-
Verfahren zur Behandlung von geschmolzenen Metallen Die Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren zur Behandlung von geschmolzenen Metallen.
-
Bei den üblichen Raffinationsverfahren von geschmolzenen Metallen,
z. B. bei der Entgasung, Entschwefelung, Entphosphorung und bei der Entfernung von
Sauerstoff, Kohlenoxyden, Wasserstoff, Stickstoff und beständigen Oxyden, werden
verschiedene Verbindungen, Metalle, Metalloide und Metallsalze verwendet. Unter
diesen seien z. B. Silicium, Beryllium, Titan, Aluminium, Zirkonium, Vanadium, Bor,
Phosphor, Arsen, Aluminiumchlorid, Borchlorid, Bornitrid, Titanchlorid, Natriuinsulfid,
Natriumnitrat und Calciumborid, Kohlendioxyd, Wasser, Alkali- und Erdalkalimetalle
einschließlich der in folgender Tabelle wiedergegebenen Metalle genannt. In dieser
Tabelle sind die Schmelzpunkte, Siedepunkte und die spezifischen Gewichte dieser
Metalle wiedergegeben.
| Schmelz Siede- Spezifisches |
| punkt |
| punkt |
| Gewicht |
| Barium 8501 11400 3,5 |
| Calcium 8100 1439° 454 |
| Lithium 186,° 13360 0,534 |
| Magnesium 6510 11100 1,74 |
| Kalium 6a,30 76o0 o,86 |
| Natrium 97,50 88o0 0,971 |
| Strontium 7520 1150 1 a,6 |
Die Schwierigkeiten, Raffinationsmittel von geringerem spezifischem Gewichtund/oder
niedrigerem Siedepunkt als denen des zu behandelnden Metalls diesem zuzusetzen,
sind seit langem bekannt, und wirksame Verfahren, diese Zusätze zuzufügen, waren
bisher unbekannt.
Eine der Schwierigkeiten besteht u. a. darin,
daß das zugesetzte Material infolge seines bei der Badtemperatur geringeren spezifischen
Gewichtes als das des zu behandelnden Materials auf der Oberfläche des Bades verbleibt
und daher die Masse des zu behandelnden Materials nicht erreicht. Versuche, diese
Schwierigkeiten zu überwinden, bestanden darin, daß man das Zusatzmittel am Ende
eines Stabes anbrachte und diesen in das geschmolzene Metall eintauchte, wodurch
das Mittel unter die Oberfläche des Metallbades gestoßen wurde. Dies ist außerordentlich
gefährlich, insbesondere wenn das Zusatzmittel sehr reaktionsfähig ist.
-
Es sind auch feste, mit einem Kern versehene Metallstücke von der
wesentlichen Zusammensetzung des geschmolzenen Metallbades verwendet worden, bei
denen die Kerne aus dem Zusatzmittel bestanden. In diesem Falle wird der zusammengesetzte
Körper genügend schwer gewählt, so daß dieser unter die Oberfläche des Metallbades-
sinkt, in der Erwartung, daß er dort das Zusatzmittel freigibt. Dieser Wunsch ging
jedoch nicht in Erfüllung. Falls das mit einem Kern versehene Metallstück nach außen
offen ist, z. B. bei einem offenen Rohr, wird der größere Teil der Beschickung entbunden,
während das Metallstück nur bis zu einer merklichen Tiefe herabgesunken ist. Falls
das mit einem Kern versehene Metallstück im wesentlichen geschlossen ist, wie z.
B. bei einem zugestopften oder auf andere Weise verschlossenen Rohr, wobei man auf
die Auflösung des Metallkörpers durch das geschmolzene Metallbad zur Entbindung
der Beschickung rechnete, so findet die Entbindung im wesentlichen auf der Oberfläche
des Bades statt. Dies kommt daher, daß beim Auflösen des zusammengesetzten Körpers
in dem Metallbad das Verhältnis der Höhlung zu dem zusammengesetzten Körper einen
Punkt erreicht, bei dem ein weiteres Sinken nicht mehr stattfindet. Da ein Teil
des Körpers des Metallstikckes sich aufgelöst hat, beginnt der zusammengesetzte
Körper an die Oberfläche des Metallbades zu steigen. Nachdem sich ein genügender
Teil des Metalls des zusammengesetzten Körpers unter Freilegen des Zusatzmittels
oder unter Entbindung desselben aufgelöst hat, ist der noch verbliebene zusammengesetzte
Körper im wesentlichen an die Oberfläche des Metallbades gestiegen.
-
Gegenstand der Erfindung ist u. a. ein Behälter, der ein Zusatzmittel
in einer geeigneten Höhe unter der Oberfläche des geschmolzenen Metallbades freigibt.
-
Die Erfindung betrifft ferner einen Behälter mit einem zeitlich abschmelzenden
Mittel, das das Zusatzmittel an das Metallbad abgibt, bevor sich der Körper des
Behälters vollständig aufgelöst hat.
-
Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit
den Zeichnungen erläutert, die bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung darstellen:
Fig. i stellt einen senkrechten Schnitt durch einen offenen Behälter gemä& der
Erfindung dar; Fig.2 ist ein senkrechter Schnitt durch einen gefüllten, hermetisch
geschlossenen Behälter gemäß der Erfindung; Fig. 3 und 3 b zeigen senkrechte Schnitte
durch eingeschnittene Verschlußscheiben für einen Behälter gemäß der Erfindung;
Fig. 4 ist eine Draufsicht der Vorrichtung gemäß der Fig. i ; Fig. 5 und 5 b sind
teilweise Schnitte einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Behälters;
Fig. 6 ist ein Teil eines Schnittes einer anderen Ausführungsform des Behälters;
Fig. 7 ist eine Ansicht des in Fig. 6 dargestellten Behälters von unten; Fig.8 stellt
eine Ansicht einer anderen eingeschnittenen Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Behälters von unten dar; Fig. 9 ist ein Schnitt, der das Verschließen einer bevorzugten
Form des Behälters gemäß der Erfindung zeigt; Fig. io ist ein senkrechter Schnitt
`durch eine andere Ausführungsform der Erfindung, die mit einem Schmelzstopfen versehen
ist; Fig. ii ist eine Draufsicht des in Fig. io gezeigten Behäiters.
