des Produktes verhindert wird. Außerdem wird
gewöhnlich das flüssige Material, das innerhalb des
Metallformmediums enthalten ist, mit einem flüssigen, nichtmetallischen
Überzug versehen, und dieser kann beispielsweise aus einem
Formschmiermittel bestehen, und es besteht die Möglichkeit, solche
nichtmetallische Substanzen in das flüssige Metall von der
flüssigen Metalloberfläche einzusaugen, und diese Gefahr wird durch
hohe Geschwindigkeiten und hohe Turbulenzen erhöht und
beeinträchtigt die Qualität des Erzeugnisses.
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Außerdem ist es äußerst erwünscht zu verhindern, daß die
Strömung der nichtmetallischen Bestandteile in das Metallformmedium
oder die Ablagerung in den Wänden des Transportmediums
verhindert wird, welches beispielsweise ein hohles Rohr sein kann,
welches mit einer Strömungssteuervorrichtung (beispielsweise
mit einer Sperr- und Ventilanordnung) versehen sein kann, die
unter dem Niveau mündet, und es ist eine Charakteristik der
nichtmetallischen Bestandteile, daß sie in Bereichen abgelagert
werden, wo sich ein hoher metallostatischer Kopf, eine hohe
Turbulenz und eine hohe Geschwindigkeit befinden. Die Bereiche,
wo diese Verunreinigungen für den Prozess besonders schädlich
sind, und zwar in metallurgischer und ökonomischer Hinsicht,
liegen in der Qualität des erstarrten Produktes und in dem
vorzeitigen Entfernen aus dem Service oder anderen
Serviceeinrichtungen infolge der nichtmetallischen
Verunreinigungsablagerungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Probleme zu
lösen.
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Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist ein Behälter vorgesehen,
der eine erste gegen Atmosphärendruck offene Kammer zur
Aufnahme schmelzflüssigen Metalls und eine damit über eine mit
Öffnungen versehene Wand verbundene zweite Kammer zur Abgabe
von Metall aufweist, wobei die zweite Kammer abgedichtet und
an Mittel zur Verringerung des Druckes darin auf weniger als
Atmosphärendruck abgeschlossen ist, um dadurch in besagter
zweiter Kammer ein höheres Metallniveau als in besagter erster
Kammer einzustellen.
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Die Erfindung bewirkt eine Verminderung des metallostatischen
Kopfes innerhalb der zweiten Kammer, so daß die
Metallgeschwindigkeit am Auslaß derselben stark vermindert wird.
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Zur Erreichung des Hauptziels der Erfindung kann irgendein
Druckreduziermedium zwischen den Kammern benutzt werden,
beispielsweise kann eine Barriere mit einer oder mehreren
Öffnungen benutzt werden, aber vorzugsweise ist die erste Kammer mit
der zweiten Kammer über ein Filter verbunden.
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Die Differenz der Drücke im flüssigen Metall innerhalb der
beiden Kammern wird vorzugsweise auf einem Wert gehalten, der so
hoch als möglich ist, und im allgemeinen erhöht sich die
'Reinigungswirkung' der Filter mit der Energie, die über das
flüssige Metall verteilt wird, wenn dieses den Filter durchläuft. Die
Erfindung ermöglicht daher die Benutzung von Filtern höherer
Wirksamkeit als dies bisher möglich war.
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Die Filter können aus einem feuerfesten Material bestehen,
welches eine Affinität für spezielle Verunreinigungen besitzt, die
innerhalb des flüssigen Metalls suspendiert sind. Die Filter
können monolithisch aufgebaut sein oder einen Verbundaufbau
besitzen, und die Poren (die beispielsweise aus Schlitzen,
zylindrischen Löchern oder irgendeiner offenen Zellenform
bestehen können) müssen genügend klein sein, um die
Druckgradienten bei den gewünschten Strömungsraten aufrecht zu erhalten,
aber sie müssen genügend groß sein, um eine Ablagerung von
Verunreinigungen zu ermöglichen, ohne daß ein Durchfluß des
Materials blockiert wird.
