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BEZUGNAHME AUF VERBUNDENE ANMELDUNGEN
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Diese
Anmeldung nimmt keine Priorität von einer anderen Anmeldung
in Anspruch.
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TECHNISCHER BEREICH
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Die
Erfindung betrifft ein Aufbereitungssystem für geschmolzenes
Aluminium, insbesondere ein auf einem Rotor basierendes System zum
Einspritzen von Gas oder Gas, Flussmittel bzw. Schmiermittel bzw.
Schmelzmittel bzw. Schmelzzuschlag und/oder anderes Material in
geschmolzenes Aluminium.
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Gießprobleme
verursachen, wie zum Beispiel Verkrümmung, Abblättern,
Blasenbildung oder sogar Bruchbildung. Es ist typischerweise wünschenswert,
den gelösten Wasserstoff unmittelbar vor dem nächsten
Schritt in dem Verfahren zu entfernen.
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Der
jeweilige Gehalt an gelöstem Wasserstoff bei einer bestimmten
Anwendung kann stark abweichen, kann sich aber in einem Bereich
von 0,20 ml/100 g Al für allgemein extrudierte Blöcke
bis zu 0,10 ml/100 g Al für gewalzte Brammen für
Luftfahrtanwendungen bewegen.
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Typischerweise
wird Wasserstoff aus dem geschmolzenen Aluminium durch Einleiten
eines inerten Gases oder Einbringen desselben in Blasenform durch
das Metall entfernt. Beispiele von Inertgasen, welche verwendet
werden können, beinhalten Argon oder Stickstoff.
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Zusätzlich
zu der Entfernung des Wasserstoffs durch die Verwendung von Inertgasen
wird typischerweise auch gewünscht, andere Unreinheiten und/oder
Einschlüsse während der Aufbereitungsprozesse
zu entfernen und diese Entfernung kann auch während dieses
Entgasungsprozesses auftreten oder gewünscht sein. Zum
Beispiel kann das Hinzufügen von kleineren Mengen an Chlor
in dem Inertgas verschiedene Einschlüsse und Alkalimetallverunreinigungen
auf eine relativ wirksame Weise entfernen. Einschlüsse
in geschmolzenem Aluminium können von einer beliebigen
oder mehreren unterschiedlichen Quellen während des Schmelzvorgangs in
dem das geschmolzene Metall enthaltenen Ofen oder aus absichtlich
hinzugefügtem Material, wie zum Beispiel Kornverkleinerern,
herrühren. Wenn Einschlüsse nicht auf angemessene
Art und Weise entfernt werden, kann dies zu Rissen und Oberflächenfehlern
bei gewalztem Aluminiumblech, Lunkern und erhöhtem Gießformverschleiß während
des Extrudierens führen. In einigen Anwendungen ist es
typisch, die Entfernung von ungefähr 50% an nicht-feuchten
Einschlüssen in dem Entgasungssystem erzielen zu wollen.
Typischerweise würde eine spätere Filterung des
geschmolzenen Aluminiums nach dem Entgasungssystem verwendet werden,
um Einschlüsse in dem geschmolzenen Metall weiter zu verringern.
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Ein
typisches Entgasungssystem oder Aufbereitungssystem für
geschmolzenes Aluminium für die Entfernung von Gasen, welches
einen Rotor innerhalb eines Stators verwendet, würde typischerweise
die Einspritzung eines Inertgases unter Verwendung eines oder mehrerer
Injektoren oder Einspritzvorrichtungen, wie zum Beispiel eine schnell
rotierende bzw. schnell laufende Rotorvorrichtung, umfassen. Der
Injektor würde das Inertgas, wie zum Beispiel Argon, in
das geschmolzene Metall typischerweise durch eine Vielzahl von Blasen
einführen, welche der Injektor abscheidet und in das geschmolzene Metall
verteilt, um das geschmolzene Metall mit dem Inertgas zu sättigen.
Bei Systemen, welche keinen Stator verwenden, können die
Gase durch die Mitte der rotierenden Rotorwelle eingespritzt werden – in vielen
Anwendungen ist es jedoch gewünscht oder bevorzugt, aus
Prozess- und anderen Gründen einen Stator zu verwenden.
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Das
Inertgas wird typischerweise in das geschmolzene Metall in der Nähe
des Bodens eines Behälters eingeführt und die
Gasblasen werden verteilt und gelangen so an die Oberfläche
der Schmelze, wobei sie in dem Prozess den gelösten Wasserstoff desorbieren.
