DE102006002868B3

DE102006002868B3 - Intergasspülverfahren und Kapseln zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102006002868B3
Application number: DE200610002868
Authority: DE
Inventors: Siegfried Karkos; Manfred Rulhoff; Andreas Wiecek
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-01-19
Filing date: 2006-01-19
Publication date: 2007-04-19
Anticipated expiration: 2026-01-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Inertgasspülverfahren und eine Kapsel zur Durchführung des Verfahrens. Gemäß dem Verfahren ist vorgesehen, dass einer Metallschmelze (2) Kapseln (3) mit einer metallischen Wandung zugegeben werden, wobei die Kapseln (3) einen zumindest teilweise mit einem flüssigen Inertgas gefüllten Innenraum aufweisen. Die Wandungen der Kapseln (3) werden durch die thermische Einwirkung der Metallschmelze (2) geschwächt und aufgrund des steigenden Gasdrucks des Inertgases aufgerissen. Dadurch wird das Inertgas freigesetzt und steigt in der Metallschmelze (2) auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Inertgasspülverfahren und eine Kapsel zur Durchführung des Verfahrens.
Im Rahmen der so genannten Pfannenmetallurgie wird durch Inertgasspülverfahren angestrebt, das Temperaturprofil in der Pfanne, insbesondere in Vorbereitung auf den Strangguß zu homogenisieren. Weiterhin dient das Inertgasspülen der Verteilung von Oxidationsmitteln bzw. Legierungsmitteln und zur Verbesserung des Reinheitsgrads durch Ausspülen von nichtmetallischen Verunreinigungen in die Schlacke. Des Weiteren sollen Gase aus der Schmelze entfernt werden. Weiterhin werden Inertgasspülverfahren als Rührhilfe bei metallurgischen Reaktionen eingesetzt.

Im Stand der Technik ist es bekannt, das Inertgas entweder durch Lanzen ( DE 3 602 498 C2 ) oder durch Spülsteine im Pfannenboden ( DE 1 583 219 A ) in die Metallschmelze einzublasen. Es ist ferner bekannt, dem sogenannten Spülgas Legierungsmittel und Schlackenbildner zur Entschwefelung zuzugeben.

Nachteilig an dem bekannten Verfahren ist der hohe apparative Aufwand, der für die Spülsteine und die Lanze getroffen werden muss. Spülsteine und Lanzen unterliegen starken thermischen Einflüssen und daher relativ hohem Verschleiß. Darüber hinaus sind Lanzen nur über aufwändige Apparaturen zu händeln, ebenso wie die Bereitstellung des Spülgases in entsprechenden Druckbehältern in metallurgischen Betrieben nicht ungefährlich ist.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Inertgasspülverfahren aufzuzeigen, das die vorbeschriebenen Nachteile vermeidet, d.h. anwendungstechnisch verbessert ist. Des Weiteren soll eine Kapsel zur Durchführung des Inertgasspülverfahrens aufgezeigt werden, durch welche die vorbeschriebenen Nachteile vermieden und die Inertgasspülung einfach und sicher durchgeführt werden kann.

Der verfahrensmäßige Teil der Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Maßnahmen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

Im Rahmen der Erfindung ist vorgesehen, die Metallschmelze in einem Reaktionsraum, d.h. der Pfanne mit Kapseln zusammenzubringen, wobei die Kapseln eine metallische Wandung und einen zumindest teilweise mit einem flüssigen Inertgas gefüllten Innenraum aufweisen. Die Wandung der Kapseln wird durch die thermische Einwirkung der Metallschmelze geschwächt und aufgrund des steigenden Gasdrucks des Inertgases aufgerissen. Das Inertgas wird freigesetzt, geht vom flüssigen Zustand in den gasförmigen Zustand bei ensprechender Volumenvergrößerung über und steigt in der Metallschmelze auf.

Der Vorteil des Verfahrens ist, dass keine Vorrichtungen zum Einblasen des Inertgases, wie verschleißanfällige Spülsteine oder Lanzen benötigt werden.

