DE1921885B2 - Verfahren und Vorrichtung zur Umformung von stückigem Reaktionsmetall in Form von Metallschrott unterschiedlicher Form und Größe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Umformung von stückigem Reaktionsmetal! in Form von Metallschrott unterschiedlicher Form und Größe, der mit Einschlüssen höherer Dichte versehen ist, in eine zum Aufschmelzen geeignete Zwischenproduktform unter Schutzgasatmosphäre oder Vakuum in einem Schmelzofen, dem der Metallschrott in Stückform zugeführt wird, und dessen Wände zur Bildung einer das Schmelzbad umschließenden Metallhaut gekühlt werden.

Bei einem bekannten Verfahren dieser Art wird der in den Schmelztiegel gefüllte Metallschrott zunächst mit Hilfe von nicht aufbrauchbaren Elektroden verflüssigt worauf während der Evakuierung des Ofens auf eine aufbrauchbare Elektrode umgeschaltet wird. Danach werden die Elektroden zurückgezogen, und der Schmelztiegel wird gekippt, so daß sich sein schmelzflüssiger Inhalt kurzfristig entleert (Transactions of the 8^lh National Vacuum Symposium, Vol. 2, S. 737 bis 743).

Es handelt sich also hierbei um ein Verfahren, das den Nachteil hat, daß sich während des Schmelzvorganges schwerschmelzende oder unschmelzbare Bestandteile des Reaktionsmetalls am Boden des Schmelztiegels absetzen und dann bei jeder Entleerung des Tiegels zumindest teilweise zusammen mit der Schmelze in die Gießform abgefüllt werden, so daß zwar die schwerschmelzenden oder unschmelzbaren Bestandteile des Reaktionsmetalls aussedimentieren, jedoch die später agefüllte Metallschmelze solche Bestandteile als Verunreinigung wieder enthält.

Es ist des weiteren bekannt, Reaktionsmetalle, also Metalle, die in geschmolzenem Zustand unter Lufteinfluß oxydieren, wie beispielsweise Titan, Zirkonium, Hafnium und deren Legierungen, unter Luftabschluß aufzuschmelzen und danach den Schmelztiegel durch Kippen in eine darunter befindliche Gießform zu entleeren. (Gießerei, 1956, S. 450.) Auch hierbei handelt es sich jedoch um einen diskontinuierlichen Prozeß, bei dem darüber hinaus nicht verhindert wird, daß die während des Schmelzvorgangs nicht mitgeschmolzenen Metallteile beim Vergießen der Schmelze beispielsweise zu Brammen bei der späteren Weiterverarbeitung der Brammen stören, da sie eine Schmelztemperatur erfordern, die wesentlich über derjenigen des eigentlichen Brammenmaterials liegt, wenn verhindert werden soll, daß diese ursprünglich nicht mitaufgeschmolzenen Teile als Fremdkörper in das Fertigprodukt gelangen und dessen Homogenität erheblich beeinträchtigen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, das Verfahren der genannten Art so verbessern, daß beim Aufschmelzen von stückigem Rekationsmetall in Form von Metallschrott unterschiedlicher Form und Größe und Zusammensetzung die auf Grund ihrer höheren Dichte nicht mitschmelzenden Einschlüsse kontinuierlich aus der Schmelze entfernt werden und dadurch die Herstellung eines Zwischenprodukts befriedigender Homogenität errnögichen, das eine zum Aufschmelzen geeignete Form erhält.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Metallschrott zum Schmelzen kontinuierlich einem Schmelzofen zugeführt wird und daß die Verweilzeit der Schmelze im Bad ein Sedimentieren der ungeschmolzenen Einschlüsse höherer Dichte und

