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Die Erfindung betrifft das Hüttenwesen, insbesondere Vorrichtungen (Pumpen) zur gasdynami- schen Durchmischung von flüssigem Metall beim Schmelzen unmittelbar in der Wanne von Schmelzöfen, was es gestattet, in den meisten Fällen den Schmelzprozess zu beschleunigen, eine Legierung mit homogener chemischer Zusammensetzung sowie ein gleichmässiges Temperaturfeld des Metallbades zu erhalten.
Zur Zeit sind verschiedene Vorrichtungen zur Durchmischung von flüssigem Metall unmittelbar in der Wanne eines Schmelzofens bekannt. Die vorliegende Pumpe gehört zu den Vorrichtungen, die eine besonders aussichtsreiche und einfache Wirkungsweise bei der Durchführung der Durchmi- schung von flüssigem Metall, insbesondere bei der Durchmischung solcher aggressiver Metalle, wie z. B. Aluminium und dessen Legierungen, aufweisen.
Eine bekannte Pumpe zur gasdynamischen Durchmischung von Metall enthält ein mit einem feuerfesten Werkstoff ausgekleidetes Rohr mit einem abnehmbaren Deckel, der den Hohlraum des Rohres überdeckt, welcher mit einem System zum Zuführen eines Impulses von Pressgas in den Hohlraum des Rohres sowie mit einem System zur Erzeugung des Vakuums im Hohlraum des Rohres lei- tungsverbunden ist. Die Pumpe ist gewöhnlich mit Anzeigevorrichtungen für den Metallstand versehen, die in den Steuerkreis der Systeme zum Zuführen des Impulses von Pressgas und zur Erzeugung des Vakuums im Hohlraum des Rohres eingeführt sind.
In den Pumpen von diesem Typ wird Pressgas benutzt, das auf das Volumen leine Teilmenge) des flüssigen Metalls einwirkt, welches periodisch in den Hohlraum des Rohres durch das Vakuum angesaugt und unter der Einwirkung der Impulse des Pressgases mit vorgegebener Geschwindigkeit in die Wanne ausgestossen wird. Die Teilmenge des flüssigen Metalls wird dann in der Wanne bewegt und es nimmt die benachbarten Metallschichten mit und auf diese Weise findet eine Durchmischung des Metalles statt. Nach der Beendigung des Pressgasimpulses gelangt erneut eine Metallteilmenge in den Hohlraum des Rohres unter der Einwirkung des Vakuums und der Zyklus wiederholt sich.
Die bekannte Pumpe ermöglicht eine Steigerung der Leistung des Schmelzofens ; damit erschöpfen sich jedoch nicht alle Möglichkeiten, die den vorliegenden Bauarten eigen sind. So z. B. findet das Ansaugen des Metalls in das Rohr immer an derselben Stelle statt, und das Metall wird praktisch in eine an dieser Stelle nahe liegende Zone ausgestossen, wobei der Wärme- und Stoffaustausch zwischen den oberen und den unteren Metallschichten im Bad nicht genügend wirksam vor sich geht, was insbesondere in den Grossschmelzaggregaten mit einer bedeutenden Wannentiefe zu beachten ist, wo der Temperaturunterschied zwischen den genannten Schichten eine recht bedeutende Grösse erreicht. Zur Erhöhung der Wirksamkeit dieses Prozesses vergrössert man in der Regel die Geschwindigkeit des Ausfliessens des Metalls aus der Pumpe.
Das ist jedoch mit einer weiteren Vergrösserung des Koeffizienten der Übertragung der Energie zwischen dem Pressgas und dem flüssigen Metall verbunden, was natürlich bestimmte Grenzen hat, die vorwiegend durch die Steigerung der Gassättigung und der Schlackebildung an der Grenze zwischen Metall und Gasmedium gesetzt werden. Es ist schwierig, auf Grund dieser Gegebenheiten eine wesentliche Erhöhung der Wirksamkeit der Durchmischung zu erreichen. Es ist auch nicht immer zweckmässig, den Weg einer Erhöhung der Anzahl der Pumpen in einem Schmelzofen zu beschreiten, weil dadurch die Bedienung erschwert und der Gasverbrauch erhöht wird ; ausserdem lässt es sich in konstruktiver Hinsicht manchmal schwer verwirklichen.
Man muss darauf verweisen, dass die Produktivität des Schmelzprozesses, die Qualität des herzustellenden Metalls und der Brennstoffverbrauch im Ofen von dem Grad der Intensität des Prozesses des Wärme- und Stoffaustausches zwischen den oberen erwärmten und den unteren gekühlten Metallschichten abhängig ist. Man kann die Intensität des Wärme- und Stoffaustausches in der Wanne eines Ofens bei einem gerichteten Ausfliessen des Metalls in vertikaler Richtung erhöhen.