Die Hinzufügung von Chlor, wie oben angegeben, in geringen Mengen
(wie zum Beispiel 0,5% oder weniger) kann die Verbindung zwischen dem
geschmolzenem Aluminium und den nicht-feuchten Einschlüssen
in dem geschmolzenen Aluminium unterstützen, wodurch es
den Einschlüssen erlaubt wird, besser an den aufsteigenden
Gasblasen anzuhaften und Auftrieb zu bekommen oder zu der Schmelzoberfläche
des geschmolzenen Aluminiums angehoben zu werden. Zusätzliche
Mengen an Chlor können zu dem Inertgas zugegeben werden,
um mit eintretenden Alkalimetallen, wie zum Beispiel Natrium, Lithium,
Kalzium oder anderen, chemisch zu reagieren, um Chlorsalze zu bilden,
welche ebenfalls zu der Oberfläche oder zu der Schmelzoberfläche
des geschmolzenen Aluminiums treiben.
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Typischerweise
bilden die Einschlüsse und feste Salze und anderes Material,
welche zu der Schmelzoberfläche treiben, eine sogenannte
Schlacke, welche dann von der Oberfläche abgehoben bzw.
abgeschlackt werden und als Abfall entfernt werden kann.
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Es
ist typischerweise wünschenswert, die Sättigung
des geschmolzenen Aluminiums mit kleinen Gasblasen zu maximieren
und eine flache oder ruhige Schmelzoberfläche beizubehalten,
um das Schwimmen und Erfassen von Einschlüssen und Salzen
zu der Schmelzoberfläche zu verbessern. Das Erreichen dieser
Aufgabe führt im Allgemeinen zu einer besseren Trennung
des geschmolzenen Aluminiums von der Schlacke. Zu der Wirksamkeit dieser Systeme
tragen viele Faktoren bei, wie zum Beispiel die Düsen-
oder Injektorkonstruktion, Gasströmungsraten, die Flachheit
der Schmelzoberfläche des geschmolzenen Aluminiums, Behälterkammergeometrien
und anderes.
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Einige
aus dem Stand der Technik bekannte Injektoren verwenden einen schnell
rotierenden Rotor mit einem statischen Stator, um das gewünschte Sättigungsniveau
zu erreichen, wobei der schnell drehende Rotor in einem Düsenabschnitt
angebracht oder einteilig mit demselben ausgebildet ist. Der schnell
drehende Rotor kann auch verwendet werden, um die Gasblasen und
jegliche sich mit denselben verbindenden Stoffe zu zerreißen
und in das geschmolzene Aluminium zu verteilen. Es ist auch wünschenswert,
um die Schmelzoberfläche relativ still oder flach zu halten,
einen Wirbeleffekt durch die Drehung des Rotors zu vermeiden. Ein
Wirbeleffekt würde dazu führen, Risse in der Oberfläche
und eine teilweise Vermischung oder Verteilung des Materials in
der Schlacke mit dem geschmolzenen Aluminium zu bewirken und ganz
allgemein die Entfernung von unerwünschten Gasen und Einschlüssen
zu beeinflussen oder zu behindern.
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Ein
Beispiel eines Entgasungs- oder Aufbereitungssystems für
geschmolzenes Aluminium wird von Pyrotek unter der Marke SNIF angeboten.
Informationen zu den Pyrotek-Produkten können auf deren
Homepage unter www.pyrotek-inc.com gefunden werden.
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Ältere
US-Patente, welche sich auf solche aus dem Stand der Technik bekannten
Systeme beziehen, beinhalten die folgenden:
US-Patent-Nr. 5,198,180 für
eine Gasverteilvorrichtung mit einem Rotor und einem Stator zur
Aufbereitung von geschmolzenem Aluminium;
US-Patent-Nr. 5,846,481 für
eine Aufbereitungsvorrichtung für geschmolzenes Aluminium;
US-Patent-Nr. 3,743,263 für
eine Vorrichtung zur Aufbereitung von geschmolzenem Aluminium; und
US-Patent-Nr. 4,203,581 für
eine Vorrichtung zur Aufbereitung von geschmolzenem Aluminium, wobei
alle genannten in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme hierin aufgenommen
sind, weil diese hierin weiterentwickelt werden.
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Bei
einem typischen Aufbau gemäß dem Stand der Technik
zur Aufbereitung von geschmolzenem Aluminium werden einer oder mehrere
Injektoren, wie zum Beispiel ein Injektor 130 in 2 innerhalb
des geschmolzenen Aluminiums oder geschmolzenen Metalls angeordnet
und die Gase würden durch den Injektor wie nachfolgend
beschrieben eingeleitet.