-
Der erfindungsgemäße Behälter ist mit einem zeitlich abschmelzenden
Mittel versehen, das aus einem löslichen, zwischen der Höhlung und der äußeren Fläche
des Behälters sich erstreckenden Material von einer vorbestimmten Dicke besteht,
das vor dem Schmelzen des Behälters schmilzt. Die vorher bestimmte Dicke des abschmelzenden
Materials wird £itr ein gegebenes Metallbad und für die Kombination von Materialien
so gewählt, daß es im wesentlichen sich nicht eher auflöst als zu dem Zeitpunkt,
an dem der Behälter bis auf eine geeignete Höhe innerhalb des Metallbades gesunken
ist, und nicht später als zu dem Zeitpunkt, an dem der Körper des Behälters sich
bis zu einem Grade aufgelöst hat, bei dem das Steigen des Behälters an die Oberfläche
des Metallbades bewirkt wird.
-
In den Fig. i bis 4 stellt i den Körper des Behälters dar, der eine
beliebige Form haben kann. Vorzugsweise wird jedoch eine im wesentlichen zylindrische
Form des Behälters verwendet. Ein zentral gelegener Hohlraum 2 ist vorgesehen, der
auf den mit Vertiefung versehenen Teil 3 ausgeht. Der konische Boden 2a der Höhlung
macht ioo/o des Volumens der Höhlung aus. Die Menge des in den Hohlraum eingebrachten
Kernmaterials füllt diesen nicht vollständig aus. Da viele verwendete Kernmaterialien
höhere Ausdehnungskoeffizienten als das feste Material haben, aus dem der Behälter
hergestellt ist, war es notwendig, einen Raum zur Ausdehnung vorzusehen. Das Verfahren,
den konischen Boden als Expansionsraum zu verwenden, ist zweckmäßig, falls die Höhlung
maschinell hergestellt wird. Andere Verfahren, Räume zur Ausdehnung des Kernes vorzusehen,
bestehen z. B. darin, daß der Ausdehnungsraum über oder um das Kernmaterial freigelassen
wird. Der in den Zeichnungen
dargestellte Behälter kann in die gewünschte
Form und in die erforderlichen Ausmaße durch Fräsen, Heißschmieden oder maschinelle
Bearbeitung gebracht werden. Das Zusatzmittel wird in die Vertiefung oder die Höhlung
:2 eingesetzt. Hierauf wird eine Scheibe 4., die den Druck aus dem Innern des Behälters
abhält, aus einem geeigneten Material und von geeigneter Dicke in den '1 eil 3 eingesetzt
(Fig. 2). Dieser Teil weist einen Sitz 5 auf, auf dem die Scheibe q. ruht: Der vertiefte
Teil 3 ist vorzugsweise ringförmig ausgebildet. Beim Verschließen des Behälters
mit dem Zusatzmittel 6 wird ein geeignetes Gerät, wie z. B. ein Stempel 8 der Fig.9,
von einem äußeren Durchmesser, der größer als der Durchmesser des Teiles 3 ist,
auf den Kopf des Behälters gedrückt, wobei aus den Seiten des Teiles 3 der Verschlußring
des versetzten Ketallteiles 7a über der Scheibe q. gebildet wird, um diesen gegen
den Sitz 5 zu drücken und hierdurch einen Verschluß zu bilden. Der Stempel ist von
solcher Größe, und die Tiefe, bis zu der der Stempel gedrückt wird, ist derart,
daß das versetzte Metall? in Fig. 2 über der Scheibe q. genügend dick ist und genügend
übergreift, um den gewünschten Druck auf die Vorrichtung auszuüben. Das Verhältnis
der ursprünglichen Vertiefung zu dem endgültig gebildeten, im wesentlichen ringförmigen
Teil, der durch den Stempel aus den Seiten der Vertiefung gedrückt wurde, wird z.
B. durch die gebrochen gezeichneten Linien der Fig. i dargestellt, die die Scheibe
qb und den übergreifenden V erschlußring 76 wiedergibt.
-
Die Scheibe q. wird gegen den Sitz 5 durch den versetzten Metallteil
? mit einer Kraft gedrückt, die genügt, um einen hermetischen Verschluß der Höhlung
zu bewirken und aufrechtzuerhalten. Der Metallteil? wirkt wie ein Verschlußring,
der die Scheibe q. auf den Sitz 5 und gegen einen inneren Druck hält, der durch
das Zusatzmittel in der Höhlung :2 entsteht. Falls das Zusatzmittel bei der oder
unter der Temperatur des zu behandelnden Metallbades verdampft, ist der innere Druck
beträchtlich. Es muß daher dafür gesorgt werden, daß die Kraft zum hermetischen
Verschließen verhältnismäßig groß ist.