damit eine Reinigung der Schmelze von solchen ungeschmolzenen Einschlüssen ermöglicht, bevor die Schmelze mittels eines Oberlaufs aus dem Ofen entfernt und mechanisch zu Tropfen zerteilt wird, die als erstarrte Teilchen in Form von Pellets oder Flocken mit frischem Metall vermischt und zusammen mit diesem aufgeschmolzen und zu Brammen vergossen werden. Dadurch, daß die gereinigte Metallschmelze mit Hilfe eines Oberlaufs kontinuierlich aus dem Ofen entfernt wird und die nicht schmelzbaren Bestandteile des Mtallschrotts am Boden des Ofens verbleiben und erst nach Beendigung des Verfahrensablaufs durch Kippen des Ofens aus diesem entfernt werden, ist sichergestellt, daß die mit Hilfe des Überlaufs aus dem Boden abgezogene Schmelze den gewünschten Reinheitsgrad aufweist und danach in Pellets oder Hocken erstarren kann, die sich mit frischem Metall, also keinem Schrottmetall, vermischen und zusammen mit diesem aufschmelzen lassen, um erst dann in die Gießformen vergossen zu werden.

Die Abkühlung der Schmelzofenwände führt dabei zum Aufbau einer Haut auf der Ofeninnewand, auf die sich die sedimentierten, nicht aufgeschmolzenen Einschlußteilchen absetzen. Die Ofenkühlung, die beispielsweise mit Wasser erfolgen kann, dient darüber hinaus dazu, eine Verunreinigung der flüssigen Reaktionsmetallschmelze durch Material, aus dern der Ofen gebaut ist, zu verhindern, denn ohne Schutzhaut wäre damit zu rechnen, daß sich Materialteilchen aus der Ofenwand lösen und in die Schmelze gelangen, und zwar vor allem dann, wenn der Schmelzpunkt des Ofenbaumaterials in der Nähe der Schmelzpunkttemperatur des Reaktionsmetalls liegt.

Es ist nun zwar auch bekannt, flüssige Metallschmelzenströme in einzelne Metallteilchen aufzuteilen, die in einem rotierenden, flüssigkeitsgefüllten Behälter aufgefangen werden, wobei sie von einem rotierenden Verteilungsgrad auf die Oberfläche eines Flüssigkeitsrotationsparaboloids geschleudert werden, die Flüssigkeit durchqueren und dabei zu kugelförmigen Teilchen erstarren (DT-PS 4 22 222), jedoch werden dabei vor der Zerteilung der Schmelze die nicht aufgeschmolzenen Metallteilchen nicht durch Sedimentieren unter Schwerkraftwirkung aus der Schmelze entfernt, und die Schmelzenabnahme aus dem Ofen erfolgt auch nicht mit Hilfe eines Überlaufes, so daß auch keine Metallschmelze erhalten wird, deren Weiterverarbeitung im Gegensatz zu den herkömmlichen, teilweise mit nicht schmelzbaren Einschlüssen versehenen Masseln oder Brammen zu Endprodukten wesentlich höherer Homogenität und damit Qualität führt.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit Hilfe einer Vorrichtung durchgeführt, die einen in einer gasdichten Kammer befindlichen Schmelzofen aufweist, der mit einer Vorrichtung zur Zufuhr von zu schmelzendem Schrottmetall sowie einer Austragsvorrichtung für die Schmelze versehen ist und außerhalb eine Einrichtung zum Dispergieren oder Zerteilen der Schmelze aufweist, wobei erfindungsgemäß vorgeschlager, wird, daß der Mantel des Schmelzofens zur Bildung einer erstarrten Metallschmelzhaut mit einer Kühlvorrichtung versehen ist, daß ferner die Schmelzenau ■ tragsvorrichtung des Ofens einen Überlauf bildet, der sich über die Schmelzenzerteilervorrichtung befindet, die in Form eines rotierenden Rades den über den Überlauf tretenden, frei fallenden Schmelzenstrom zerteilt, wobei unterhalb des rotierenden Rades eine Austragsschurre für die dispergierten, erstarrten Schmelzenteilchen angeordnet ist

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine senkrechte Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und

