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Diese Erfindung bezieht sich auf einen verbesserten Zerstäuber zum Versprühen
geschmolzenen Metalles und mehr im besonderen auf einen solchen Zerstäuber, der besonders geeignet ist
zum Versprühen eines gereinigten, geschmolzenen Metalles aus einer Reinigungs- bzw.
Raffinierungskammer oder Schmelzkammer. Ein Zerstäuber zum Versprühen geschmolzenen Metalles wird
benutzt, um einen dünnen Strom geschmolzenen Metalles aus der Schmelzkammer in einen
expandierenden Metall-Sprühnebel aus kleinen Tröpfchen geschmolzenen Metalles umzuwandeln, die auf
einen geeigneten Kollektor auftreffen und sich dort unter Bildung eines großen Metallbarrens oder
anderen Gegenstandes erwünschter Metall-Charakteristika abscheiden.
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Ein Beispiel des Reinigens geschmolzenen Metalles ist als Elektroschlacken-Reinigen
bezeichnet und in der US-PS 5,160,532 - Benz et al., die auf die vorliegenden Anmelderin übertragen
ist, veranschaulicht und beschrieben.
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Bei einem Elektroschlacken-Verfahren kann ein großer Block eines bevorzugten Metalles
wirksam in einem geschmolzenen Zustand unter Entfernung wichtiger Verunreinigungen, wie
Oxide und Sulfide, die in dem Block vorhanden gewesen sein können, gereinigt werden. Einfach
gesagt, umfaßt das Elektroschlacken-Reinigen einen Metallblock, der über einem Bad
geschmolzenen Metalles in einem geeigneten Gefäß oder Ofen angeordnet ist, wobei das Bad geschmolzenen
Metalles eine Oberflächenschicht aus fester Schlacke, eine benachbarte Unterschicht aus
geschmolzener Schlacke und einen untersten Körper aus gereinigtem, geschmolzenem Metall einschließt.
Der Block ist als eine Elektrode in einer elektrischen Schaltung verbunden, die das Bad
geschmolzenen Metalles, eine Quelle elektrischer Energie und den Block einschließt. Der Block wird in
Kontakt gebracht mit der geschmolzenen Schlackenschicht, und es fließt ein starker elektrischer Strom
über die Grenzfläche zwischen dem Block und der geschmolzenen Schlacke. Diese Anordnung und
dieses Verfahren verursacht das elektrische Widerstandserhitzen und Schmelzen des Blockes an
der angegebenen Grenzfläche, wobei das geschmolzene Metall des Blockes durch die geschmolzene
Schlackenschicht, als einem Reinigungsmedium, hindurchtritt und ein Teil des Körpers gereinigten
Blockmetalles wird. Es ist die Kombination des kontrollierten Widerstandsschmelzens und des
Durchtritts geschmolzenen Blockmetalles durch die geschmolzene Schlackenschicht, die das
Blockmetall unter Entfernung von Verunreinigungen, wie Oxiden, Sulfiden und anderen unerwünschten
Einschlüssen, reinigt.
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Beim Metall-Sprühen wird ein dünner Strom gereinigten, geschmolzenen Metalles aus dem
Ofen konzentrisch durch einen Zerstäuber zum Versprühen geschmolzenen Metalles geführt, der
allgemein eine geschlossene, periphere Leitung um eine zentrale Öffnung umfaßt. Die Leitung ist
mit einer Gaseinlaß-Einrichtung und mehreren Austritts-Einrichtungen für einen Gasstrahl
ausgerüstet. Ein Inertgas wird der Leitung unter Druck zugeführt, um durch die Gasstrahlen in
konvergierenden Strömen auszutreten, die auf den hindurchgehenden Metallstrom auftreffen, und den
Metallstrom in ein sich allgemein expandierendes Sprühmuster aus kleinen geschmolzenen
Metalltröpfchen umwandeln oder aufbrechen. Dieses Sprühmuster trifft auf eine geeignete
Kollektoroberfläche auf und scheidet sich dort unter Bildung eines Metallbarrens oder anderen
Metallgegenstandes ab.