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Es
ist auch wünschenswert, den Anteil an gelöstem
Gas und den nichtmetallischen Verunreinigungsgehalt in dem geschmolzenen
Aluminium zu verringern und dies wird typischerweise durch Verwendung
von einem oder mehreren verschiedener Flussmittelbehandlungen erreicht,
bei welcher das geschmolzene Metall entweder mit reaktionsfreudigen
gasförmigen oder festen Flussmitteln (wie zum Beispiel
Halogenen) in Kontakt gebracht wird. Zum Beispiel können
Chlorgase bei der Entfernung der nichtmetallischen Verunreinigungen
verwendet werden. Wenn es bei einer bestimmen Anwendung wünschenswert
ist, auch Flussmittel in das geschmolzene Aluminium einzuleiten,
wird ein zusätzliches Ausrüstungsteil, nämlich
eine Vorrichtung, wie zum Beispiel ein Flussmittelinjektor, in das
geschmolzene Metall eingeführt und die Flussmittel werden
durch dasselbe verteilt oder in das geschmolzene Aluminium eingespritzt.
Dies erfordert einen zusätzlichen Aufwand, zusätzlichen
Kapitaleinsatz für die Maschinen und zusätzliche
Wartung an denselben.
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Es
ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Aufbereitungssystem für
geschmolzenes Aluminium zu schaffen, welches die Einspritzung von
Gas und Flussmittel unter Verwendung eines schnell rotierenden Rotors
innerhalb eines statischen Stators erlaubt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Nachfolgend
werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter
Bezugnahme auf die nachfolgenden Zeichnungen beschrieben.
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1 ist
eine Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Aufbereitungssystems für geschmolzenes Aluminium;
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2 ist
eine perspektivische Schnittansicht eines Aufbereitungssystems für
geschmolzenes Metall gemäß dem Stand der Technik;
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3 ist
eine perspektivische Schnittansicht einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Aufbereitungssystems für
geschmolzenes Metall;
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4 ist
eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Aufbereitungssystems für
geschmolzenes Metall mit einem anders ausgebildeten schnell rotierenden Rotor;
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5 ist
eine Draufsicht des in 3 dargestellten Rotors;
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6 ist
eine Schnitt 6-6 aus 5;
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7 ist
eine Draufsicht des in 4 dargestellten Rotors;
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8 ist
ein Schnitt 8-8 aus 7;
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9 ist
eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform eines Rotors,
welcher bei Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden
kann;
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10 ist
ein Schnitt 10-10 aus 9;
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11 ist
eine Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Aufbereitungssystems für geschmolzenes Aluminium;
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12 ist eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform
eines Rotors, welcher in Ausführungsformen der Erfindung
verwendet werden kann; und
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13 ist ein Schnitt 13-13 aus 12.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Viele
der bei dieser Erfindung verwendeten Befestigungs-, Verbindungs-,
Herstellungs- und anderer Einrichtungen und Bauteile sind in dem
beschriebenen Bereich der Erfindung allgemein bekannt und ihre exakte
Beschaffenheit oder Bauart ist für ein Verständnis
und eine Anwendung der Erfindung durch einen Fachmann nicht notwendig;
aus diesem Grund werden sie nicht detailliert beschrieben. Des weiteren
können die hierin dargestellten oder beschriebenen verschiedenen
Bauteile für eine spezifische Anwendung dieser Erfindung
wie durch die Erfindung nahegelegt variiert oder geändert
werden. Die Ausführung einer bestimmten Anwendung oder
Ausführungsform eines Elements kann bereits im Stand der
Technik oder durch Fachleute allgemein bekannt sein oder verwendet
werden und wird daher nicht detailliert beschrieben.
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Die
Bezeichnungen ”ein/eine/einer” und ”der/die/das”,
wie sie in den Ansprüchen verwendet werden, entsprechen
einer bewährten Anspruchsformulierung und sind nicht als
Einschränkung gedacht. Wenn es nicht speziell angegeben
ist, sind die Angaben ”ein/eine/einer” und ”der/die/das” nicht
auf eines solcher Elemente beschränkt, sondern bedeuten ”wenigstens
eines”.