Die Kapseln können der Metallschmelze von oben zugegeben oder durch Kanäle in dieselbe eingeführt werden. Das heißt, dass die Metallschmelze vor den Kapseln in den Reaktionsraum eingebracht wurde. Es ist im Rahmen der Erfindung aber auch möglich, zuerst die Kapseln und dann die Metallschmelze in den Reaktionsraum einzubringen. Natürlich können beide Komponenten auch gleichzeitig zusammengeführt werden.

Die Kapseln sind so konfiguriert, dass sie nicht auf der Oberfläche der Metallschmelze schwimmen, sondern ein höheres spezifisches Gewicht besitzen als die Metallschmelze. Bei den Kapseln handelt es sich in jedem Fall um Sinkkörper, die nicht selbsttätig auftreiben. Das Gewicht der Kapseln ist über die Dicke der Wandungen leicht steuerbar. Grundsätzlich ist es auch denkbar, die Sinkgeschwindigkeit zu erhöhen, indem die Kapseln beim Einbringen in die Metallschmelze beschleunigt werden, d.h. die Kapseln gewissermaßen in die Metallschmelze einzuschießen. Für das Ergebnis des Inertgasspülverfahrens ist nicht nur die Menge des eingebrachten Inertgases, sondern vor allen Dingen die Verteilung des Inertgases innerhalb der Schmelze wesentlich. Es wird daher als vorteilhaft angesehen, wenn das Inertgas beim Aufbrechen einer Kapsel nicht vollkommen unkontrolliert entweicht, sondern vielmehr an einer dafür vorgesehenen Sollbruchstelle der jeweiligen Kapsel austritt. Der Vorteil dieser Maßnahme liegt darin, dass das Gas nicht explosionsartig aus der Kapsel entweicht, sondern in einem gleichförmigen Gasstrom. Dadurch ist das Inertgasspülverfahren besser kontrollierbar.

Ein weiterer Vorteil ist, dass die Wandung der Kapsel aus einem Werkstoff bestehen kann, welcher der Metallschmelze als Legierungsbestandteil ohnehin zugegeben werden soll. Auf diese Weise können zwei Verfahren miteinander kombiniert werden, einerseits das Inertgasspülen und andererseits das Zuführen weiterer Legierungsbestandteile.

Der gegenständliche Teil der Aufgabe wird durch eine Kapsel mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Unteransprüche mit vorteilhaften Weiterbildungen schließen sich an.

Die beanspruchte Kapsel für das Inertspülverfahren ist in Form eines geschlossenen Hohlkörpers mit einer metallischen Wandung ausgeführt. Der Innenraum des Hohlkörpers ist zumindest teilweise mit einem flüssigen Inertgas gefüllt.

Durch Erwärmung in der Metallschmelze steigt der Innendruck in der Kapsel, da das Inertgas bestrebt ist, von der flüssigen Phase in die Gasphase überzutreten. Dieser Effekt führt zu einem so starken Druckanstieg, dass die durch die thermische Einwirkung geschwächte Wandung aufgerissen wird, wobei sich das Volumen des Inertgases vervielfacht und in der Metallschmelze aufsteigt.

Die metallische Wandung löst sich in der Metallschmelze bevorzugt rückstandsfrei auf und führt nicht zu Verunreinigungen in der Metallschmelze. Die Wandung besteht bevorzugt aus einem Werkstoff, welcher dafür vorgesehen ist, der Metallschmelze als Legierungselement zugesetzt zu werden. Durch das Einbringen der Kapseln wird daher nicht nur die Metallschmelze entgast, sondern auch eine gewünschte Menge an Legierungselementen zugesetzt.

Vorzugsweise besteht die Wandung aus einem Eisenwerkstoff, insbesondere aus Stahl. Die Wandung kann jedoch auch aus Mangan oder einer Mangan enthaltenden Legierung gefertigt sein. Selbstverständlich kann die Wandung der Kapsel auch aus jedem anderen Legierungsmetall hergestellt sein. Die Wandung kann natürlich auch mehrere Legierungselemente enthalten, die auf die zu behandelnde Metallschmelze abgestimmt sind.