F i g. 2 eine waagerechte Schnittansicht längs der Linie 11-11 in F i g. 1, die ein zu der Vorrichtung gehörendes, die Schmelze zu Tröpfchen zerteilenden Rades zeigt

Die Vorrichtung zur Umformung von stückigem Reaktionsmetall befindet sich in einer Kammer 10, aus der alle Gase entfernt werden, die mit dem Reaktionsmetall reagieren, d. h., diese Kammer wird entweder evakuiert oder mit einem Inertgas gefüllt, beispielsweise mit Argon. Im oberen Teil der Kammer ist auf waagerechten Lagerzapfen 13, die sich durch in den gegenüberliegenden Seitenwänden der Kammer befindliche Lager 14 hindurch erstrecken, ein wassergekühlter Metallschmelzofen in Form eines Schmelzkessels 12 befestigt, der vorzugsweise aus Kupfer besteht. Außerdem ist ein Mechanismus 15 zum Kippen des Schmelzofens vorhanden, der mit dem einen Lagerzapfen außerhalb der Kammer verbunden ist. Eine den Schmelzofen umgebende Kühlvorrichtung 16 in Form einer Kühlschlange dient zur Kühlung der Ofenwand. Ein stückiges Rektionsmetall M wird dem Schmelzofen von einem Bunker 17 über eine luftdichte Schurre 18, die sich durch die obere Wand der Kammer erstreckt, zugeführt. Der Bunker und die Schurre sind mit Vibratoren 19 und 20 ausgestattet. Die Schurre ist mit zwei Luftschleusen 21 und 22 versehen, von denen nur eine zu einem beliebigen Zeitpunkt offen sein kann. Die Vibratoren und Luftschleusen sind an sich bekannt und werden deshalb hier nicht im Detail gezeigt Rohrleitungen 23 und 24 verbinden die Kammer und die Schurre zwischen den beiden Luftschleusen. Durch diese Rohrleitungen werden die Kammer und die Schurre evakuiert oder mit Inertgas gefüllt.

Die Vorrichtung ist mit einer Einrichtung zum Schmelzen der dem Schmelzofen 12 zugeführten Metallstücke ausgestattet. Die dargestellte Schmelzeinrichtung ist eine sich nicht verbrauchende Elektrode 26, die sich durch eine in der oberen Wand der Kammer 10 befindliche Gasdichtung 27 bis in die Nähe des in dem Schmelzofen befindlichen Materials erstreckt. Die Elektrode kann aus irgendeinem geeigneten Material bestehen, beispielsweise Kohlenstoff, Graphit, Wolfram oder wassergekühltes Kupfer. An dem einen Lagerzapfen 13 und an der Elektrode 26 sind Stromschienen 28 und 29 angeschlossen, mit denen elektrischer Strom zur Erzeugung eines Lichtbogens zuführbar ist, der die in dem Schmelzofen befindlichen Metallstücke in bekannter Weise schmilzt. Das geschmolzene Metall verfestigt sich an der Schmelzofenwand und bildet einen schalenförmigen Belag S, der ein Mtallschmelzenband L aufnimmt. Eine größere Dichte aufweisende bzw. harte Einschlüsse Din dem zugeführten stückigen Reaktionsmetall schmelzen nicht, sondern sinken auf den Boden des Schmelzenbades und werden dadurch abgesondert. Auf der Elektrode wird über dem Schmelzofen vorzugsweise ein Hitzeschild 30 montiert, um die obere Wand der Kammer zu schützen. Es lassen sich auch andere Schmelzeinrichtungen verwenden, beispielsweise ein Elektronenstrahl, eine sich verbrauchende Elektrode aus dem gleichen Metall wie die Metallstücke M. eine Plasmabogenvorrichtung oder eine Hohlkathode.