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Beste Ergebnisse werden erhalten, wenn das Sprühmuster geschmolzenen Metalles aus der
Zerstäuber im Winkel, statt senkrecht, gegen den Kollektor oder den Vorformgegenstand gerichtet
wird. Ein Auftreffen im Winkel ergibt eine verbesserte Abscheidungs-Wirksamkeit sowie eine
verbesserte Dichte und ein verbessertes Gefüge des Vorformmetalles. Einige Kollektor-Vorformen
haben jedoch eine Größe und Gestalt, die es erfordern, daß das Sprühmuster in größeren Winkeln
darauf gerichtet wird, und es sind gewisse Einrichtungen erforderlich, die nicht nur einen
vertikalen Strom geschmolzenen Metalles in ein Sprühmuster umwandeln, sondern dieses auch im Winkel
richten oder das Sprühmuster auf diese größeren Winkel für ein entsprechendes Auftreffen im
Winkel gegen verschiedene Kollektor-Vorformen einstellen.
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Die Erfindung schafft daher einen Zerstäuber zum Versprühen geschmolzenen Metalles, wie
er in Anspruch 1 definiert ist. Der Einsatz einer Leitung, die nicht kreisförmig ist, gestattet einen
größeren Bereich der Rotation im Querwinkel ohne den hindurchgehenden Strom geschmolzenen
Metalles zu beeinträchtigen.
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Bei einem Verfahren zum Reinigen geschmolzenen Metalles läßt man einen Strom
geschmolzenen Metalles konzentrisch durch einen versprühenden Zerstäuber hindurchgehen.
Mehrere Gasstrahlen von der Leitung konvergieren auf dem hindurchgehenden Metallstrom und
brechen diesen zu einem Sprühmuster kleiner Tröpfchen geschmolzenen Metalles zur Abscheidung auf
einer Kollektor- oder Vorform-Oberfläche auf. Die Leitung ist in Querrichtung im Winkel
eingestellt, um das Metall-Sprühmuster im Winkel zu richten. Eine stärkere Winkeleinstellung der
Zerstäuber-Struktur ohne Beeinträchtigung des hindurchgehenden Stromes geschmolzenen Metalles
wird mit einer nicht kreisförmigen, z. B., elliptischen Leitung erzielt, die im Winkel um eine
Nebenachse der Leitungs-Konfiguration eingestellt ist.
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Diese Erfindung wird besser in Verbindung mit der folgenden Beschreibung und Zeichnung
verstanden werden, in der zeigen:
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Fig. 1 eine partielle und schematische Darstellung einer Vorrichtung zum
Elektroschlacken-Reinigen nach dem Stande der Technik mit ihrem versprühenden Zerstäuber aus einem
kreisförmigen Ring,
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Fig. 2 eine vereinfachte schematische Darstellung einer Form eines nicht kreisförmigen
Zerstäubers dieser Erfindung und
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Fig. 3 eine vereinfachte schematische, funktionelle Darstellung eines Vergleiches des
Kreisring-Zerstäubers von Fig. 1 mit einem elliptischen Zerstäuber dieser Erfindung.
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Ein Beispiel einer Ausrüstung zum Reinigen geschmolzenen Metalles, auf die diese
Erfindung vorteilhaft angewendet werden kann, ist das Elektroschlacken-Reinigen, wie es in Fig. 1
veranschaulicht ist.
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In Fig. 1 umfaßt eine Elektroschlacken-Baueinheit 10 einen Schmelzkessel oder -ofen 11,
der während des Betriebes der Baueinheit 10 eine Metallzufuhr 12 aus Blockmetall enthält. Das
zugeführte Metall 12 umfaßt eine Oberflächenschicht 13 aus fester Schlacke, eine benachbarte
Unterschicht 14 aus geschmolzener Schlacke und ein unterstes Bad oder einen Körper 15 aus
gereinigtem Blockmetall. Ein Block aus einem zu reinigenden Metall, wie Block 16, wird in Kontakt mit der
geschmolzenen Schlackenschicht 14 gebracht. Wie in Fig. 1 veranschaulicht, ist der Block 16 als
eine Elektrode in eine elektrische Schaltung einbezogen. Von einer geeigneten Energiequelle 17
wird durch einen Leiter 18 elektrische Leistung dem Block 16 zugeführt. Ein geeigneter,
elektrischer Leiter 19 vom Gefäß 11 zur Quelle 17 vervollständigt den Stromkreis. Ein starker
elektrischer Strom, der über die Grenzfläche des Blockes 16 und der geschmolzenen Schlacke 14 strömt,
erzeugt ein elektrisches Widerstandserhitzen, das zum Schmelzen des Grenzflächenendes des
Blockes 16 genügt. Geschmolzenes Blockmetall dringt durch die geschmolzene Schlacke 14, als
einer Reinigungsprozedur, und wird ein Teil des gereinigten Metallbades 15.