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Weil die Metallgeschwindigkeit am Ausgang des zweiten Behälters
vermindert ist, können Strömungssteuervorrichtungen am Auslaß
mit stark vergrößerten Strömungsaustrittsflächen arbeiten,
wodurch die Rate der Verunreinigungsablagerung auf den
Oberflächen
dieser Einrichtungen verringert wird, wodurch sonst die
Metallströmungsrate vermindert und ein vorzeitiger Ausfall zu
befürchten wäre. Insbesondere kann der Auslaß von der zweiten
Kammer beispielsweise durch ein Gleitgitterventil o.dgl.
gebildet werden, und dies kann über einer hohlen Abschirmung
liegen, über die das Metall in eine kontinuierliche Gießform oder
eine Kokillenform o.dgl. überführt wird.
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Wie erwähnt, beeinträchtigt die 'Förder'-Geschwindigkeit des
Metalls in das formende Medium und die Turbulenz, die bisher
die Tendenz reduzierte, beispielsweise nichtmetallische
Formüberzüge in die Metallströmung nach der Form einzusaugen,
schwerwiegend die Qualität des Produktes, und dies wird
vermindert.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus
der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in
Verbindung mit der vorliegenden Zeichnung. In der Zeichnung
zeigen:
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Die Fig. 1 und 2 veranschaulichen schematisch zwei
Formen von Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens.
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In der folgenden Beschreibung bezieht sich der Ausdruck 'Ventil'
auf irgendeine Ausgestaltung einer Strömungssteuervorrichtung.
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Fig. 1 der Zeichnung zeigt die Arbeitweise der Vorrichtung
während der Vorerwärmungsphase. Die Vorrichtung besteht aus
einer ersten Kammer 1, die nach der Atmosphäre hin offen ist
und aus einer zweiten, hiermit über eine mit Öffnungen
versehene Wand 3 verbundenen zweiten Kammer 2. Die Kammer 2 ist
geschlossen und mit zwei Druckvermindungseinrichtungen 4 und 6
verbunden. Die Druckverminderungsvorrichtung 4 ist eine Pumpe
oder ein Ejektor mit geringem Differentialdruck und hohen
Volumen, die an die Kammer 2 über ein Ventil 5 angeschlossen ist,
und die Druckverminderungsvorrichtung 6 ist eine Pumpe oder ein
Ejektor mit hohem Differentialdruck und geringem Volumen, und
diese ist an die Kammer 2 über ein Ventil 7 angeschlossen. Ein
Auslaß 8 ist über ein Ventil 10 an ein Metallformmedium 9
angeschlossen.
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Ein Brenner 11 führt heiße Gase in die Kammer 1 ein, und die
Temperatur der Gase überschreitet vorzugsweise die
Liquidustemperatur der zu behandelnden Metallschmelze.
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Der Zweck dieser Vorerhitzungsphase besteht darin, die
Temperatur des Druckverminderungsmediums, in diesem Falle eines
porösen Stopfens 3, auf einen Wert anzuheben, bei dem das
schmelzflüssige Metall in die Kammer 1 und in die Kammer 2 strömen
kann, ohne daß hierbei das schmelzflüssige Metall erstarrt. Um
diesen Zweck zu erreichen, ist das Ventil 5 offen, und die
Ventile 7 und 10 sind geschlossen, und die Pumpe 5 wird benutzt,
um Gase aus der Kammer 2 abzuziehen. Der Druck innerhalb der
Kammer 2 fällt und die resultierende Druckdifferenz zwischen
den Kammern 1 und 2 verursacht, daß heiße Gase, die durch 11
erzeugt werden, von der Kammer 1 durch die gelochte Wand nach
der Kammer 2 strömen. Auf diese Weise wird Hitze von den heißen
Gasen auf diese Wand übertragen, wodurch deren Temperatur
erhöht wird.