Die Wandung kann gleichmäßig oder ungleichmäßig dick ausgeführt sein. Die Wandung kann eine gleichmäßig oder ungleichmäßig strukturierte Oberfläche aufweisen. Das Material der Wandung kann gegebenenfalls eine begrenzt poröse Strukutur aufweisen. Insgesamt kann die Wandung, bedingt duch die Geometrie, die Werkstoffverteilung und die Werkstoffwahl der Kapsel eine inhomogene Festigkeitsverteilung besitzen. Durch die gewünschte Inhomogenität können dünnere oder weniger feste Abschnitte der Wandung schneller aufschmelzen bzw. aufbrechen als dickere Abschnitte. Das erleichtert das Austreten von Inertgas und beschleunigt das Spülverfahren.

Die Erfindung sieht vor, als Inertgas bevorzugt Argon zu verwenden, da Argon in flüssiger Form relativ kostengünstig erhältlich ist und erfahrungsgemäß günstige Eigenschaften bei der Entgasung von Metallschmelzen aufweist.

Die Wandung weist in bevorzugter Ausführungsform wenigstens eine Sollbruchstelle auf, um ein explosionsartiges Entweichen des Inertgases aus der Kapsel infolge der Schwächung durch die in der Metallschmelze enthaltene Wärme bzw. durch den steigenden Gasdruck in der Kapsel zu verhindern. Durch eine Öffnung an der Sollbruchstelle soll das Inertgas in einem Gasstrom aus der Kapsel über einen bestimmten Zeitraum kontrolliert entweichen.

Die Sollbruchstelle ist z.B. als Aussparung auf der Außenseite der Wandung vorgesehen. Der Vorteil einer auf der Außenseite befindlichen Sollbruchstelle ist, dass die Kapsel auf der Innenseite keine Schwächung erfährt, weshalb sie dem Gasdruck des flüssigen Inertgases vor dem Einbringen in die Schmelze besonders gut standhält. Die Kapsel kann zusätzlich oder alternativ auch eine Sollbruchstelle als Aussparung auf der Innenseite der Wandung aufweisen.

Der Hohlkörper besitzt insbesondere die Form einer Kugel. Die Geometrie einer Kugel ermöglicht eine gleichmäßige Spannungsverteilung. Eine Kugel kann daher auch hohen Innendrücken standhalten. Dies ist insbesondere aus sicherheitstechnischen Gründen zweckmäßig, da von den Kapseln auch außerhalb der Metallschmelze keinesfalls eine Gefährdung ausgehen darf, wenn diese unsachgemäß gehandhabt werden oder unzulässig hohen Temperaturen ausgesetzt werden. Die Kapseln müssen in jedem Fall so konfiguriert sein, dass sie unter normalen Betriebsbedingungen in einem Gießereibetrieb unter gar keinen Umständen bersten können. Insbesondere müssen die Kapseln für Lagerung und den Transport hinreichend widerstandsfähig gegen äußere mechanische Einflüsse sein. Es ist auch möglich den Hohlkörper in Form eines Zylinders mit Halbkugelböden auszuführen. Selbstverständlich kann der Hohlkörper auch andere zur Durchführung des Verfahrens geeignete Geometrien aufweisen.