-
An Stelle des in Fig. 2 gezeigten Verschlußringes können andere geeignete
Verschlüsse verwendet werden. So zeigt Fig. 6 z. B. einen mit Gewinde versehenen
Stopfen, der zum Verschließen des Behälters gegen den inneren Druck dienen kann,
der durch das in die Höhlung eingesetzte Zusatzmittel entstehen kann. Wie aus der
Figur ersichtlich, ist der Stopfen 9 auf die Vertiefung des Behälters 12 aufgeschraubt
und drückt im wesentlichen dicht gegen die Schulter ii. Der obere Teil des Stopfens
9, der aus dem Behälter 12 herausragt, hat vorzugsweise die Form einer Sechskantmutter,
um das Allziehen des Stopfens zu bewirken. Bei Verwendung eines verdampfbaren Zusatzmaterials
in einem Behälter, der mit einem mit Gewinde versehenen Stopfen verschlossen ist,
kann es von Vorteil sein, das vorzeitige Entweichen der Dämpfe des Zusatzmittels
durch das Gewinde zu verhindern, indem man dieses mit einem geeigneten geschmolzenen
Metall oder einem anderen Verschlußmaterial, z. B. einer keramischen Masse, verschließt,
die nicht für das zu behandelnde Metallbad schädlich ist.
-
In der Darstellung der Fig.2 besteht das zeitlich abschmelzende Mittel
aus dem frei liegenden Teil 4.a der Scheibe q.. Beim Tauchen in ein Metallbad löst
sich der frei liegende Teil der Scheibe allmählich derart auf, wie es z. B. durch
die gestrichelt gezeichneten Linien angedeutet ist.
-
Die Scheibe löst sich allmählich derart auf, daß im wesentlichen die
Höhlung freigelegt wird. Das Kernmaterial 6 kann hierauf mit dem geschmolzenen Metall
des Bades reagieren. Falls ein innerer Druck innerhalb der Höhlung entstanden ist,
insbesondere bei Verwendung eines bei der Badtemperatur verdampfbaren Materials,
tritt ein Bruch der dünngewordenen Scheibe vor ihrer vollständigen Lösung ein.
-
An Stelle einer massiven Scheibe q. kann eine eingeschnittene Scheibe,
wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, mit einem Einschnitt 14 verwendet werden. In
diesem Falle besteht die Masse, die das zeitlich abschmelzende Mittel bildet, aus
dem oberen Teil des Einschnittes. Nur eine verhältnismäßig geringe Menge des Scheibenmaterials
braucht sich in diesem Falle zu lösen, um das Kernmaterial über den Einschnitt 14
in Freiheit zu setzen. Die Verwendung eines Einschnittes hat den zusätzlichen Vorteil,
daß es möglich ist, die Art und die Größe der Öffnung des Behälters zu regeln. Dies
ist insbesondere von Vorteil bei Verwendung von Zusatzmitteln, die bei der Temperatur
des Metallbades verdampft werden. In einem solchen Falle ist eine allmähliche geregelte
Entbindung der Dämpfe des Zusatzmittels erwünscht. Eine derartige Entbindung verläuft
normalerweise unter verhaltnismäßig hohem Druck. In diesem Falle wird vorzugsweise
eine Düse vorgesehen, die sich bei der Auflösung des darüberliegenden Materials
öffnet, und vorzugsweise ein Einschnitt von genügender Tiefe gewählt, damit nicht
die Düsenöffnung unzweckmäßig durch die Wirkung des geschmolzenen Metallbades und/
oder des Dampfdruckes innerhalb der Höhlung des Behälters verzogen wird. Dies wird
z. B. durch die verhältnismäßig langen und engen Einschnitte 23 und 2q. der Fig.
3 b und 5 b bewirkt. Das erfindungsgemäße, zeitlich abschmelzende Mittel ist jedoch
nicht auf die Verschlußmaßnahmen beschränkt. Dieses kann in einem anderen Teil des
Behälters oder durch diesen selbst verwirklicht werden. In Fig. 5 wird beispielsweise
gezeigt, wie ein geeigneter ringförmiger Einschnitt 15 in dem Boden einer konischen
Aushöhlung angebracht ist. Dieser Einschnitt läßt nur eine verhältnismäßig dünne
Schicht des löslichen Materials übrig. Wenn der Körper 16 dieses Behälters anfängt,
sich aufzulösen, wird die Masse des löslichen, über dem Einschnitt 15 liegenden
Materials rasch bis zu einem Punkt dünn, an dem der Einschnitt die Öffnung zu der
Höhlung beträchtlich vor der Zeit freigibt, an dem die Auflösung des Körpers des
Behälters stattfindet.
Eine weitere Ausführungsform des zeitlich
abschmelzenden Mittels wird in den Fig.6 und 7 wiedergegeben. In diesen besteht
der Boden der Behälter 17 aus einem ringförmigen Einschnitt 18, der im wesentlichen
mit dem unteren Teil der Höhlung ig übereinstimmt. Auch in diesem Falle bewirkt
das Auflösen einer verhältnismäßig .geringen Menge des Körpers z2 des Behälters
ein Öffnen durch den Einschnitt 18 zu der Höhlung, üm eine wirksame Berührung zwischen
dem Kern und dem, geschmolzenen Metall des Bades zu bewirken.
-
An Stelle des im wesentlichen ringförmigen Einschnittes ist es manchmal
vorteilhaft und für ein gleichmäßigeres Freilegen der Höhlung wünschenswert, einen
im wesentlichen spaltförmigen Einschnitt vorzusehen. Dies wird z. B. in Fig. 8 dargestellt,
in der ein spaltförmiger Einschnitt i8a gezeichnet ist, der im wesentlichen mit
dem unteren Teil der Höhlung i 9a übereinstimmt.
-
Das zeitlich abschmelzende Mittel kann aus einem beliebigen Material,
vorzugsweise einem Metall bestehen. Das lösliche Material kann aus demselben Material
des. Behälters oder aus dem Material des Behälterverschlusses oder gegebenenfalls
aus beiden bestehen.