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Die Fig. 2 zeigt die Vorrichtung, wie sie in der
Produktionsphase benutzt wird. Insbesondere strömt schmelzflüssiges Metall
unter dem Einfluß der Schwerkraft von einem Behälter 12,
beispielsweise einem Schmelztiegel, über ein Ausgußrohr 13 in eine
Kammer 1. Eine Strömungssteuervorrichtung 14, beispielsweise
eine Sperr- und Düsenanordnung, wird benutzt, um den Pegel der
Metallschmelze in der Kammer 2 zu steuern. Das Ventil 5 ist
geschlossen und die Ventile 7 und 10 sind offen. Der Druck
innerhalb des Gasraumes 15 über den Pegel der Schmelze in der
Kammer 2 wird auf diese Weise durch die Pumpe 6 vermindert, und
die Metallschmelze strömt aus der Kammer 1 über die gelochte
Wand in die Kammer 2 unter dem Einf luß des beträchtlichen
Differenzdruckes über diesen Kammern. Ein Flüssigkeitspegel
innerhalb der Kammer 2 und eine Druckmeßvorrichtung 17 werden
benutzt, um den Druck innerhalb des Gasraumes über der
Metallschmelze
in der Kammer 2 zu überwachen, und sie können benutzt
werden, um die Arbeitsweise der Pumpe 6 oder die Stellung des
Ventils 7 derart einzustellen, daß der überwachte Druckpegel
gesteuert wird.
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Flüssiges Metall strömt aus der Kammer 2 durch das offene
Ventil 10 in das Formmedium 9. Der metallostatische Druck am
Auslaß 8 und am Ventil 10, die von der Säule flüssigen Metalls
darüber herrühren, wird auf beträchtlich geringeren Werten
gehalten als dies der Fall wäre, wenn die Kammer 2 nicht
umschlossen und der Druck reduziert wäre. Die Wirkung davon, daß der
unteratmosphärische Druck in 14 aufrechterhalten wird, wirkt
teilweise der metallostatischen Kraft am Einlaß des Ventils 10
entgegen und vermindert somit die Druckdifferenz über diesem
Ventil. Die sich hieraus ergebende geringere Druckdifferenz
über diesem Ventil im Vergleich mit dem Fall, wo der Gasraum 15
nicht unter unteratmosphärischem Druck gehalten wird,
ermöglicht die Ausbildung des Ventils 10 in der Weise, daß eine
größere Strömungsfläche für die Metallschmelze bei gleichen
Strömungsraten erhalten wird. Die Benützung größerer
Strömungsflächen führt wiederum zu einer beträchtlich erhöhten Distanz
zwischen den Strömungssteueroberf lächen des Ventils 10 und
erzeugt außerdem geringere Geschwindigkeiten der Metallschmelze.
Da nichtmetallische Verunreinigungsablagerungen die
Geschwindigkeit zu erhöhen suchen, vermindern demgemäß sowohl die
geringeren Geschwindigkeiten als auch die größeren Distanzen,
die den Störmungssteueroberflächen zugeordnet sind, die
Möglichkeit der Ablagerung von Verunreinigungen und demgemäß einer
vorzeitigen Blockage in den Bereichen des Auslasses 8 und des
Ventils 10. Außerdem führen die geringeren
Austrittsgeschwindigkeiten der Metallschmelze aus dem Ventil 10 zu geringeren
Abgabegeschwindigkeiten nach dem Formmedium 19.
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Während der Herstellungsphase kann der Flüssigkeitspegel der
Metallschmelze im Schmelztiegel 12 soweit fallen, daß die
Produktion unterbrochen und ein anderer Schmelztiegel benutzt
werden muß, um den Schmelztiegel 12 zu ersetzen. Während dieses
Intervalls findet keine Strömung der Metallschmelze in die
Kammer
1 statt. Normalerweise wird die Metallschmelze in der
Kammer 1 durch eine Schicht aus nichtmetallischem Material bedeckt.
