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Verfahren und Vorrichtung zum Behandeln einer Eisenschmelze Beim Behandeln
von Eisenwerkstoffen aller Art, wie Gußeisen, Roheisen, Stahl, mit einem in die
Eisenschmelze einzuführenden Reaktionsstoff, wie Magnesium, Kalium, Natrium auch
Fluoriden, ist besondere Vorsicht geboten, weil die Siedetemperatur dieser Reaktionsstoffe
unterhalb der Schmelzbadtemperatur liegt und deshalb beim Eintritt des Reaktionsstoffes
in die Schmelze eine sehr heftige, d. h. explosionsartige Verdampfung einsetzt,
die einen mehr oder weniger großen Teil der Schmelze aus dem Behandlungsgefäß herausschleudert
und so das Bedienungspersonal gefährdet.
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Zur Beherrschung des Verdampfungsvorganges des Reaktionsstoffes beim
Eintritt in die Schmelze ist es bereits bekannt, flüssiges Magnesium in reiner Form
oder einer Magnesiumlegierung mit hohem Magnesiumgehalt unterhalb des Schmelzbadspiegels,
also z. B. durch den Boden des Behandlungsgefäßes hindurch, in kleinen, gesteuerten
Mengen einzuführen und also die Zufuhr der für ein Schmelzbad bestimmten Gesamtreaktionsstoffmenge
über einen größeren Zeitraum im Sinne einer Dämpfung des Reaktionsablaufes und damit
der Verdampfungserscheinung zu verteilen. Für dieses Verfahren bedient man sich
bekanntlich einer den kleinen Mengen angepaßten Einführungsdüse od. dgl., die in
den Boden oder in die Seitenwand möglichst tief unterhalb des Schmelzbadspiegels
des gefüllten Behandlungsgefäßes eingebaut ist.
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Bei diesem Verfahren kommt der angestrebten Dämpfung des Reaktionsablaufes
die Tatsache zugute, daß die ferrostatische Drucksäule über der Einführungsdüse
sich in einer Heraufsetzung der Reaktionsstoffsiedetemperatur auswirkt und deshalb
eine möglichst große Höhe des Schmelzbadspiegels über der Einführungsstelle erwünscht
ist.
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Danach ist es also angebracht, mit der Einleitung des Reaktionsstoffes
in das Schmelzbad erst dann zu beginnen, wenn das Behandlungsgefäß bis zur vorgesehenen
Höhe mit der Schmelze gefüllt ist. Dies führt aber erfahrungsgemäß leicht zu Schwierigkeiten,
indem die Schmelze unter dem bei ihrer Einfüllung steigenden Druck in die Einführungsdüse
eintritt und damit Verstopfungen Vorschub leistet, dies um so mehr, als die Düse
eine relativ enge Bohrung besitzt.
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Es sind bereits verschiedene Verfahren und Einrichtungen bekannt,
deren Zweck es ist, das in die Zuführkanäle oder -rohre für in Schmelzbäder einzubringende
Stoffe eingedrungene, flüssige Schmelzgut mit Hilfe von Druckgasen auszutreiben
bzw. die entsprechenden Düsen oder sonstigen öffnungen auf diese Weise freizuhalten.
Das verwendete Gas dient, sofern es nicht selbst den Zuführ- oder Reaktionsstoff
darstellt, bei einer der bekannten Einrichtungen weiterhin noch als Fördermittel
für einen in fester, zerkleinerter oder flüssiger, verteilter Form einzuführenden
Stoff. Andere bekannte Einrichtungen sehen vor, den Zusatzstoff in fester, zerkleinerter
Form auf den in einem vertikalen Zuführkanal stehenden oder bereits durch Druckgaszufuhr
bis zur unteren Kanalmündung abgesenkten Schmelzbadspiegel aufzustreuen und durch
weitere Druckgaszufuhr oder - bei einer weiteren bekannten Einrichtung - durch den
überdruck des bei der Berührung zwischen Schmelze und Zusatzstoff entstehenden Dampfes
in das eigentliche Schmelzbad zu befördern.