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Am untersten Teil des Gefäßes 11 befindet sich eine geregelte Abzugsöffnung 20, die mit
dem geschmolzenen Metallbad 15 in Verbindung steht. Um das Schmelzen und die Flüssigkeit des
geschmolzenen Metalles 15 benachbart der Öffung 20 sicherzustellen, umgibt eine Spule 21 zum
elektrischen Induktionserhitzen die Öffnung 20 und ist mit einer (nicht gezeigten) geeigneten
Quelle elektrischer Energie verbunden. Dadurch wird ein Strom geschmolzenen Metalles 22 von
der Öffnung 20 durch einen versprühenden Zerstäuber 23 verursacht. In einer Form umfaßt der
Zerstäuber 23 eine hohle, kreisförmige Ringleitung mit einer zentralen Ringöffnung 24, die zur
Aufnahme eines durchgehenden Metallstromes 22 konzentrisch angeordnet ist. Der Zerstäuber 23
schließt auch eine periphere Reihe von Gasstrahlen oder -Öffnungen 25 in einer peripher
zusammenhängend verjüngten oder konischen Kantenoberfläche 26 ein. Der Zerstäuber 23 ist mit einer
(nicht gezeigten) Quelle eines inerten Gases unter Druck verbunden, und die Kombination der
Gasstrahl-Öffnung 25 und der konischen Oberfläche 26 schafft eine Vielzahl von Gasströmen 27,
die in einem stromabwärts liegenden Scheitel auf den hindurchgehenden Metallstrom 22
konvergieren. Die geregelte Wechselwirkung der Gasstrahlen 27 mit dem Metallstrom 22 verursacht das
Aufbrechen des Metallstromes 22 und seine Umwandlung in ein expandierendes Sprühmuster 28
aus kleinen Tröpfchen geschmolzenen Metalles. Das Sprühmuster 28 ist gegen einen Kollektor 29
gerichtet, um, z. B., einen Barren aus gereinigtem Blockmetall oder andere Gegenstände aus
Blockmetall zu bilden. Der Kollektor 29 kann eine festgelegte oder sich bewegende Oberfläche,
einschließlich einer rotierenden Oberfläche, wie die Oberfläche eines rotierenden Zylinders oder
Dornes, sein. Die Effizienz und Wirksamkeit der Abscheidung von zerstäubtem, geschmolzenem
Metall 28 auf einer Kollektoroberfläche zur Schaffung eines gereinigten Metallgegenstandes wird
erleichtert und verbessert, wenn das Sprühmuster 28 im Winkel zu dem Kollektor eingestellt
werden kann. Die Winkeleinstellung führt auch zu einer verbesserten Dichte und zu einem
verbesserten Gefüge des Produktes aus gereinigtem Metall. Die fortgesetzte und wiederholte
Winkeleinstel
lung kann auch benutzt werden, um eine oszillierende oder abtastende Bewegung des Konverters
zu schaffen. Um die Winkeleinstellung zu schaffen, kann der Zerstäuber 23 für eine
Winkeleinstellungs-Rotation um eine Querachse montiert werden, so daß die Ebene des Ringes nicht senkrecht
zum Metallstrom 22 liegt. Durch Montieren des Zerstäubers 23 zur Winkeleinstellungs-Rotation
kann das definierte Sprühmuster 28 auch vorteilhafter an verschiedene
Oberflächen-Konfigurationen des Kollektors 29 angepaßt werden, verglichen mit einem nicht einstellbaren Ring, bei dem
das Sprühmuster fixiert auf einen begrenzten Bereich des Kollektors gerichtet ist, ein Zustand, der
ein komplexes, einstellbares Montieren eines Kollektors erfordern kann, der, z. B., von 5,0 bis 15
Tonnen wiegen kann. Ein einfaches und bequem einstellbares Montieren für den Zerstäuber 23
kann ein Paar diametral gegenüberstehender, sich radial erstreckender Stützwellen 30 umfassen,
von denen nur einer in Fig. 1 mit dem Zerstäuber 23 dazwischen gezeigt ist.
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Es gibt definierte Grenzen hinsichtlich des Grades der Winkeleinstellung des Zerstäubers
23. So ist, z. B., der Metallstrom 22 ein glatter, zusammenhängender Strom, der konzentrisch durch
den Zerstäuber 23, mit einem vorbestimmten Ringabstand hinsichtlich der Gesamtstruktur des
Zerstäubers 23, tritt, und seine Betriebs-Charakteristika schließen den Gebrauch von Gasstrahlen
aus Öffnungen 25 oder vorspringenden Düsen ein. Bei einem Beispiel hatte der Metallstrom 22
einen Außendurchmesser von etwa 5,0 mm, während der Zerstäuber 23 einen Innendurchmesser
von etwa 30,0 mm aufwies. Wird der Zerstäuber 23 jedoch einstellbar um eine Querachse bis zu
einem extremen Winkel gedreht, dann kann der Ringkörper sich zu sehr dem hindurchgehenden
Strom 22 aus geschmolzenem Metall nähern oder diesen Strom berühren und die Erzeugung der
Metallzerstäubung beeinträchtigen.
