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Verfahren und Vorrichtung zum Behandeln von Metall-, insbesondere
Eisenschmelzen im Vakuum mit Gasen, die durch die Schmelze hindurchgesaugt werden
Zur Herstellung von Metallen, und Metallegierungen genau vorgegebener Zusammensetzung
und insbeson7 dere auch zur Erzeugung gasfreier Metalle bedient man, sich in. zunehmendem
Maße des Vakuumschmelzens. Um dabei die Metallegie-rungen einer zusätzlichen Reinigung
zu unterziehen, hat man auch bereits vorgeschlagen, die Vakuumschmelze: der Einwirkung
geeigneter Gase auszusetzen. So. sind beispielsweise sauerstoff- und kohlenstoffarme
Eisenlegierungen in der Weise hergestellt worden, daß man sauerstoffhaltiges Eisen
im Vakuum mit Wasserstoff behandelte, wodurch der Sauerstoff zu Wasserdampf abgebunden
und bei vermindertem Druck aus der 'N,1e-tallschtnelze# entfernt wurde.
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Bei den bekannten Vakuumschmelzverfahrien vorgenannter Art wird das
Behandlungsgas entweder unmittelbar in das Vakuumgefäß eingeführt, so daß es mit
der Oberfläche des Metallbades reagieren kann, oder aber man. leitet das Gas durch
ein in die Schmelze von oben eintauchendes Rohr aus feuerfestem Werkstoff in das
Metallbad ein, das dadurch von dem Reaktionsgas in Blasen durchperlt wird, Beide
Verfahren erfordern aber verhältnismäßig lange Behandlungszeiten, da in beiden Fällen
die für die Reaktion wirksamen Oberflächen, zwischen Schmelze und Gas ve#rgleichsweise
klein, sind. So, bedurfte es beispielsweise einer Reaktionsdauer von. 12 Stunden,
um den Sauerstoffgehalt einer Eisenschmelze durch Einleiten von Wassersto-ff
in der oben beschriebenen Weise auf einen, Wert von 0,0020/e zu erniedrigen. Die
Nachteile und Schwierigkeiten derart lan 'g dauernder Gasbehan#dlungen von unter
Vakuum stehenden. Metallschmelzen liegen auf der Hand.
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Demgegenüber gelingt es nun, die zur Erzieilung bestimmter Endgehalte
und Reinheitsgrade von im Vakuum erschmolzenen und gasbehandelten Metallen bzw.
Metallegierungen. erforderlichen Reaktionszeiten el el ganz erheblich zu verkürzen,
wenn - wie das die Erfindung vorsieht - das Behandlungsgas, beispielsweise
Wasserstoff, d#er Schmelze von unten her durch den po,rös2n Schrnelzbehälterboden
in feinstverteilter Form zugeführt wird. Das Gas kann so. die gesamte Schmelze in
feinen Blasen von unten nach oben durchstreichen. Auf diese Weise kommt man
- wie nachstehend näher beschrieben - innerhalb kürzester Zeit zu
Reinheitsgraden und Endgehalten der Schmelze, wie sie mit den bekannten Verfahren
auch nicht annähernd erreichbar sind.
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Es sei erwähnt, daß es zur Herstellung von reinern Stahl oder Gußeisen
aus elektrolytisch raffiniertem, rcinern Eisen bekannt ist, das elektrolytisch,
raffinierte Eisen zwecks Aufkohlung unter Vakuum zu schmelzen und durch das geschmolzene
Eisen wasserstoff- und kohlenstoffhaltige Gase durchzusaugen oder durchzudrücken.
Eine Zufuhr des Behandlungsgases über einen porösen Schmelzbehälterboden, ist hier
aber nicht möglich, da sich die Poren des Tiegelbodens dann sehr bald mit Kohlenstoffteilchen,
die beim Zerfall des kohlenwasserstoffhaltigen. Behandlungsgases entsteh#en, zusetzen
würden.
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Bei einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten,
in zahlreichen. Versuchen erprobten Vorrichtung, die mit einem. in einem Vakuumfäß
angeordneten. Schmelztiegel versehen ist, ist im Schmelztiegelboden ein in. an.
sich bekannter Weise aus gegen die Schmelze beständigen Werkstoffen bestehender
poröser Einsatzkörper vorgesehen" der sich nach unten trichterförmig verengt und
an eine Gaszuleitung angeschlossen ist, die durch ein einstellbares, die Gaszufuhrmenge
regelndes Ventil, insbesondere ein Nadelventil, abzusperren. ist. Ferner ist oberhalb
des Schmelztiegels zum unmittelbaren Abführen der bei der Gasbehandlung der Schmelze
sich etwa, bildenden flüchtigen Verbindungen, wie insbesondere.Wasserdampf, ein,
an eine, Saugleitung anzuschließender, während der Durchgasung der Schmelze auf
den Schmelztiegelrand absenkbarer Absaugtrichter vorgesehen.
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Bevor auf weitere Einzelheiten der Erfindung eingegangen wird, sei
hier erwähnt" daß das Hindurchleiten von. Gasen, durch einen düsenartig ausgebildeten
Schrnelzbehälterboden bei unter Atmosphärendruck stehenden Metallschmelzen, beispielsweise
bei Konvertern,
bekannt ist. Derartige Schmelzbehälter müssen aber
in. jedem Fall kippbar sein, um bei Abstellen der Gaszufuhr ein Verstopfen der im
Boden angeordneten Blasdüsen durch die! Schmelze, zu verhindern. Auch hat man bereits
versucht, bei unter Atmosphärtlidruck stehenden Schmelzen oxydierende Behandlungsgase
durch die poröse Tiegelzustellung nicht kippbarer Schmelzbehälter hindurchzuführen.