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1 ist
eine Ansicht einer Ausführungsform eines von der Erfindung
umfassten Aufbereitungssystems 100 für geschmolzenes
Aluminium, mit einem Aufbereitungsbehälter 101,
der zwei Injektoren 102, eine feuerfeste Auskleidung 103,
Statoren 106 innerhalb von Behälterkammern 104 und 105 (welche
auch einzeln oder gemeinsam als Aufbereitungskammern bezeichnet
werden können), ein Niveau 107 von geschmolzenem
Metall, wie zum Beispiel geschmolzenem Aluminium, aufweist. Zwei schnell
drehende bzw. rotierende bzw. laufende Rotoren 108 rotieren
schnell, wie durch die Pfeile 109 angedeutet, und Gasblasen
mit Flussmittel 113 werden von einem zentralen Kanal verteilt
und Gasblasen 111, welche kein Flussmittel enthalten, werden zwischen
den Statoren 106 und dem Rotor 110 verteilt.
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2 ist
eine perspektivische Schnittansicht eines Aufbereitungssystems 130 für
geschmolzenes Metall gemäß dem Stand der Technik,
oder eines Injektors 130, welcher eine Rotorwelle 131,
einen Stator 132, einen schnell rotierenden Rotor 133,
der an der Rotorwelle 131 angebracht ist, aufweist, wobei ein
Pfeil 137 die Rotation des schnell rotierenden Rotors 133 darstellt.
Der schnell rotierende Rotor 133 weist eine Vielzahl von
Flügeln 134 (oder Schaufeln) mit dazwischen liegenden
Räumen 135 auf.
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2 stellt
ein Beispiel der Einführung oder Einspritzung von Gas mittels
des Metallaufbereitungssystems gemäß dem Stand
der Technik dar, wobei ein Pfeil 144 den Gasstrom zwischen
dem Stator 132 und der Rotorwelle 131 darstellt.
Das Gas tritt dann in Kanäle 140 innerhalb der
Rotorwelle 131 ein, wobei die Kanäle 140 ein
Teil davon sind, und tritt in dem Spalt zwischen dem Abschnitt des
schnell rotierenden Rotors 133 (kann auch als eine schnell
rotierende Düse bezeichnet werden) der Rotorwelle 131 und
dem Stator 132 aus, wie durch Pfeile 136 und 140 dargestellt.
Ein Hauptkanal 139 kann einen oder mehrere Einlässe
für das Gas und einen oder mehrere Gasauslässe 140 aufweisen,
wobei Gas 142 dargestellt ist, welches aus denselben austritt.
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Wie
ebenfalls aus 2 ersichtlich ist, ist die Rotorwelle 131 drehbar
innerhalb des Hohlraums in dem Stator 132 angeordnet, so
dass sie durch einen Motor oder eine andere Antriebseinrichtung
innerhalb des Hohlraums des Stators 132 angetrieben werden
kann. Die Rotorwelle 131 ist betriebsfähig an dem
schnell rotierenden Rotor 133 angebracht, so dass die Düse
mit der Rotorwelle 131 rotiert. Ein Gaskanal ist auch zwischen
der Oberfläche des inneren Hohlraums des Stators 132 und
der äußeren Oberfläche der Rotorwelle 131 vorgesehen,
so dass Gase 144 durch den Kanal strömen können,
bevor sie zwischen der Unterseite des Stators 132 und der Oberseite
des rotierenden Rotors 133 ausgegeben werden.
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2 stellt
dar, wo die äußere Oberfläche der Rotorwelle 131 mit
der inneren Oberfläche des Stators 132 zusammenwirkt,
wobei dieser Schnittpunkt bzw. -bereich mit 129 bezeichnet
wird, was auch als Spalt 129 bezeichnet werden kann. Der
Bereich dieses Schnittpunkts kann als eine Buchse, ein Lager oder
unter Verwendung anderer Bezeichnungen bezeichnet werden und es
kann in einigen Ausführungsformen ein Abstand von zwei
bis vier Tausendstel Zoll zwischen den zwei Bauteilen vorhanden
sein. Es ist typischerweise wünschenswert, einen bestimmten
Gasdruck unterhalb des Spalts 129 aufrecht zu erhalten,
so dass geschmolzenes Metall nicht in den Spalt 129 an
dem unteren Ende in der Nähe des rotierenden Rotors 133 eintritt.
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Das
Gas von beiden Kanälen wird zwischen der Oberfläche
des schnell rotierenden Rotors 133 und der Unterseite des
Stators 132 ausgegeben und vorzugsweise abgeschert und
die Schaufeln 134 des schnell rotierenden Rotors 133 tragen
zu dem Abscheren der Gasblasen 147 und der Verteilung derselben
innerhalb des den schnell rotierenden Rotor 133 umgebenden
geschmolzenen Metalls bei. Bei typischen, den Spalt 129 verwendenden
Anwendungen wird in Verbindung mit der Konfiguration des Stators 132 und
des Rotors nur Gas eingesetzt.