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In dieser Erfindung ist der Zerstäuber 23 durch einen Zerstäuber ersetzt, dessen Öffnung
langgestreckt und nicht kreisförmig ist, wie eine elliptische oder ovale Konfiguration. Eine
langgestreckte, eiförmige oder elliptische Öffnung schafft einen ausgedehnten Bereich der
Winkeleinstellung des Zerstäubers 23, während eine befriedigende zentrale Öffnung für den hindurchgehenden
Metallstrom und das Zerstäuben beibehalten werden.
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Eine schematische Darstellung eines Zerstäubers dieser Erfindung mit nicht kreisförmiger
Öffnung findet sich in Fig. 2.
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In Fig. 2 umfaßt ein Zerstäuber 31 dieser Erfindung eine hohle, rohrförmige Leitung, die
eiförmig ausgebildet ist und eine zentrale, langgestreckte Öffnung 32 bildet, die, z. B., elliptisch ist,
verglichen mit der kreisförmigen Öffnung 24 von Fig. 1.
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Der Zerstäuber 31 ist mit diametral gegenüberliegenden Schäften 33 versehen und wird
dadurch gestützt, so daß der Zerstäuber 31 um die gemeinsame Achse der Schäfte 33, d. h. um eine
Quer- und Nebenachse der elliptischen Öffnung 32, gedreht werden kann. Eine oder beide Schäfte
33 können hohl oder rohrförmig sein, um auch als Leitungen für die Gaszufuhr zum Zerstäuber 31
zu dienen. In der vorliegenden Erfindung ersetzt der Zerstäuber 31 der Fig. 2 der Zerstäuber 23
der Fig. 1, und die kreisförmige Öffnung 24 der Fig. 1 ist durch die nicht kreisförmige Öffnung
32 der Fig. 2 ersetzt.
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Die Fähigkeit, die Richtung des Sprühmusters 28 aus geschmolzenem Metall selektiv
einzustellen, ergibt eine größere Auswahl in der Position und Art des eingesetzten
Kollektor-Gegen
standes. Um, z. B., große Biegemomente in entsprechend großen Barren, die, z. B., 9072 kg (20.000
lbs.) erreichen, zu vermeiden, ist es erwünscht, den Barren in einer vertikalen Position zu
orientieren. Gewöhnlich nimmt die übliche Struktur zum Metallschmelzen, wie die
Elektroschlacken-Baueinheit 10, Fig. 1, ebenfalls eine vertikale Position ein und liefert einen vertikalen Schmelzstrom
22. Es sind daher einige Einrichtungen erforderlich, um eine ausgedehnte Winkel-Einstellbarkeit
für den Zerstäuber 23, Fig. 1, zu schaffen, um das Sprühmuster 28 in selektiv vorteilhaften
Winkeln auf ein vertikale Barren-Vorform zu richten. Die langgestreckte, ovale oder elliptische
Öffnung im Zerstäuber 31 dieser Erfindung dient als diese Einrichtung. Sehr große und mühsame
Vorformen können in einer vertikalen Position angeordnet werden, in der Biegemomente minimal
sind, und sie können einem vorteilhaft gerichteten Sprühmuster ausgesetzt werden.
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Mit einem vorbestimmten maximalen Einstellungs-Winkel des Zerstäubers 31 geht der
Metallstrom 22 weiter durch die Öffnung 32 ohne eine Wechselwirkung zwischen Zerstäuber und
Strom, die bei einer kreisförmigen Öffnung beim gleichen Einstellungs-Winkel leicht auftreten
könnte. Ein funktioneller Vergleich der beiden Arten von Öffnungen ist in Fig. 3 gezeigt.
Wie Fig. 3 zeigt, verläuft der Strom 22 geschmolzenen Metalles der Fig. 1 durch einen
Zerstäuber 31 (Fig. 2) dieser Erfindung, um in ein Sprühmuster 28 aus geschmolzenem Metall
(Fig. 1) umgewandelt zu werden. Wie in Fig. 3 veranschaulicht, ist der Zerstäuber 31 der Fig.