Dabei zeigte es sich aber, daß nach Aufhören des Gasdurchganges durch den porösen.
Werkstoff die mit dein Bad in Berührung stehenden Kapillaren durch das flüssige
Metall bzw. durch die Schlacke verstopft wurden und auch nach dem Aufheizen einer
neuen Charge nicht mehr geöffnet werden konnten.
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Wird hingegen -wie das die Erfindung vorsieht -
die Gasbehandlung
von Metallschinelzen im Vakuum durchgeführt, und zwar so, daß dabei ein, nicht oxydierendes
Gas durch den porösen Boden des Schmelzbchälters in die Schmelze eingeführt wird,
so treten die obenerwähnten, einen laufenden Schmelzbetrieb störelid.-n Erschtivungen.
überraschenderweise nicht mehr auf. Beispielsweise konnten gemäß dem Verfahren nach
der Erfindun- mit dem gleichen Schmelztiegel nacheinander zahlreiche Schinelzen
durchgeführt werden, ohne daß ein Verstopfen des Tiegelbodens eintrat. Worauf dieses
eigentümliche Verhalten beruht, konnte im einzelnen bisher nicht geklärt werden.
Möglicherweise wird aber durch die reduzierenden Bedingungen beim Durchleiten des
Gases in. der erfindungsgemäßen Weise die Bildung von Schlacke vollkommen unterdrück-t
und dadurch das Verstopfen der Kapillaren vermieden,.
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Weitere Einzelheiten des Verfahrens sowie der Vorrichtung gcmäß der
Erfindung seien an einem in der Ze#ichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel
näher beschrieben.
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Das aus der Grundplatte 1 und dem Deckel 2 bestehende Vakuumgefäß
3 ist über eine Saugleit.ung4 an eine Hochvakuumpumpe, beispielsweise eine
Öl-Diffusionspumpe, angeschlossen und mittels letzterer e-vaktiierba,r. Innerhalb
des Gefäßes 3 ist der Schmelztiegel 5 angeordnet, der entweder ortsfest
oder auch zusammen mit einer in, einem Lagergestell 6 drehbeweglich. angeordneten
Plattform 7 schwenkbar angeordnet sein kann. In letzterem Falle kann der
aus porösem Tiegelmaterial bestehende, durch eine Hochfrequenz-Induktionsspule
8 beheizbare Schmelzbehälter 5 durch Betätigen -eines außerhalb des
Gefäßes angeordneten Kippliebels 9 gekippt und sein Inhalt 11
in eine
ebenfalls im Vakuumgefäß stehende Kokille 10 entleert werden.
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Erfindungsgemäß ist nun in den Boden. des Schmelztiegels
5 ein Einsatzkörper 12 eingebaut, der vorzugsweise aus dem gleichen porösen
Material wie der Tiegel 5, gegebenenfalls aber auch aus einem anderen geeigneten
porösen, Werkstoff besteht. Der Einsatzkörper ist mit einer Siebplatte
13 versehen. Der sich nach unten trichterförinig verengende Einsatz 12 ist
an seinem unteren Ende 14 an eine Gaszuleitung 15
angeschlossen., die mittels
eines fein einstellbaren Nadelventils 16 absperrbar ist. Oberhalb des Schmelztiegels
ist ein an eine Saugleitung 17 anschließbaxer Absaugtrichter 18 vorgesehen,
der mittels einer Verstelleinrichtung 19 auf den oberen Schinelztiegelrand
absenkbar ist.
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-Nachdem die Metallinasse 11 in den Schmelzbehälter
5 eingegeben und durch entsprechende Belleizung ausreichend dünnflüssig gemacht
worden ist, wird das Gefäß 3 evakuiert. Danach wird das Nadelventil
16
gcöffnet und das Gas, beispielsweise Wasserstoff, der Schinelze zugeführt.
Die Porosität des Schmelztiegelbod,-ns ist so abgeglichen, daß das geschmolzene
Metall nicht nach unten auslaufen, das Reaktionsgas jedoch in möglichst fcinen Bläschen
hindurchtreten kann. Während der Einleitung des Wasserstoffes in die Schmelze.
11 wird der Absaugtrichter 18 auf den Schmelztiegel abgesenkt und
der oberhalb der Schrn21ze sich bildende Wasserdampf durch die Leitung
17 abgesaulgt. Dadurch wird ein Niederschlagen des Wasserdainpfes auf dem
Deckel 2 bzw. den übrigen Teilen des Vakuumgefäßes vermieden.
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Mit einer Anordnung der vorstehend beschriebenen Art gelang es, in
einem niehrere kg Eisenschine#lze fass,etidtn Ticgc,1 aus Sinterkorund den Sauerstoffgehalt
der Schmelze von ursprünglich 0,12 auf 0,002%, und zwar innerhalb von
15 2-#linuten, zu erniedrigen. Dabei 1)etrug der Druck im Vakuumgefäß vor
Beginn der Wasserstoffeinleitung 10-3 rum, während er bei der Wass,c.rstoffbehandlung
auf etwa 1 irim Hg anstieg. Das Bcispicl zeigt, innerhalb welcher außerordentlich
kur7,en Behandlungszeit Metallschinelzen auf einen bestimmten Reinheits- bzw. gewünschten
Endgehalt an Sauerstoff z. D. gebracht werden können, wenn die Behandlung gemäß
dem Verfahren nach der Erfindung erfolgt.