Die minimale Dicke der metallischen Wandung wird durch den Gasdruck des in der Kapsel befindlichen flüssigen Inertgases bestimmt. Mit zunehmender Dicke der Wandung können auch mehr Legierungselemente in der gewünschten Menge zulegiert werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Spülverfahren sind mehrere wichtige Parameter zu berücksichtigen, wobei insbesondere die eingeschlossene Gasmenge in Relation zur Zusammensetzung und Dicke der Wandung beachtet werden muss. Das in den Kapseln aufgenommene Gas soll insbesondere eine sprudelnde oder schäumende Wirkung in der Metallschmelze hervorbringen, wobei der sogenannte Spülfleck bedarfsspezifisch und variabel in Volumen und Größe sein kann. Der Zeitpunkt des Gasaustritts kann durch die Wandstärke der Kapsel beeinflusst werden, ebenso wie die Sinkgeschwindigkeit durch den Füllgrad der Kapsel steuerbar ist. Theoretisch ist es möglich, auch Kapseln mit einer nichtmetallischen Wandung einzusetzen. Allerdings muss hierbei berücksichtigt werden, dass das Aufschmelzen der Wandung zu einer gegebenenfalls unerwünschten Verunreinigung der Schmelze und zu erhöhter Schlackebildung führen kann. Im Rahmen der Erfindung ist es auch denkbar, die Kapsel je nach Bedarf nicht nur mit einem flüssigen Inertgas zu befüllen, sondern je nach Zusammensetzung der Metallschmelze mit Legierungsbestandteilen, die zusammen mit dem Inertgas im Innenraum der Kapseln aufgenommen sind. Dadurch kann beispielsweise eine Kapsel zum Einsatz kommen, bei der die Wandung aus einem erprobten, standardisierten Werkstoff hergestellt ist, welcher der Metallschmelze sehr ähnlich ist bzw. aus der Metallschmelze gefertigt ist, wohingegen die Menge von Legierungselementen durch gezieltes Befüllen des Innenraums der Kapsel gesteuert wird.

In der Kapsel können zudem Entschwefelungsmittel, wie z.B. Kalk, Magnesium oder Karbid aufgenommen sein, die inbesondere in Pulverform in der Kapsel eingeschlosssen sind und beim Aufbrechen der Kapsel freigegeben werden. Dem Entschwefelungsmittel ggf. zugesetzte Zuschlagstoffe verhindern ein Verklumpen des Entschwefelungsmittels.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von zwei in schematischen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Gießpfanne in einem Querschnitt und
2 eine Kapsel im Querschnitt.
In 1 ist eine Gießpfanne 1 dargestellt, die mit einer Metallschmelze 2 gefüllt ist. Die Gießpfanne 1 besteht aus einem Pfannenkörper 1a aus Stahl, der innen mit einer basischen Auskleidung 1b versehen ist. In der Metallschmelze 2 befinden sich mehrere Kapseln 3, die mit einem flüssigen Inertgas nahezu vollständig gefüllt sind. Durch Einwirkung thermischer Energie sind die Kapseln 3 geschwächt und aufgrund des steigenden Gasdrucks des Inertgases aufgerissen worden, so dass Inertgas aus den Kapseln 3 freigesetzt wird und in Form von Blasen 4 in der Metallschmelze 2 aufsteigt. Die Kapseln 3 sind aus einem Eisenwerkstoff, vorzugsweise Stahl, gefertigt.
In 2 ist eine Kapsel 5 näher dargestellt. Die Kapsel 5 ist ein geschlossener Hohlkörper 6 in Form einer Kugel mit einer metallischen Wandung 7, 8. Die Wandung 7, 8 besteht aus zwei miteinender gefügten Halbschalen. Der Innenraum 9 des Hohlkörpers 6 ist zu einem Großteil mit flüssigem Argon 10 gefüllt. Die Wandung 7, 8 besteht aus einem Werkstoff, welcher dafür vorgesehen ist, der Metallschmelze 2 (vgl. 1) als Legierungselement zugesetzt zu werden. In diesem Fall besteht die Wandung 7, 8 aus einer Mangan enthaltenden Legierung. In der Wandung 7, 8 sind Sollbruchstellen 11, 12 vorgesehen. Eine Sollbruchstelle 11 ist als Aussparung 13 auf der Außenseite 14 der Wandung 7, 8 angeordnet. Eine weitere Sollbruchstelle 12 befindet sich als Aussparung 15 auf der Innenseite 16 der Wandung 7, 8. In der Metallschmelze 2 bildet sich an den Sollbruchstellen 11, 12 eine kanalartige Öffnung 17, durch die das Argon 10 in einem Gasstrom GS entweicht.
Im Rahmen des Inertgasspülverfahrens werden die Kapseln 3, 5 der Metallschmelze 2 zugegeben. Die Wandungen 7, 8 der Kapseln 5 werden durch die thermische Einwirkung der Metallschmelze 2 geschwächt und aufgrund des steigenden Gasdrucks des Inertgases 10 aufgerissen. Hierdurch wird das in der Kapsel 3, 5 gespeicherte Inertgas freigesetzt und steigt in der Metallschmelze 2 sprudelnd auf, wodurch Einschlüsse in der Metallschmelze 2 verhindert und nicht reduzierbare Fremdoxide sowie nicht-metallische Bestandteile an die Oberfläche gespült werden.