Der Schmelzofen 12 besitzt einen Überlauf 33, durch

den flüssiges Metall zu einem darunter befindlichen Verteilermechanismus ausgetragen wird. Der Schmelzofen läßt sich auf seinen Lagerzapfen kippen, oder der Schmelze wird das Überlaufen gestattet, während sich der Schmelzofen in senkrechter Lage befindet. Der gezeigte Verteilermechanismus weist einen Antriebsmotor 34 auf, der sich unter dem Kammerboden 35 befindet, ferner eine senkrechte Welle 36, die sich von dem Motor durch eine in dem Boden vorhandene Gasdichtung 37 nach oben erstreckt sowie eine Schmelzenzerteileinrichtung in Form eines Metallrades 38, das vorzugsweise aus Kupfer besteht und auf dem oberen Ende der Welle befestigt ist. Wie aus F i g. 2 zu entnehmen ist, besteht das Rad aus mehreren einen Winkelabstand voneinander aufweisenden Speichen 39 und ist an seinem Umfang zwischen den Speichen geöffnet. Die senkrechte Abmessung des Rades beträgt etwa 2,5 bis 38 cm, während als Durchmesser etwa 13 bis 152 cm in Frage kommen. Die Drehzahl des Rades liegt etwa zwischen 100 und 3000 Upm. Die Welle 36 und das Rad 38 sind vorzugsweise wassergekühlt, so daß ein kontinuierlicher Betrieb möglich ist. Zu diesem Zweck sind ein Wassermantel 40 sowie Zufuhr- und Abfuhrleitungen 41 und 42 vorgesehen. Die Wärmemenge kleinerer Räder wird durch die Welle abgeführt, während größere Räder mit inneren Kühlleitungen versehen sein können. Der Schmelzenstrom vom Schmelzofen 12 trifft auf das Rad zwischen seiner Achse und seinem Umfang auf, wie dies bei X in F i g. 2 angedeutet ist. Es lassen sich aber auch mehrere Räder oder andersartige Verteilungsvorrichtungen verwenden.

Wenn der Schmelzenstrom auf das Rad auftrifft, zerteilen ihn die sich schnell bewegenden Speichen 39 mechanisch. Die sich ergebenden dispergierten Teilchen verfestigen sich schnell zu kleinen Kügelchen P, Flokken F oder einer Mischung aus diesen beiden. Der Kammerboden 35 neigt sich von der Welle 36 weg und kann einen gewöhnlichen Vibrationsförderer 45 tragen. Eine luftdichte Austrittsschurre 46 erstreckt sich an dem tiefsten Punkt des Bodens 35 von der Kammer weg und dient zur Sammlung der dispergierten Teilchen. Das Rad 38 dreht sich in einer Richtung, in der die dispergierten Teilchen gegen die Austrittsschurre geworfen werden, wie dies durch den Pfeil in F i g. 2 angedeutet ist. Die Austrittsschurre ist mit einem weiteren Vibrationsförderer 47 ausgestattet sowie mit zwei Luftschleusen 48 und 49. Zwischen den Luftschleusen ist an die Austrittsschurre eine Rohrleitung 50 angeschlossen, durch die die Schurre evakuiert wird oder durch die Inertgas in die Schurre eingeleitet wird.

ίο Die Austrittsschurre wird vorzugsweise mit Wasser gekühlt, das durch die rund um die Schurre geschlungene Leitung 51 strömt.