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Die bekannten Verfahren weisen also das gemeinsame Merkmal auf, daß
mindestens während der Zuführung von Zusatzstoff auch die Zuführung oder Entwicklung
von Druckgas oder Dampf im Zuführkanal andauern muß. Der hiermit offensichtlich
verbundene, unverhältnismäßig hohe Gasverbrauch stellt jedoch keineswegs den einzigen
Nachteil der bekannten Verfahren und Einrichtungen dar. Diese erweisen sich nämlich
überdies für die gesteuerte Zuführung von verflüssigten, hocherhitzten und daher
meist stark aggressiven Reaktionsstoffen in Schmelzbäder als praktisch ungeeignet,
da bei der wechselnden Zufuhr und Absperrung in jedem Falle bewegte mechanische
Steuerorgane, wie z. B. Ventile, Schieber od. dgl., mit dem Reaktionsstoff in unmittelbare
Berührung treten würden.
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Demgegenüber liegt die Erfindung hauptsächlich die Aufgabenstellung
zugrunde, sowohl Zufuhr als
auch Absperrung des Reaktionsstoffes
nach Maßgabe des gewünschten Ablaufs des Behandlungsverfahrens mit geringstmöglichem
Aufwand an Druckgas und mit Hilfe solcher Einrichtungen zu steuern, bei denen im
Interesse größtmöglicher Betriebssicherheit und Verschleißfreiheit keine bewegten
mechanischen Steuerorgane oder sonstige empfindliche Elemente mit dem hocherhitzten
und daher aggressiven Reaktionsstoff in Berührung treten. Von Bedeutung ist ferner,
daß die erwähnten Fortschritte gegenüber dem Bekannten ohne Beeinträchtigung der
durch die bisherigen Einrichtungen teilweise bereits verwirklichten günstigen Eigenschaften
erzielt werden. So war z. B. ein wesentlicher Teil der erfinderischen Bemühungen
darauf gerichtet, trotz nur zeitweise erfolgender Druckgaszuführung in den Reaktionsstoffkanal
der Gefahr 'von Verstopfungen durch eintretende Schmelze oder erstarrenden Reaktionsstoff
durch besondere Maßnahmen zu begegnen.
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Der erfindungsgemäße Lösungsvorschlag besteht zunächst darin, ein
inertes Druckgas in vorzugsweise bis auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur
des Reaktionsstoffes vorgewärmtem Zustand vor Beginn sowie gegebenenfalls bei Unterbrechung
und/oder nach Beendigung der Reaktionsstoffzuführung für sich durch einen Düsenkanal
in das Behandlungsgefäß einzuführen, wogegen das inerte Druckgas während der Reaktionsstoffzuführung
den flüssigen Reaktionsstoff auf seinem Weg zum Behandlungsgefäß rückseitig beaufschlagt.
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Die Erfindung umfaßt ferner eine Einrichtung zur Ausübung des erwähnten
Verfahrens, die sich vor allem dadurch auszeichnet, daß ein sich einerseits bis
zur Mündung in das Behandlungsgefäß erstreckender Bereich des Reaktionsstoffkanals,
in den eine steuerbare Zuführleitung für ein Druckgas einmündet, zeitweilig eine
einerseits vom Schmelzbad und andererseits von dem verflüssigten Reaktionsstoff
begrenzte Druckgasfüllung enthält.
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Demzufolge wird also nach der Erfindung sowohl während des Einfüllens
der Schmelze in das Behandlungsgefäß wie auch beim Austragen derselben nach Abschluß
der Behandlung und wie im übrigen stets dann, wenn die Reaktionsstoffzuführung vor
Abschluß der Behandlung unterbrochen werden soll, durch Einschalten eines Hilfsstromes
in der Reaktionsstoffzuführleitung ein die Schmelze und den Reaktionsstoff trennendes
Druckgasvolumen aufgebaut. Dieses erstreckt sich auf der einen Seite bis zur Mündung
der Reaktionsstoffzuführleitung in das Behandlungsgefäß und sorgt infolge weiterer
Druckgaszufuhr für einwandfreies Durchblasen der Mündung bzw. Düse.
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Bei Verwendung eines inerten Gases als Hilfsstrom besteht erfindungsgemäß
gleichzeitig die vorteilhafte Möglichkeit, ein solches Gas auch zum Einbringen des
Reaktionsstoffes in die Schmelze zu benutzen und dazu den Gasdruck in eine den Reaktionsstoff
in flüssigem Zustand enthaltende Kammer einzuleiten. Es kann dann in sehr einfacher
Weise durch Steuern des Hilfsstromes die Zufuhr zur Schmelze wahlweise umgeschaltet
werden, insbesondere also beim Einleiten und nach Abschluß der Behandlung.