1: Gießpfanne
1a: Pfannenkörper
1b: basische Auskleidung
2: Metallschmelze
3: Kapsel
4: Blasen
5: Kapsel
6: Hohlkörper
7: Wandung
8: Wandung
9: Innenraum
10: Argon
11: Sollbruchstelle
12: Sollbruchstelle
13: Aussparung
14: Außenseite
15: Aussparung
16: Innenseite
17: Öffnung
GS: Gasstrom

Claims

Inertgasspülverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Reaktionsraum eine Metallschmelze (2) und Kapseln (3, 5) zusammgebracht werden, wobei die Kapseln zumindest teilweise mit einem flüssigen Inertgas (10) gefüllt worden sind, wobei die metallische Wandung (7, 8) der Kapseln (3, 5) durch thermische Einwirkung der Metallschmelze (2) geschwächt wird und wobei die Wandung (7, 8) auf Grund des steigenden Gasdrucks des Inertgases (10) im Innenraum (9) der Kapseln (3, 5) aufgerissen wird, wodurch das Inertgas (10) freigesetzt wird und in der Metallschmelze (2) aufsteigt.
Inertgasspülverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (7, 8) der Kapsel (3, 5) schmilzt und in die Metallschmelze (2) als Legierungsbestandteil einfließt.
Inertgasspülverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschmelze (2) vor den Kapseln (3, 5) in den Reaktionsraum gegeben wird.
Inertgasspülverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapseln (3, 5) selbsttätig in der Metallschmelze (2) nach unten sinken.
Inertgasspülverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapseln (3, 5) zum Einbringen in die Metallschmelze (2) beschleunigt werden.
Inertgasspülverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapseln (3, 5) vor der Metallschmelze (2) in den Reaktionsraum gegeben werden.
Inertgasspülverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Inertgas (10) aus wenigstens einer Öffnung (17) an wenigstens einer Sollbruchstelle (11, 12) der Kapsel (5) entweicht.
Kapsel zur Durchführung des Inertgasspülverfahrens gemäß den Patentansprüchen 1 bis 5, die in Form eines geschlossenen Hohlkörpers (6) mit einer metallischen Wandung (7, 8) ausgeführt ist, wobei der Innenraum (9) des Hohlkörpers (6) zumindest teilweise mit einem flüssigen Inertgas (10) gefüllt ist.
Kapsel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (7, 8) aus einem metallischen Werkstoff besteht, welcher dafür vorgesehen ist, der Metallschmelze (2) als Legierungselement zugesetzt zu werden.
Kapsel nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (7, 8) aus einem Eisenwerkstoff besteht.
Kapsel nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (7, 8) aus Mangan oder einer Mangan enthaltenden Legierung besteht.
Kapsel nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Inertgas (10) Argon ist.
Kapsel nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (7, 8) wenigstens eine Sollbruchstelle (11, 12) aufweist.
Kapsel nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Sollbruchstelle (11) als Aussparung (13) auf der Außenseite (14) der Wandung (7, 8) ausgebildet ist.
Kapsel nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Sollbruchstelle (12) als Aussparung (15) auf der Innenseite (16) der Wandung (7, 8) ausgebildet ist.
Kapsel nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (6) die Form einer Kugel hat.
Kapsel nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (6) in Form eines Stabes ausgeführt ist.
Kapsel nach einem der Ansprüche 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (6) teilweise mit einem Entschwefelungsmittel befüllt ist.