-
Gemäß: einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann das zeitlich
abschmelzende Mittel die Form eines Stopfens aus einem schmelzbaren Material, wie
er in Fig. io und ii dargestellt ist, haben. Bei dieser Ausführungsform endet der
konische Boden 2a in einem röhrenförmigen Kanal 31, der seinerseits mit einer Öffnung-32
verbunden ist. Der Kanal 3 r und die Öffnung 32 bilden zusammen eine Öffnung, die
sich von der Höhlung :2 bis .zum Äußeren des Behälters i erstreckt. Die Öffnung
32 wird mittels eines Stopfens 33 aus einem schmelzbaren Material geschlossen, vorzugsweise
aus Metall mit einem Schmelzpunkt, der über dem Schmelzpunkt des zugesetzten Materials
liegt und vorzugsweise unter dem Siedepunkt dieses Materials. Der abschmelzbare
Stopfen ist dazu bestimmt, das Zusatzmetall- in Freiheit zu setzen, sobald der Behälter
eine Temperatur, die dem Schmelzpunkt des Zapfenmaterials entspricht, erreicht hat
und bevor die Masse des Behälters irgendeine Veränderung infolge des Auflösen s
der äußeren Hülle oder des Erreichens der Temperatur des Metallgases aufweist und
bevor der Siedepunkt des zugesetzten Metalls einen inneren Druck verursachen kann,
der den Behälter mit explosiver Gewalt sprengen kann.
-
Infolge der Bedingungen im Innern des Metallbades oder im Falle, daß
der Behälter auf seinem Boden landet, so daß, die Öffnung 32 nach unten gerichtet
ist, kann der Behälter wie eine Rakete nach oben auf die Oberfläche des Schmelzbades
getrieben werden. Es ist daher zweckmäßig, einen zweiten schmelzbaren, im wesentlichen
gegenüber dem ersten angeordneten Stopfen vorzusehen, und für diesen Zweck wird
vorzugsweise die Scheibe 4 mit einer Öffnung 34 versehen, die ebenfalls durch einen
abschmelzbaren Stopfen 35, der vorzugsweise aus Metall besteht, verschlossen-wird.
Dieses Metall hat einen Schmelzpunkt über dem des zugesetzten Metalls und vorzugsweise
einen Siedepunkt unterhalb desselben.
-
Bei dieser Ausführungsform wird der Behälter und die Scheibe beim
Behandeln von Eisen oder Stahl aus Stahl gebildet. Falls das Zusatzmetall ein Alkalimetall
ist, können die Stopfen 14 und 16 aus Aluminium gebildet werden. Falls das Zusatzmetall
ein Erdalkalimetall ist, bestehen die abschmelzbaren Stopfen 14 und 16 aus Kupfer.
In der Praxis bestehen bei der Behandlung eines Kupfermetallbades der Behälter und
die Scheibe aus Kupfer. Falls das Zusatzmetall ein Alkalimetall ist, können die
abschmelzbaren Stopfen 14 und 16 aus Aluminium gebildet werden, und falls das Zusatzmetall
ein Erdalkalimetall ist, können die abschmelzbaren Stopfen 14 und 16 aus Messing
bestehen, das einen Schmelzpunkt über dem des Erdalkalimetalls und unter dem des
Kupfers hat.
-
In allen Fällen ist darauf zu achten, daß der Behälter oder ein Teil
desselben einschließlich des zeitlich abschmelzenden Mittels im wesentlichen aus
dem gleichen Material wie das des Metallbades bestehen, d. h. aus einem Material,
das mit dem Metall des Bades sich verträgt und dieses nicht schädigt. So kann z.
B. ein gußeiserner Behälter oder ein gußeiserner Teil dieses Behälters für alle
Stahlbäder mit Ausnahme von Stahlbädern mit niedrigem Kohlenstoffgehalt verwendet
werden, und für ein chromhaltiges Stahlbad kann ein Behälter aus einer Chromeisenlegierung
oder ein Teil des Behälters aus dieser Legierung verwendet werden. Normalerweise
bestehen die Behälter und deren Teile einschließlich der Verschliesse und des zeitlich
abschmelzenden Materials aus Metall oder Metalllegierungen und vorzugsweise aus
demselben Metall oder aus einer Legierung, die im wesentlichen von gleicher Zusammensetzung
wie das Metall des Bades ist.
-
Falls ein schmelzbares Material für das zeitlich abschmelzende Mittel
gewählt wird, das einen niedrigeren Schmelzpunkt oder eine größere Auflösungsgeschwindigkeit
als das Material des Körpers des Behälters hat, ist es möglich, -die Zeit,
bis zu der der Kern freigelegt wird, abzukürzen oder eine größere Dicke des Materials
zur Verstärkung oder aus anderen Gründen zu verwenden. Falls ein Material mit einem
höheren Schmelzpunkt oder niedrigerer Auflösungsgeschwindigkeit als das Material
des Körpers des Behälters gewählt wird, ist eine geringere Dicke des Materials erforderlich,
andernfalls wird ein verzögertes Freilegen des Kernes gegenüber dem Metallbad bewirkt
werden.
-
Um ein sicheres Untertauchen des Behälters zu gewährleisten, mu@ß,
das auf ioo bezogene Volumverhältnis der Kernhöhlung im wesentlichen kleiner sein
als
In dieser Formel bedeutend, das spezifische Gewicht des Metalls des Behälters in
festem Zustand und de das spezifische Gewicht des Metalls des
I:ell:ilters
bei sehleill -'#,cllmelzpulllct. @@-'elin infolge der allmählichen Auflösung des
Behälters in dem Metallbad das auf ioo bezogene Volumverhältnis der Ilölilung einen
Wert erreicht, der größer ist als dei- obengenannte, so beginnt der Behälter zu
steigen. Das abschmelzende Material soll sich daher zum Freilegen der Höhlung oder
des Kernes im wesentlichen vor diesem Punkt auflösen. Andererseits muß. die Dicke
des sich auflösenden Materials so groß sein, daß dieses sich nicht im wesentlichen
vor der Zeit auflöst, die zum Sinken des Behälters in eine gewisse Tiefe des Metallbades
zu seiner wirksamen Behandlung erforderlich ist.