Bisher strömte die Metallschmelze von einem Schmelztiegel,
beispielsweise einem Schmelztiegel 12, in einen offenen Behälter,
beispielsweise einen Tundish, und dann in ein Metallformmedium,
und es hat sich gezeigt, daß die nichtmetallischen
Verunreinigungen aus dieser Schicht mit der Metallschmelze mitgeführt und
in das Metallformmedium eingeleitet werden, wodurch das
Erzeugnis verunreinigt wird. Erfindungsgemäß wird jedoch eine solche
Verunreinigung durch die Kombination von geringeren
Austrittsraten der Metallschmelze durch das Ventil 10 eliminiert, indem
dieses eingestellt wird und dadurch, daß der Pegel der
Metallschmelze in der Kammer 2 durch Benutzung der Kammer 1 als
Zuführungsreservoir aufrechterhalten wird. Wenn die Dauer eines
solchen Intervalls zwischen Auswechsluhg der Schmelztiegel lang
ist, dann kann die Kammer 2 auch als Vorratszuführungsbehälter
dienen, nachdem die Metallschmelze in der Kammer 1 abgelassen
wurde. Dies wird möglich, weil der Druck in 15 steuerbar ist,
so daß der Metallpegel in der Kammer 2 unabhängig von dem
Metallpegel in der Kammer 1 angehoben und abgesenkt werden kann.
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Während des Produktionsprozesses kann es erwünscht sein, gewisse
Substanzen, z.B. chemische Reaktionsmittel, einzuführen, die die
Eigenschaften des erzeugten Produktes verbessern. Es ist
vorteilhaft, gewisse Substanzen so spät als möglich im
Produktionsverfahren einzuführen, da dies gewisse Probleme vermindert,
beispielsweise eine Absonderung von Legierungselementen. Außerdem
können sie benutzt werden, um den Pegel der Überhitzung zu
vermindern, der sonst erforderlich sein könnte. Argon, welches bei
18 eingeführt wird, kann als Trägergas zum Einführen dieser
Substanzen benutzt werden. Das Gas steigt zur Oberfläche der
Metallschmelze auf und wird durch die Pumpe 6 bei 15
ausgeblasen.
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Vorzugsweise ist die Öffnung in der Wand 3 mit einer Reinigungs-
oder Filtereinrichtung versehen. Insbesondere ist die
Arbeitsweise des Filters derart, daß nichtmetallische Bestandteile, die
in der Metallschmelze suspendiert sind, veranlaßt werden, sich
auf der Oberfläche des Materials abzulagern, aus dem der Filter
besteht, beispielsweise aus einem feuerfesten Material oder
einem Keramikmaterial. Der Hochdruckabfall über diesem Filter
und die kleine Porengröße bewirken, daß das Metall beschleunigt
wird, wenn es hindurchtritt, und die hohe Turbulenz der
Strömung in diesem Bereich erzeugt einen sehr wirksamen
Reinigungsprozess.
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Nichtmetallische Verunreinigungen werden natürlich auf der
Oberfläche des Filters abgelagert und, da sich dieser Prozeß
fortsetzt, steigt die Druckdifferenz über dieser Wand 3 an, die
erforderlich ist, um eine konstante Strömung der Metallschmelze
von der Kammer 1 nach der Kammer 2 zu bewirken, denn sonst würde
die Strömung der Metallschmelze abnehmen. Die Strömungsraten der
Metallschmelze können durch Erhöhung des Pegels der
Metallschmelze in der Kammer 1 aufrechterhalten werden, indem die
Strömungsrate des Metalls aus dem Schmelztiegel 12 so
eingestellt wird, daß der metallostatische Druck an der Basis der
Kammer 1 ansteigt, um höhere erforderliche Druckgradienten über
dem Filter zu kompensieren, und es wird angezeigt, daß eine
solche Wirkung erforderlich ist, indem eine Verminderung im
Pegel des Produktes im Formmedium identifiziert wird.
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Die Erfindung wurde vorstehend in Verbindung mit speziellen
Ausführungsbeispielen beschrieben. Es ist jedoch klar, daß
verschiedene Abwandlungen getroffen werden können, ohne vom Rahmen
der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise könnte die spezielle
Gestalt der in der Zeichnung dargestellten Vorrichtung und die
Anordnung der Steuer- und/oder Überwachungseinrichtung von der
dargestellten Anordnung abweichen.