Die bekannten gasdynamischen Pumpen ermöglichen das jedoch nicht. Wie aus der angeführten Analyse zu ersehen ist, entstehen beim Betrieb der Pumpen zur gasdynamischen Durchmischung von Metall Schwierigkeiten, deren Beseitigung es gestatten wird, die Wirksamkeit der Durchmischung von Metall während des Schmelzens desselben in der Wanne eines Ofens zu erhöhen.
Zur Zeit ist das Problem der Einsparung von Energie sehr aktuell geworden. Deshalb wird eine weitere Erhöhung der Leistung der Schmelzaggregate durch die Verwirklichung eines vollständigen und schnellen Wärme-und Stoffaustausches in der Wanne des Ofens in einem bedeutenden Grad
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zur Lösung dieses Problems beitragen. Dabei wird neben einer Einsparung des Brennstoffes eine
Verbesserung der Qualität der herzustellenden Legierungen hinsichtlich der Homogenität der chemi- schen Zusammensetzung erreicht, was für die Herstellung von Teilen und Bauelementen, an die hohe Anforderungen gestellt werden, z. B. im Flugzeugbau von grosser Bedeutung ist.
Zweck der Erfindung besteht in der Beseitigung der genannten Nachteile.
Der Erfindung wurde die Aufgabe zugrunde gelegt, eine Pumpe zur gasdynamischen Durchmi- schung von flüssigem Metall mit einer solchen konstruktiven Ausführung des Rohres der Pumpe zu schaffen, die es gestattet, durch die Verwirklichung eines vollständigeren Wärme- und Stoffaus- tausches zwischen den oberen und unteren Metallschichten im Bad eine Erhöhung der Leistung der
Schmelzöfen, eine Verbesserung der Qualität des Metalls und eine Einsparung des Brennstoffes zu gewährleisten.
Diese Aufgabe wird bei einer Pumpe zur gasdynamischen Durchmischung von flüssigem Metall in einem Behälter, die ein mit einem feuerfesten Werkstoff ausgekleidetes Rohr mit einem abnehm- baren Deckel enthält, in dem eine Bohrung vorgesehen ist, durch welche der Hohlraum des Rohres mit einem System zum Zuführen eines Impulses von Pressgas und mit einem System zur Erzeugung des Vakuums leitungsverbunden ist, erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die obere Wand des unte- ren Abschnittes des Rohres verdickt ist und dass in dieser mindestens ein zusätzlicher Kanal vorge- sehen ist, der mit dem Hohlraum des Rohres über eine Tangentialeinführung leitungsverbunden ist, deren Ausgangsabschnitt in der Bewegungsrichtung des Metalls beim Ausstossen desselben aus dem Hohlraum des Rohres gerichtet ist.
Eine solche konstruktive Ausführung der Pumpe gestattet es, einen kreisförmigen Fluss des Metalls in Vertikalrichtung zu erzeugen ; folglich findet in diesem Fall ein ständiges Zusammenflie- ssen (Verschmelzung) der oberen stark erwärmten Metallschichten mit den unteren weniger erwärmten Metallschichten in der Wanne statt, was zu einer intensiveren Durchmischung des Metalls und zu einem schnellen Temperaturausgleich im gesamten Volumen der Wanne des Ofens führt.
Die Tangentialeinführung des zusätzlichen Kanals, dessen Ausgangsabschnitt in der Bewegungsrichtung des Metalls beim Ausstossen desselben gerichtet ist, gestattet es, den Strömungseffekt zum Ansaugen der oberen Metallschichten aus der Wanne über den zusätzlichen Kanal in den Hohlraum des Rohres der Pumpe zu benutzen, diese mit den unteren Metallschichten zu vermischen und diese zusammen in die Wanne auszustossen.
Der untere verdickte Abschnitt des Rohres, der zusätzliche Kanäle enthält, wird zweckmässigerweise in Form eines abnehmbaren Aufsatzes ausgeführt.
Dadurch wird die Herstellung der Pumpe vereinfacht und das Putzen der Kanäle bei Verlegung durch Schlacken während des Betriebes der Pumpe erleichtert.
Die zusätzlichen Kanäle in der Wand des Rohres werden vorzugsweise einander gegenüber auf verschiedenen Niveaus und oberhalb des Ausgangsabschnittes des Hohlraumes des Rohres ausgeführt.
Eine solche Ausführung der Pumpe gestattet es, die Zone einer wirksamen Durchmischung des Metalls zu erweitern. Das ist besonders wichtig bei der Verwendung der Pumpe in Grossschmelz- öfen mit einer bedeutenden Wannentiefe.
Zur Erläuterung der Erfindung wird nachstehend ein Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen : Fig. l die erfindungsgemässe Pumpe und einen Teil des Ofens im Vertikalschnitt entlang der Längsachse ; Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie lI-lI in Fig. 1.
Mit Pfeilen ist die Bewegungsrichtung des Metalls während der Verdrängung (durch den Gasimpuls) angegeben.
H ist die Grösse der Änderung des Metallstandes im Hohlraum des Rohres während des Betriebes der Pumpe.