-
Die maximale Masse des zeitlich abschmelzenden Materials zur Freilegung
des Kernes soll zum Kern in einem solchen Verhältnis stehen, daß die Summe der Gewichte
des Kernmaterials und des abschmelzenden Materials nicht größer als die Gewichtsdifferenz
zwischen dem Gewicht des Behälters und dem des durch den Behälter verdrängten Volumen
des Metalls des Bades ist. Falls die Summe der Gewichte kleiner als die besagte
Gewichtsdifferenz ist, würde das abschmelzende Material genügend groß sein, um das
auf ioo bezogene Volumverhältnis der Kernhöhlung, wie es in der obigen Formel ausgedrückt
ist, bis zu einem Punkt auszugleichen, an dem der Behälter zu steigen beginnen würde,
bevor ein genügendes Freilegen des Kernmaterials erreicht ist. Diese Möglichkeit
jedoch ist normalerweise nur dann kritisch, wenn das abschmelzende Material aus
einer verhältnismäßig großen Masse des Materials vom niedrigeren Schmelzpunkt oder
größerer Auflösungsgeschwindigkeit als das des Behälters besteht.
-
Über die Festigkeit und Dehnbarkeit vieler Gebrauchsmetalle bei Temperaturen
dicht unterhalb ihrer Schmelzpunkte ist nur wenig bekannt. Auch über die Auflösungsgeschwindigkeit
fester Metallstücke in geschmolzenen Metallbädern von im wesentlichen ähnlicher
Zusammensetzung bei verschiedenen Temperaturenüberihren Schmelzpunkten ist ebenfalls
wenig bekanntgeworden. Aus diesem Grunde ist es nicht möglich, für eine gegebene
Kombination die Dicke des zeitlich abschmelzenden Materials im voraus zu berechnen.
Diese kann jedoch empirisch für jede Kombination bestimmt werden. Eitle derartige
empirische Bestimmung kann z. B. durch Herstellung einer Anzahl Behälter durchgeführt
«-erden, die mit dem gewünschten Zusatzmittel gefüllt werden und die alle mit Ausnahme
der Dicke des -zeitlich abschmelzenden Materials i@l@#nt;ch sind, die in jedem einzelnen
Falle geändert wird.
-
Bei dein, in Fig. 2 dargestellten Behälter z. B. wird jeder Behälter
mit einer im wesentlichen massiven Scheibe versehen, aber die Dicke der @rlleille
wird in jedem einzelnen Falle geändert. Die verschiedenen Behälter werden dann einzeln
durch Einsetzen in ein Bad des zu behandelnden Metalls geprüft. Falls eilte turbulente,
örtliche Reaktion unter Spritzen beobachtet wird, wobei die Oberfläche des Metallbades
aufwallt, hat das Freilegen des Kernmaterials an oder nahe der Oberfläche des Metallbades
stattgefunden. Falls andererseits das Aufwallen der Badoberfläche allmählich und
regelmäßig vonstatten ging, hat das Freilegen des Kernmaterials in einer für die
Behandlung wirksamen Tiefe des betreffenden Metallbades stattgefunden. Die Dicke
des abschmelzenden Materials, d. h. in diesem Falle die Dicke der Scheibe, die das
obengenannte Aufwallen der Badoberfläche zuletzt bewirkte, ist die richtige Dicke
für diese Kombination. I #a.-; turbulente, örtlich begrenzte, unter Spritzen auftretende
Aufwallen der Metallbadoberfläche zeit an, daißi die Scheibe entweder zu dick oder
zu dünn war. Falls eine zu dünne Scheibe benutzt wurde, findet das Freilegen der
Kernhöhlung statt, bevor der Behälter eine zur Behandlung wirksame Tiefe erreicht
hat, und das Aufwallen der Oberfläche zeigt sich früher als bei der Verwendung einer
Scheibe von richtiger Dicke. Andererseits zeigt ein geringes Aufwallen, das gegenüber
dem des Behälters mit der richtigen Dicke der Scheibe verzögert ist, an, daß, das
Freilegen des Kernes erst stattfand, nachdem der Behälter an die Oberfläche des
Metallbades zu steigen begann.
-
Bei Verwendung einer eingeschnittenen Scheibe oder eines Stopfens
an Stelle der massiven Scheibe, wie erstere in Fig. 3, 3 b, io und i i dargestellt
sind, oder bei Verwendung irgendeines anderen eingeschnittenen oder mit einem Stopfen
verschlossenen Behälters, wie er z. B. in den Fig. 5, 5 b, 6, 7 und 8 dargestellt
ist, wird dasselbe Verfahren zur Bestimmung der richtigen Dicke des abschmelzenden
Materials angewandt wie im Falle der Einschnitte in das feste Material des Behälters,
das über den Einschnitt liegt.
-
Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Behälter, der Scheiben und
der Verschlußringe, wie sie z. B. in den Fig. 2 und 9 dargestellt sind, ist es wichtig,
daß, die Scheibe mittels eines Verschlußringes auf den Sitz mit genügender Kraft
gedrückt wird, um den inneren Druck zu überwinden, der vor dem Freilegen des Kernes
im Innern durch das Zusatzmittel entstehen kann.