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2 stellt
Gasblasen 147 dar, welche austreten und dann durch das
geschmolzene Metall verteilt werden, in welchem der Injektor 130 arbeitet.
Die den Injektor 130 verlassenden Gasblasen 147 haben mehr
Auftrieb als das geschmolzene Aluminium und strömen daher
nach oben in Richtung der Oberfläche des geschmolzenen
Aluminiums, der Schmelzoberfläche.
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In
dem in 2 dargestellten Beispiel gemäß dem
Stand der Technik ist keine Einleitung von Flussmittel in das geschmolzene
Aluminium an der Stelle vorgesehen, wo die Gasblasen 147 freigegeben
werden. In einem typischen System gemäß dem Stand
der Technik wäre ein separater Flussmittelinjektor vorgesehen,
welcher in das geschmolzene Metall bewegt werden und durch welchen
Flussmittel eingespritzt werden würde.
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3 ist
eine perspektivische Schnittansicht einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen bzw. von dieser Erfindung
umfassten Aufbereitungssytems 160 für geschmolzenes
Metall. 3 stellt einen Injektor dar,
welcher in dieser Ausführungsform einen Stator 162,
eine Rotorwelle 161 und einen Kanal zwischen dem Stator 162 und
der Rotorwelle 161 aufweist, durch welchen auf die in dem
in 2 dargestellten Beispiel gemäß dem
Stand der Technik dargestellte Art und Weise Gas 164 durchgeleitet wird.
Ein schnell rotierender Rotor 167 weist Flügel 170 (oder
Schaufeln) mit dazwischen angeordnetem Raum oder Abständen 171 auf.
Gasblasen 177, welche Gase aufweisen, werden, wie durch
die Pfeile 169 und 173 dargestellt, zur Verteilung
in das geschmolzene Aluminium freigegeben.
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3 stellt
auch einen zentralen Kanal 166 (oder Leitung) dar, durch
welche Gas und Flussmittel wie durch einen Pfeil 163 dargestellt,
von einer externen Quelle 178 eingeleitet werden, welche
in den zentralen Kanal 166 eingespritzt oder gepumpt werden. 3 zeigt
auch einen Gaskanal 159 zwischen dem Stator 162 und
der Rotorwelle 161, durch welchen Gas in den Injektor 160 oder
das Aufbereitungssystem für geschmolzenes Metall (vorzugsweise
geschmolzenes Aluminium) eingeführt wird. Während Flussmittel
typischerweise in Pulver- oder fester Form vorgesehen sind und mit
dem Gas vermischt werden, um es in das geschmolzene Metall einzuspritzen,
können auch Anwendungen, wie zum Beispiel zukünftige
Anwendungen, existieren, in welchen ein Flussmittel in flüssiger
oder gasförmiger Form verwendet wird.
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Der
Fachmann erkennt, dass, während der Begriff ”zentraler
bzw. mittlerer” verwendet wird, um den zentralen Kanal
durch den inneren Teil der Rotorwelle zu beschreiben, der Kanal
nicht notwendigerweise exakt auf der Mittelachse sein muss, sondern stattdessen
versetzt von derselben, jedoch noch immer innerhalb der Rotorwelle
sein kann, was alles von der Erfindung umfasst wird. In dem Fall,
dass der mittlere Kanal nicht exakt auf der Mittelachse liegt, kann
es erforderlich sein, den Rotor oder die Rotorwelle auszuwuchten,
um Vibrationen zu verringern oder zu beseitigen.
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Der
Fachmann wird erkennen, dass jeder beliebige einer Vielzahl von
unterschiedlichen schnell rotierenden Rotoren verwendet werden kann,
wobei keiner davon speziell erforderlich ist, um die Erfindung in
die Praxis umzusetzen, was alles innerhalb des Bereichs der Erfindung
liegt und abhängig von der spezifischen Anwendung der Ausführungsform der
Erfindung in der Praxis ist. Zum Beispiel ist ein anderer beispielhafter
schnell rotierender Rotor in 4 als schnell
rotierender Rotor 192 dargestellt.