Die Pumpe zur gasdynamischen Durchmischung von flüssigem Metall --1-- in der Wanne eines Ofens --2-- besteht aus einem mit einem feuerfesten Werkstoff ausgekleideten Rohr --3-- mit einem Hohlraum --4-- und einem abnehmbaren Deckel --5--. Der Hohlraum --4-- ist durch eine Bohrung - in der Wand des Rohres --3-- mit einem System --7-- zum Zuführen eines Impulses von Pressgas und mit einem System --8-- zur Erzeugung des Vakuums leitungsverbunden. Die Steuerschaltung
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dieser Systeme ist nicht wiedergegeben, weil sie einer bekannten Pumpe entlehnt werden kann.
Der Hohlraum --4-- ist durch eine Tangentialeinführung --9-- mit einem zusätzlichen Entnahme- (Ansaug)-kanal-10-- leitungsverbunden, der oberhalb des Ausgangsabschnittes der Tangentialein- führung --9-- angeordnet ist, die in der Bewegungsrichtung des Metalls beim Ausstossen desselben gerichtet ist. Es können mehrere Kanäle --10-- zur Entnahme vorgesehen werden ; dazu sind sie auf verschiedenen Niveaus oberhalb des Ausgangsabschnittes des Hohlraumes --4-- des Rohres - angeordnet. Das Rohr --3-- der Pumpe weist eine Wand auf, die mit einem verdickten unteren
Abschnitt endet, welcher in Form eines abnehmbaren Aufsatzes--11-- (Fig. 2) ausgebildet ist, in dem die zusätzlichen Kanäle --10-- untergebracht sind.
Eine solche Ausführung der Pumpe aus einzelnen Blöcken erleichtert die Herstellung der Pumpe und während des Betriebes derselben das Putzen der Kanäle --10-- und des Hohlraumes --4--. Im Prinzip ist eine Ausführungsform mög- lich, bei der jeder zusätzliche Kanal --10-- in einem einzelnen abnehmbaren Aufsatz angeordnet ist.
Die Pumpe hat folgende Arbeitsweise.
Bei einem minimal zulässigen Stand des Metalls-l- (. Fig. l) in der Wanne des Ofens--2--, wenn durch das Metall die Tangentialeinführung --9-- des Kanals --10-- überdeckt ist, welche den Kanal mit dem Hohlraum --4-- verbindet, wird das System --8-- zur Erzeugung des Vakuums eingeschaltet.
Unter der Einwirkung des Vakuums steigt das flüssige Metall im Rohr --3-- auf die maximale
Höhe H an, und dann wird durch einen Geber finden Zeichnungen nicht wiedergegeben) ein Signal für das Ansprechen des Systems --7-- zum Zuführen eines Impulses von Pressgas gegeben. Durch den
Pressgasimpuls wird das flüssige Metall aus dem Hohlraum --4-- mit einer vorgegebenen Geschwin- digkeit in die Wanne des Ofens --2-- ausgestossen. Dabei wird das Metall im Hohlraum --4-- bewegt, und es nimmt eine Teilmenge an Metall aus den zusätzlichen Kanälen --10-- mit, wonach diese
Metallteilmenge zusammen mit dem im Hohlraum --4-- enthaltenen Metall in die Wanne des Ofens - ausgestossen wird.
Die Wirkungsweise der erfindungsgemässen Pumpe beruht auf dem Strömungseffekt, d. h. durch das Vorhandensein der Reibungskräfte zwischen den flüssigen Metallschichten wird der eine Strahl von dem andern mitgerissen. Je höher die Geschwindigkeit der Bewegung des Metalls im Hohlraum - ist, desto grösser ist die Metallteilmenge, welche durch den zusätzlichen Kanal --10-- den oberen Schichten der Wanne des Ofens --2-- entnommen wird.
Dabei entsteht eine kreisförmige Bewegung des Metalls in Vertikalebene, die zu einem intensiven Wärme- und Stoffaustausch zwischen den oberen und den unteren Metallschichten in der Wanne des Ofens --2-- beiträgt. Anschliessend wird das flüssige Metall erneut in das Rohr --3-- angesaugt, und der Arbeitszyklus wiederholt sich in derselben Folgerichtigkeit bis zur Herstellung eines vollständigen Temperaturausgleiches im gesamten Volumen der Wanne des Ofens --2--.
Die durchgeführte Erprobung der Pumpe hat deren Wirksamkeit nachgewiesen, wobei die erfindungsgemässe Pumpe es gestattet, im Vergleich zu den Pumpen bekannter Bauart die für die Durchmischung erforderliche Zeit um 10 bis 15% zu reduzieren.
Die erfindungsgemässe Pumpe kann für deren Anwendung in Schmelzöfen und Vakuumaggregaten zur Erhöhung der Leistung derselben, zur Verbesserung der Qualität des Metalls und zur Senkung des spezifischen Brennstoffverbrauches empfohlen werden.
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