-
Gegenstand der Erfindung ist ein hermetisch geschlossener, in einem
Metallbad untertauchender Behälter zur Behandlung von geschmolzenen Metallen mit
einem in einer Höhlung befindlichen Kern aus einem Zusatzmittel und mindestens einem
zeitlich abschmelzenden Mittel, das aus einem Teil des besagten Behälters bestellt,
sich zwischen der Höhlung und der Außenfläche des Behälters befindet und von einer
vorher bestimmten Dicke ist, damit dieses durch das Metallbad innerhalb einer Zeit
aufgelöst wird, die nicht kürzer als die zum Hinabsinken des Behälters in eilte
bestimmte, zur Behandlung wirksame Tief; erforderliche Zeit ist und die nicht länger
als die Zeit ist, bis zu der das auf ioo bezogene Volumverhältnis einen größeren
als der Formel
entsprechenden Wert erreicht. In dieser Formel bedeuten d, das spezifische Gewicht
des Metalls des Behälters im festen Zustand und de das spezifische
Gewicht
des Metalls des besagten Behälters an seinem Schmelzpunkt.
-
Der Druck, der im Innern der Höhlung entstehen kann, hängt von verschiedenen
Faktoren ab, u. a. von der Menge, Art und Beschaffenheit des Zusatzmittels, der
Temperatur des zu behandelnden Metallbades und der Beschaffenheit des Materials
des Behälters und/oder der Scheibe. Die beiden letzten Materialien können z. B.
so beschaffen sein, daß sie bei erhöhten Temperaturen des Metallbades dehnbar werden,
wodurch ein Strecken ermöglicht wird, ohne da@ß, der Verschluß gelockert wird. Wie
oben ausgeführt, ist wenig über die Festigkeit und Dehnbarkeit der Gebrauchsmetalle
bei Temperaturen dicht unterhalb ihrer Schmelzpunkte bekannt. Dasselbe trifft auch
zu auf die Auflösungsgeschwindigkeit von festen Metallstücken in geschmolzenen Metallbädern
von ähnlicher Zusammensetzung bei verschiedenen Temperaturen über ihren Schmelzpunkt.
Es ist auch wenig bekanntgeworden über die Eigenschaften von Dämpfen und insbesondere
von Metalldämpfen. Es ist z. B. unbekannt, in welchem Maße die Metalldämpfe, die
als Zusatzmittel gemäß, der Erfindung geeignet sind, ein- oder mehratomig sind oder
den idealen Gasgesetzen folgen. Aus diesen Gründen ist es nicht möglich, insbesondere
bei Verwendung von Verschlußringen bei Behältern gemäß der Erfindung im voraus den
Druck und die Festigkeit des Verschlusses bei erhöhten Temperaturen zu berechnen
und hierdurch für irgendeine Kombination die Dimensionen des Verschlusses und die
Kräfte, die erforderlich sind, um ein Undichtwerden des Verschlusses zu vermeiden,
zu bestimmen. In allen Fällen muß- jedoch der hermetische Verschluß- die Zeit, die
zur Auflösung des abschmelzbaren Materials und Öffnen der Höhlung innerhalb der
obenerwähnten einschränkenden Bedingungen erforderlich ist, überdauern. Ein befriedigender
Verschluß kann jedoch empirisch für jede Kombination bestimmt werden. So kann z.
B. bei Verwendung der Scheibe und der Verschlußringanordnung, die in Fig. 2 und
q. dargestellt sind, die empirische Bestimmung des erforderlichen Mindestverschlusses
wie folgt durchgeführt werden.
-
Wenn bei dem Verschließen eines Behälters, wie er z. B. in Fig. r
bis 5 dargestellt ist, ein geeignetes Gerät, wie z. B. ein Stempel der Fig. g, verwendet
wird, ist der Verschlußring,- der über der Scheibe gebildet wird (Fig. 2 und 5),
eine direkte Funktion des Durchmessers und der Tiefe der Eindringung des Gerätes
oder des Stempels. Je größer der Durchmesser des Gerätes ist, desto mehr Metall
wird es in einer gegebenen Tiefe der Durchdringung verformen. Je größer die Tiefe
der Durchdringung ist, desto mehr Metall wird gegen die Mitte zu gedrückt, und der
erhaltene Verschlußring wird weniger dick sein. Bei Verwendung eines Gerätes von
gegebener Größe ist es dann nur erforderlich, eine Reihe von gleichen Probebehältern
mit Ausnahme der Verschlußringteile herzustellen, die durch verschiedenes Einstellen
der allmählichen Durchdringung des Gerätes oder Stempels entstanden sind. Diese
Probebehälter werden mit einem Material gefüllt, das im wesentlichen unter der Temperatur
des geschmolzenen Metallbades verdampft. Geeignete Materialien dieser Art sind z.
B: Wasser, ein Alkalimetall, wie Natrium, usw. Die Verwendung eines verdampfbaren
Materials als Probekern ruft einen verhältnismäßig hohen inneren Dampfdruck hervor.
Falls der Verschluß genügend stark ist, um diesen zu widerstehen, widersteht der
Verschluß geringeren inneren Drücken, die durch ein nicht verdampfbares Material
verursacht werden können. Die Festigkeit des Verschlusses wird hierauf geprifft,
indem man die Proben in einen geeigneten Ofen setzt, der im wesentlichen auf einer
Temperatur zwischen 8r5° und der des geschmolzenen Metallbades gehalten wird, wobei
die Temperatur von dem verwendeten Kern abhängt. Falls ein Kernmaterial mit einer
verhältnismäßig hohen Verdampfungstemperatur, z. B. N_ atrium, verwendet wird, muß,
die Prüftemperatur bei oder nahe dem Schmelzpunkt des zu behandelnden Metalls liegen.