2 im Winkel um eine Querachse einstellbar, so daß er aus der Perspektive des Betrachters aus einer
horizontalen Position gekippt ist. Der maximale Einstellungs-Winkel wird ohne Beeinträchtigung
zwischen dem Zerstäuber und dem hindurchgehenden Strom aus geschmolzenem Metall erzielt,
weil die langgestreckte Öffnung 32 im Zerstäuber 31 eine größere Winkel-Einstellung gegenüber
einem Kreisring gestattet. So repräsentieren, z. B., in Fig. 3 die gestrichelten Linien 34 im
Zerstäuber 31 den inneren Durchmesser eines kreiförmigen Ringes, z. B. des Ringes 23 der Fig. 1,
während die durchgezogenen Linien 35 die Grenze der Hauptachse der elliptischen Öffnung 32 des
Zerstäubers 31 dieser Erfindung repräsentieren. Die genannten gestrichelten Linien zeigen auch
bei dem dargestellten maximalen Einstellungs-Winkel den Kontakt eines kreisförmigen Ringes mit
dem Strom 22 aus geschmolzenem Metall in der Region 36, und sie zeigen deutlich, daß beim
gleichen Einstellungs-Winkel keine Beeinträchtigung zwischen Zerstäuber und Metallstrom für den
Zerstäuber 31 dieser Erfindung festgestellt wird. Gleichzeitig ergibt die ovale oder elliptische
Öffnung 32 genügend Abstand für den Strom 22 geschmolzenen Metalles zur Schaffung einer
Gasstrahl-Aufprall- oder -Zerstäubungs-Zone 37 für in Sprühmuster 28 aus geschmolzenem Metall
größerer Winkel-Einstellung oder Ablenkung. Wie in Fig. 3 veranschaulicht, ist eine größere
Verlängerung nicht erforderlich, um den Nutzen der Vergrößerung des Winkels der Einstellung
ohne Beeinträchtigung zwischen Zerstäuber und Metallstrom zu erzielen. Folglich schafft der
Zerstäuber dieser Erfindung einen maximalen Vorteil, wo der verfügbare Raum bei einem
Minimum liegt. Der ovale oder elliptische Zerstäuber 31 (Fig. 2) ist zur Winkeleinstellungs-Rotation
um die Nebenachse einer elliptischen Öffnung 32, d. h. über die beiden dargestellten Wellenträger
33, abgestützt, um einen maximalen Vorteil von dem ausgedehnten Bereich der Einstellung zu
erzielen, der durch die elliptische Konfiguration der Öffnung 32 geschaffen wird. Es können
ver
schiedene Rotations-Einstellungs-Einrichtungen an einer oder beiden Wellen 33 für elektrische
oder mechanische Fernbedienung angebracht werden.
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Andere nicht kreisförmige Konfigurationen können für einen Zerstäuber auch benutzt
werden. Allgemein ausgedrückt, umfaßt die nicht kreisförmige, langgestreckte Öffnung 32, die z. B.
elliptich ist, den Zerstäuber 31, bei dem die radiale Abmessung vom Metallstrom 22 oder dem
Zentrum der Öffnung zur Zerstäuber-Peripherie variiert, da die Peripherie den hindurchgehenden
Metallstrom 22 einkreist und eine querverlaufende Nebenachse der Öffnung bildet, wo der Abstand
zwischen dem Zerstäuber 31 und dem Metallstrom 22 geringer ist, als der Abstand zwischen dem
Zerstäuber 31 und dem Metallstrom 22 entlang anderer Achsen der Öffnung 32. So bildet, z. B., die
Variation der längeren und kürzeren radialen Abmessungen eine Achse entlang einer kürzeren
radialen Abmessung, die als Neben- oder Querachse bezeichnet werden kann, um die der Zerstäuber
winkelmäßig einstellbar rotiert werden kann.
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Diese Erfindung schafft einen verbesserten Zerstäuber zum Sprühen zur Umwandlung
eines Stromes geschmolzenen Metalles, der den Zerstäuber passiert, in einen Sprühkegel
geschmolzenen Metalles. Eine langgestreckte Öffnung im Zerstäuber sorgt für eine größere
Winkel-Einstellung des Sprühmusters für eine erhöhte Wirksamkeit der Sprühabscheidung. Eiförmige und andere
langgestreckte Öffnungs-Konfigurationen können als Haupt- und Nebenachsen-Abmessungen
aufweisend angesehen werden, von denen eine länger ist als die andere, was in einer Richtung
mehr Abstand für den durchgehenden Metallstrom bildet als in der gleichen Richtung, wenn der
Ring um 90º axial gedreht wäre.