Wenn die dispergierten Teilchen ein Gemisch aus Kügelchen und Flocken bilden, werden sie vorzugsweise gesiebt, um die Kügelchen oder Kugeln von den Flocken zu trennen. Der Durchmesser der Kügelchen liegt im Bereich von etwa 0,25 und 6,35 mm, während die Flocken papierdünn sind und sich leicht in jede gewünschte Größe brechen lassen. Sowohl die Kügelchen ais auch die Flocken können schnell zu einer Elektrode verarbeitet oder in eine andere Schmelzencharge eingegeben werden, werden jedoch am besten getrennt verwendet. Falls Teile des zugeführten Materials mit in den Zwischenräumen löslichen Sauerstoff oder Stickstoff verunreinigt sind, werden die verunreinigten Teile in der Produktmasse verteilt, wodurch die Verunreinigung auf ein annehmbares Maß gesenkt wird. In gleicher Weise wird, falls das Produkt während des Umwandlerprozesses Verunreinigungen aufnimmt, beispielsweise Kohlenstoff, die Verunreinigung auf ein annehmbares Maß gesenkt, indem bei der Herstellung der Schmelzencharge dem Produkt neues Metall zugemischt wird.
Aus der obigen Beschreibung ergibt sich, daß ein einfaches Verfahren mit zugehöriger Vorrichtung zum Umwandeln oder Aufbereiten von gemischten Teilen eines stückigen Reaktionsmetalls in eine Form geschaffen wird, die für die Herstellung einer Schmelzencharge brauchbar ist Bisher waren viele derartige Schrottmetallstücke nicht verwertbar und gingen verloren.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Umformung von stockigem Reaktionsmetall in Form von Metallschrott unterschiedlicher Form und Größe, der mit Einschlüssen höherer Dichte versehen ist, in eine zum Aufschmelzen geeignete Zwischenproduktform unter Schutzgasatmospähre oder Vakuum in einem Schmelzofen, dem der Metallschrott in Stückform zugeführt wird, und dessen Wände zur Bildung einer das Schmelzbad umschließende Metallhaut gekühlt werden, dadurch gekennzeichnet, da-3 der Metallschrott zum Schmelzen kontinuierlich dem Schmelzofen zugeführt wird und daß die Verweilzeit der Schmelze im Bad ein Sedimemieren der ungeschmolzenen Einschlüsse höherer Dichte und damit eine Reinigung der Schmelze von solchen ungeschmolzenen Einschlüssen ermöglicht, bevor die Schmelze mittels eines Überlaufs aus dem Ofen entfernt und mechanisch zu Tropfen zerteilt wird, die als erstarrte Teilchen in Form von Pellets oder Flocken mit frischem Metall vermischt und zusammen mit diesem aufgeschmolzen und zu Brammen vergossen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallschrott durch einen elektrischen Lichtbogen geschmolzen wird, der zwischen den Schrottstücken und einer sich nicht aufbrauchenden Elektrode gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Zerteilung der Schmelze zu Tropfen mit Hilfe eines sich schnell drehenden Rades erfolgt.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, mit einem in einer gasdichten Kammer befindlichen Schmelzofen, der mit einer Vorrichtung zur Zufuhr von zu schmelzendem Metallschrott sowie einer Austragsvorrichtung für die Schmelze versehen ist, und mit einer außerhalb des Schmelzofens angeordneten Einrichtung zum Zerteilen der Schmelze in Tröpfchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel des Schmelzofens (12) zur Bildung einer erstarrten Metallschmelzenhaut (S) mit einer Kühlvorrichtung (16) versehen ist, daß die Schmelzaustragungsvorrichtung des Ofens einen Überlauf (33) aufweist, der sich über die Schmelzenzerteileinrichtung (38) in Form eines rotierenden Rades erstreckt, und daß unterhalb des rotierenden Rades eine Austragsschurre für die durch die Zerteilung der Schmelze erzeugten erstarrten Schmelzenteilchen angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzofen mit einer nicht aufbrauchbaren Elektrode (26) für den Schmelzvorgang versehen ist, die sich durch die obere Wand der Kammer (10) erstreckt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerteilereinrichtung einen Motor (34) aufweist, von dem sich aus eine Welle (36) nach oben erstreckt, an der das Rad (38) auf einer senkrechten Achse drehbar befestigt ist, welches radiale Speichen (39) aufweist, die am Radumfang geöffnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich unterhalb des Rades (38) innerhalb der Kammer (10) eine geneigte Austragsschurre (35) befindet, die außerhalb der Kammer mit Luftschleusen (48,49) versehen ist