Andererseits, falls ein Kernmaterial mit einer verhältnismäßig niedrigen Verdampfungstemperatur,
z. B. Wasser, verwendet wird, kann die Prüftemperatur niedriger sein. Aus diesem
Grunde wird Wasser als Kernmaterial zur Bestimmung der Verschlußfestigkeit empfohlen,
und normalerweise genügt eine Ofentemperatur zur Prüfung zwischen 925 und
zogö°, das Geeignetsein des Verschlusses des Behälters zu bestimmen. Die spezifische
Eindringungseinstellung des Gerätes oder des Stempels, bei der der Verschlußt der
Ofentemperatur widersteht, wird dann festgestellt und kann als Maß zur Bezeichnung
der Druckbeständigkeit des Verschlußringes für den besonderen Behälter dienen. Um
eine geeignete Mindestverschlußkraft auszuüben, muß. der Verschlußring eine Dicke
haben, die mindestens gleich und vorzugsweise dicker als die Scheibe ist, die den
Verschlußring an Ort und Stelle hält. Ferner muiß' die durchschnittliche Breite
des Verschlußringes, die die Scheibe an Ort und Stelle hält, mindestens die Dicke
der Verschlu'ß, scheibe haben. Falls der Verschluß.ring zu schmal ist, z. B. infolge
einer zu geringen Tiefe des Eindringens eines Gerätes mit zu kleinem Durchmesser,
das das Metall nur in geringem Maße radial verschiebt, so ist der Ring nicht imstande,
die Scheibe gegen einen genügenden inneren Druck zu halten, und das Zusatzmittel
drückt einen Rand der Scheibe nach oben, und das Freilegen des Kernes beginnt, bevor
der Behälter in die gewünschte Tiefe des Metallbades gesunken ist. Falls der Verschlußring
zu dünn ist, z. B. im Falle eines zu großen Eindringens des verformenden Gerätes,
so ist er nur zeitweilig fähig, den inneren Druck zu halten.
-
Sobald der innere Druck so ansteigt, daßf die Festigkeit des Halteringes
Überwunden wird und insbesondere wenn verdampfbare Zusatzmittel verwendet werden,
so wird der Verschlußring abgeschert oder plötzlich deformiert, so daß, die Scheibe
nach außen geworfen wird, wobei eine große Öffnung entsteht und das Kernmaterial
plötzlich in großen Mengen in Freiheit gesetzt und fast
mit explosiver
Gewalt durch diese große Öffnung getrieben wird.
-
Beispiele i. Ein zylindrischer Behälter aus Kupfer, der bei 65o bis
7oo° ausgeglüht und in Wasser abgeschreckt wurde, einen Umfang von 25,q. mm und
eine Länge von 25,4 mm hatte und mit einer Bohrung von ungefähr 6,35 mm Durchmesser
und 12,7 mm Länge und einer Aussparung von 9,5 mm Durchmesser und 9,5 mm Tiefe und
einer flachen Verschluß'scheibe versehen war, die in die Aussparung paßte und ungefähr
3,i7 mm dick war, wurde verwendet. In die Bohrung wurden o,4i g Wasser eingebracht,
wobei ein Leerraum zwischen der Beschickung und der Scheibe zur Expansion frei gelassen
wurde. Ein flacher Verschlußstempel von 14,28 mm Durchmesser wurde verwendet. Der
Verschlußstempel wurde auf eineEindringungstiefe in die Aussparung von 1,58 mm eingestellt.
-
Zusätzliche Proben unter Verwendung desselben Kupferbehälters und
der gleichen Scheibe mit der gleichen Beschickung der Kernbohrung wurden hergestellt
und mit demselben Stempel verschlossen. Dieser wurde aber für eine Eindringungstiefe
von 3,i7 mm bzw. 4,74 mm eingestellt.
-
Mehrere dieser Proben wurden einzeln in einen elektrischen Ofen eingesetzt,
der auf einer Temperatur von 98o bis io4o° gehalten wurde. Die Proben, die mit einer
Eindringungstiefe des Stempels von 1,58 mm verschlossen worden waren, zeigten ein
zu frühes und kein stetiges Entweichen des Dampfes. Die mit einer Eindringungstiefe
von 474 mm des Stempels verschlossenen Proben zeigten ein verzögertes, aber plötzliches
Entweichen des Dampfes, wobei der Verschlußring zerbrochen und teilweise abgeschert
wurde und die Verschlußteile teilweise ausgeworfen wurden. Die Proben, die mit einer
Eindringungstiefe des Stempels von 3,17 mm verschlossen wurden, zeigten während
der Dauer des Versuches ein befriedigendes Halten des Verschlußringes.
-
Proben wurden darauf unter Verwendung desselben Kupferbehälters und
der gleichen Scheibe hergestellt. Diese wurden jedoch mit o,2gNatriummetall gefüllt,
wobei ein leerer Raum in dem konischen Boden der Kernaushöhlung freiblieb. Die Behälterwurden
mit demselben Stempel von i4,28 mm Durchmesser verschlossen. Der Stempel wurde auf
eine Eindringungstiefe von 3,17 mm eingestellt, wie sie bereits im voraus
zum Erhalt eines befriedigenden Verschlusses bestimmt worden war. Mehrere dieser
Proben wurden einzeln in ein geschmolzenes Kupferbad von ungefähr 279,4 mm Tiefe
eingetragen, wobei die Temperatur des Bades auf 126o°' gehalten wurde. Ein schnelles
bis mäßiges Aufwallen der Metalloberfläche des Bades, das durch das Freiwerden der
Natriumdämpfe verursacht wurde, wurde hierbei beobachtet. Hingegen wurde ein Spritzen
nicht festgestellt.
-
2. Eine Reihe von Behältern von gleicher Dimension, wie sie in Beispiel
i beschrieben wurde, wurde hergestellt. Das Material der Behälter war jedoch SAE-io2o-Stahl,
und die Behälter wurden dadurch hergestellt, daß die Gefäße während i Stunde auf
925° gehalten wurden, worauf sie heiß verformt wurden. Die Verschlußscheibe hatte
eine Dicke von 3,17 mm und war ebenfalls aus Stahl. Die Ofenprobe des Verschlusses,
wobei Wasser in die Behälter gefüllt wurde, wurde wie im Beispiel i ausgeführt.