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Um Störungen auszuschalten, die durch Temperaturunterschiede in der
Einführungsdüse verursacht werden könnten, ist es zweckmäßig, den Hilfsstrom vorzuwärmen,
und zwar am besten auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Reaktionsstoffes.
Auf diese Weise wird eine unerwünschte Abkühlung der Düse durch den Hilfsstrom vermieden,
die den anschließenden Durchtritt des Reaktionsstoffes beeinträchtigen könnte. Es
läßt sich auf diese Weise der Hilfsstrom gleichzeitig zum Vorwärmen des Zuführkanals
vorteilhaft ausnutzen. .
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Weitere wesentliche Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Erläuterung des Aufbaues und der Wirkungsweise einer Einrichtung zur Ausübung des
erfindungsgemäßen Verfahrens, die in der Zeichnung schematisch dargestellt ist.
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Nach A b b. 1 nimmt den in die Schmelze einzuführenden Reaktionsstoff
R, z. B. Magnesium, ein Behälter 1 auf, in den von oben ein Steigrohr 2 hineinragt.
An dieses Steigrohr 2 schließt ein in das Behandlungsgefäß B einmündender Zuführungskanal3
an, der einen kleineren Durchmesser als das Steigrohr 2 hat. An der Übergangsstelle
von Steigrohr 2 zum Kanal 3 ist ein Filter 4 aus Metallwolle oder granulierten,
keramischen Stoffen, am besten auswechselbar, eingebaut. Dabei wird darauf Bedacht
genommen, daß das vom Reaktionsstoff zu durchströmende Filter eine möglichst große
Fläche hat, die ein Mehrfaches des Kanalquerschnittes 3 beträgt.
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Der Reaktionsstoff wird durch Einleiten eines Druckes in den Behälter
1 durch das Steigrohr 2 und den Zuführungskanal 3 in die in das Gefäß B eingebrachte
Schmelze gefördert. Der Deckel 1' des Behälters 1 ist demgemäß mit einem
Rohranschluß 5 zum Einleiten des inerten Gases, z. B. Helium, Argon oder Kohlensäure,
versehen.
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In das Steigrohr 2 ragt von unten eine Hilfsstromleitung 6 hinein,
in die eine Zufuhrleitung 7 über eine Heizrohrschlange 8 od. dgl. einmündet. In
dieser wird der Hilfsstrom vor Eintritt in den Behälter 1 auf eine Temperatur oberhalb
der Schmelztemperatur des Reaktionsstoffes aufgeheizt. Das im Steigrohr 2 hochgeführte
Rohrstück endet etwa in der Höhe der oberen Kammerwand in ein Mundstück 9, das als
Rücklaufsperre für den Reaktionsstoff ausgebildet ist und viele enge Bohrungen 9'
hat (A b b. 2), deren Länge im Verhältnis zur Weite eine Kapillarwirkung ausschließt.
Infolgedessen kann der Hilfsstrom die Bohrungen des Mundstückes 9 in Richtung
auf den Zufuhrkanal 3 ungehindert passieren. Der Reaktionsstoff selbst wird aber
an einem Eindringen in das Mundstück gehindert. Die Rohrzweige 5 und 7 sind mit
je einem Durchmesser 10 bzw. 11 ausgerüstet und über ein Umschaltventil
12 an eine gemeinsame Speiseleitung 13 angeschlossen. Aus der gleichen Speiseleitung
kann ein Nebenschluß 14 zur Heizschlange 8 versorgt werden, durch den der Hilfsstrom
kalt (unvorgeheizt) in das Mundstückrohr 6 eintritt, wenn es gilt, die wegen irgendwelcher
Störungen in den Zuführkanal 3 etwa eindringende Schmelze kalt zu blasen und dadurch
möglichst rasch zum Erstarren zu bringen. Dies kann z. B. beim Bruch eines Schamotteeinsatzes
im Kanal 3 erwünscht sein.