Auch in diesem Falle gab eine Eindringungstiefe des Stempels von 3,17 mm eine befriedigende
Festigkeit des Verschlusses. Die auf diese Weise hergestellten Proben bewirkten
bei deren Einsatz in ein geschmolzenes Stahlbad bei einer Füllung von o"18 g Natrium
ein Aufwallen der Oberfläche des Metallbades, das anzeigte, daß die Reaktion der
Füllung in der gewünschten Tiefe des Metallbades stattgefunden hat.
-
Der Ausdruck Abschmelzen oder ein ähnlicher Ausdruck, wie er im Zusammenhang
mit der Entfernung des abschmelzenden Materials gebraucht wurde, wobei die Kernhöhlung
des erfindungsgemäßen Behälters freigelegt wird, gilt auch für den Fall, daß das
abschmelzende Material in das geschmolzene Metall des Bades in im wesentlichen geschmolzenen
oder wenigstens erweichten Zustand durch einen beliebigen Druck ausgeworfen wird,
der durch das Kernmaterial bei der Temperatur des geschmolzenen Metallbades verursacht
wird. Ein solches Auswerfen kann insbesondere bei der Verwendung eines Kernmaterials
erfolgen, das im wesentlichen bei oder unter der Temperatur des zu behandelnden
Metallbades verdampft.
-
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und insbesondere bei Verwendung
des oben beschriebenen Verschlußringes und eines verdampfbaren Kernes kann das abschmelzende
Material aus einer Masse des Metalls bestehen, das vorzugsweise einen niedrigeren
Schmelzpunkt als das übrige Material des Behälters hat und das zwischen dem Sitz
und der Scheibe oder zwischen der Scheibe und dem Verschlußring eingesetzt werden
kann. Diese Masse des Metalls kann z. B. in Form eines Ringes oder in Form von kleinen
Drähten oder Stäben eingesetzt werden. Diese Drähte haben einen niedrigeren Schmelzpunkt
als das Metall des Behälters und sind zwischen der Scheibe und dem Verschlußring
eingesetzt. Wenn der Behälter in das geschmolzene Metallbad eingeführtwird, schmelzen
die Drähte, und das geschmolzene Metall wird durch den Druck des verdampfenden Kernmaterials
ausgeworfen, wobei die Drähte sich in dem Metallbad lösen. Dies hat zur Folge, daß
Gänge von vorbestimmter Größe für das allmähliche und geregelte Einblasen des verdampften
Kernmaterials, das um die Ränder der Scheibe strömt, wobei ein Gang für das Kernmaterial
zwischen der Kernhöhlung und dem Äußeren des Behälters entsteht, gebildet werden.
-
Wenn das Gefäß gemäß der Erfindung in ein geschmolzenes Metallbad
eingesetzt wird, sinkt es unter die Oberfläche des Metallbades infolge der größeren,vorher
bestimmten spezifischenDichte des zusammengesetzten Körpers. Infolge der abkühlenden
Wirkung des Behälters bilden sich Krusten, die
unerwünscht sind.
Es wurde gefunden, daß es mÖglich ist, eine derartige Krustenbildung in großem Maße
zu unterdrücken, indem man das erfindungsgemäße Gefäß mit einem isolierenden Material,
z. B. einem Überzug eines keramischen oder ähnlichen Materials, versieht. Es wurde
gefunden, daß die Verwendung eines solchen isolierenden Materials die Geschwindigkeit
der Auflösung des Behälters in dem geschmolzenen Metall verringert und daß hierdurch
längere Zeiten zum Versinken des Behälters in dem Metallbad ermöglicht werden. Dies
ist insbesondere von Vorteil bei der Behandlung von Metallbädern von großer Tiefe.
-
Bei Verwendung eines untertauchenden erfindungsgemäßen Behälters ädert
sich das spezifische Gewicht des zusammengesetzten Körpers manchmal durch das teilweise
Abschmelzen der Hülle des Behälters so schnell, daß dieser bald an die Oberfläche
des Metallbades zu steigen beginnt, obgleich der Behälter anfangs in dem Metallbad
versank, ohne in der gewünschten Tiefe des Bades eine Zeitlang zum Freilegen des
Kernmaterials verblieben zu sein. Es wurde gefunden, daß die Schwierigkeit durch
die Verwendung eines Behälters mit einer Kernhöhlung, die nicht im wesentlichen
das auf ioo -bezogene Volumverhältnis
des Behälters überschreitet, überwunden werden kann, wobei d, das spezifische Gewicht
des Metalls des Behälters ist, wenn dieses an seinem Schmelzpunkt fest ist, und
de das spezifische Gewicht des Metalls des Behälters bei seinem Erstarrungspunkt,
wenn dieses geschmolzen ist. Ein solcher Behälter, der mit einem geeigneten Verschluß,
z. B. einer. Scheibe von geeigneter Dicke, versehen ist, sinkt unabhängig von dem
Kernmaterial immer . herab und bleibt in einer genügenden Tiefe unter der Oberfläche
des Metallbades bis zu der Zeit, bei der das Freilegen des Zusatzmittels, das z.B.
durch die Dicke der Scheibe geregelt wird, bewirkt ist. Für die meisten Zwecke wurde
gefunden, daß eine Kernhöhlung, die im wesentlichen 5 bis 7 VolUmprozent des Körpers
des Behälters entspricht und im wesentlichen dieser Formel genügt, ein allgemein
verwendbares Gefäß für die meisten üblichen Zusatzmittel zu geschmolzenen Metallbädern
ergibt.