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Mit der beschriebenen Vorrichtung wird wie folgt gearbeitet: Vor dem
Einfüllen der Schmelze in das Behandlungsgefäß B wird der Behälter 1 mit der notwendigen
Reaktionsstoffmenge gefüllt. Alsdann ist in das Behandlungsgefäß die vorgesehene
Schmelzcharge einzufüllen unter gleichzeitigem Einleiten des Hilfsstromes, z. B.
eines inerten Gases durch die Leitung 7 und die Heizschlange B. Das Umschaltventil
12 gibt dabei nur diesen Weg frei, sperrt also den Zutritt
durch
die Leitung 5 in den Behälter 1 ab. Mit steigendem Schmelzbadspiegel im Behandlungsgefäß
steigt der Gegendruck im Zuführkanal3 und damit auch im oberen Teile des Steigrohres
2 oberhalb des Flüssigkeitsspiegels im Behälter 1, so daß dieser Spiegel innerhalb
des Rohres 2 abzusinken beginnt, während er gleichzeitig außerhalb des Rohres 2
durch Verdrängen ansteigt und das im oberen Behälterteil eingeschlossene Gasvolumen
dabei so lange verdichtet, bis sich ein Gleichgewichtszustand einstellt. Damit ein
solcher Gleichgewichtszustand zweckmäßigerweise eintritt, bevor der im Rohr absinkende
Spiegel das untere Rohrende erreicht hat, ist es angezeigt, das Rohr 2 unten trichterförmig
zu erweitern (Ab b. 1). Dadurch wächst die durch Absinken des Spiegels im
Rohr 2 verdrängte Menge, so daß der Verdichtungsdruck im oberen Teil des Behälters
1 schneller ansteigt und also der für das Gleichgewicht notwendige Gegendruck bereits
vorhanden ist, bevor das durch das Mundstück 9 austretende Gas unten aus dem Steigrohr
herau:sperlen kann.
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Sobald beim Einbringen der Schmelzcharge in das Behandlungsgefäß die
ferrostatische Drucksäule über dem Zuführungskanal 3 einen Mindestwert erreicht
und gegebenenfalls die gesamte Charge eingefüllt ist, kann mit der eigentlichen
Behandlung begonnen, d. h. der Reaktionsstoff aus dem Behälter 1 in die Schmelze
eingeleitet werden. Dazu wird das Ventil 12 umgeschaltet, d. h. die Zufuhr zur Leitung
7 abgesperrt und der Weg durch das Rohr 5 freigegeben. Der Druck des inerten Gases
verdrängt dann den Reaktionsstoff durch das Steigrohr 2, das Filter 4 und den Kanal
3 in die Schmelze hinein. Für den Fall, daß die dabei eingeführten Reaktionsstoffmengen
eine noch zu heftige Reaktion im Schmelzbad auslösen sollten, kann die Reaktionsstoffmenge
dadurch gemindert werden, daß das Umschaltventil 12 teilweise zurückgestellt, d.
h. der Strom in den Oberteil des Behälters 1 gedrosselt und dafür ein Teilstrom
durch 7, 8 und Mundstück 9 freigegeben wird. Man hat es dann auf diese Weise bequem
in der Hand, die pro Zeiteinheit eingeführte Reaktionsstoffmenge und damit den Reaktionsablauf
zu beherrschen.
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Zum Kaltblasen bei etwaigen Störungen (z. B. Bruch des Kanals 3) wird
der aus 13 kommende Hilfsstrom unmittelbar dem Nebenschluß 14 zugeführt. Dabei kann
der Nebenschluß 14 gleichfalls an das Umschaltventil 12 angeschlossen oder von einem
Ventil gesteuert werden, das mit dem Ventil 12 zwangläufig gekuppelt ist, damit
alle Einstellungen von ein und derselben Bedienungsstelle aus möglich sind.
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Ist die Reaktion beendet und das fertig behandelte Schmelzbad gegen
eine neue Charge auszuwechseln, so wird vor Beginn der Gefäßentleerung die Reaktionsstoffzufuhr
unterbrochen und gleichzeitig wieder der Hilfsstrom durch das Mundstück 9 freigegeben,
wozu das Ventil 12 sinngemäß umzuschalten ist. Der Hilfsstrom bleibt dann zweckmäßig
so lange eingeschaltet, bis das Behandlungsgefäß entleert und damit die Gefahr eines
Eintritts der Schmelze in den Zuführkanal 3 ausgeschlossen ist.
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Soll auch während der Behandlung die Reaktionsstoffzufuhr unterbrochen
werden, so wird zwangläufig mit einer zweiten Unterbrechung ebenfalls durch nur
einen Handgriff am Umschaltventil 12 der Hilfsstrom eingeschaltet und damit also
jederzeit der enge Zuführungskanal 3 freigegeben.