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Wie
ebenfalls aus 3 hervorgeht, ist die Rotorwelle 161 drehbar
innerhalb des inneren Hohlraums in dem Stator 162 angeordnet,
so dass sie durch einen Motor oder einen anderen Antrieb innerhalb
des Hohlraums des Stators 162 angetrieben werden kann.
Die Rotorwelle 161 ist betriebsfähig an dem schnell
rotierenden Rotor 167 angebracht, so dass die Düse
mit der Rotorwelle 161 rotiert. Ein Gaskanal ist ebenfalls
zwischen der Oberfläche des inneren Hohlraums des Stators 162 und
der äußeren Oberfläche der Rotorwelle 161 vorgesehen,
so dass Gase 164 durch den Kanal strömen können,
bevor sie zwischen der Unterseite des Stators 162 und der Oberseite
des schnell rotierenden Rotors 167 ausgegeben werden. Das
Gas wird zwischen der Oberseite des rotierenden Rotors 167 und
der Unterseite des Stators 162 ausgegeben und vorzugsweise
abgeschert und die Schaufeln 170 des schnell rotierenden Rotors 167 tragen
zu dem Abscheren der Gasblasen 177 und der Verteilung derselben
innerhalb des den schnell laufenden Rotor 167 umgebenden
geschmolzenen Metalls bei. Der Stator 162 kann glatt sein, Schaufeln 170 aufweisen
oder eine beliebige einer Vielzahl von unterschiedlichen Oberflächen
und Konfigurationen auf der äußeren Oberfläche
derselben aufweisen, wobei keine spezielle davon erforderlich ist,
um die Erfindung in die Praxis umzusetzen.
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3 stellt
auch dar, wo die äußere Oberfläche der
Rotorwelle 161 mit der inneren Oberfläche des
Stators 162 zusammenarbeitet, wobei dieser Schnittpunkt
bzw. -bereich mit 179 bezeichnet wird, was auch als Spalt 129 bezeichnet
werden kann. Der Bereich dieses Schnittpunkts kann als eine Buchse, ein
Lager oder unter Verwendung anderer Bezeichnungen bezeichnet werden
und es kann in einigen Ausführungsformen ein Abstand von
zwei bis vier Tausendstel Zoll zwischen den zwei Bauteilen vorhanden
sein. Es ist typischerweise wünschenswert, einen bestimmten
Gasdruck in dem Spalt 179 aufrecht zu erhalten, so dass
geschmolzenes Metall nicht in den Spalt 179 an dem unteren
Ende in der Nähe des rotierenden Rotors 167 eintritt.
Es ist typischerweise wünschenswert, einen bestimmten Gasdruck
in dem Spalt 179 aufrecht zu erhalten, so dass geschmolzenes
Metall nicht in den Spalt 179 an dem unteren Ende in der
Nähe des rotierenden Rotors 167 eintritt.
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In
typischen, den Spalt 179 verwendenden Anwendungen wird
in Verbindung mit der Stator- und Rotorkonfiguration nur Gas verwendet,
wobei ein gewünschtes Flussmittel durch einen separaten
Injektor hinzugefügt wird. Ausführungsformen dieser
Erfindung können jedoch die Einführung von Flussmitteln in
Verarbeitungssystemen für geschmolzenes Metall vorsehen,
welche einen rotierenden Rotor und eine Welle innerhalb eines Stators
verwenden.
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4 ist
eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform
eines Aufbereitungssystems 190 für geschmolzenes
Metall, welches von dieser Erfindung umfasst wird, mit einem anders
ausgeführten schnell laufenden Rotor 192. 4 zeigt
einen Injektor 190, einen Stator 191, eine Rotorwelle 203,
einen schnell rotierenden Rotor 192 mit Flügen 193 einschließlich
Räumen 194 zwischen jeweiligen Flügen 193 oder
Schaufeln und einem unteren Abschnitt 195 des schnell rotierenden
Rotors 192, welcher einen kontinuierlichen Umfang aufweist.
Gasblasen 207 werden zwischen dem Stator 191 und dem
schnell rotierenden Rotor 192 ausgegeben.
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4 stellt
des weiteren eine Quelle 197 für Gas und Flussmittel
oder eine Gasquelle 199 allein dar, welches in einen mittleren
Kanal 204 gepumpt oder eingespritzt werden kann. Die Gasquelle 199 kann
Gas sowohl zu dem zentralen Kanal 204 und/oder zu den traditionelleren
Gaskanälen führen (wie in 3 als Kanal 159 dargestellt).
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4 zeigt
auch Gasblasen 202, welche Flussmittel beinhalten, die
von unterhalb des schnell rotierenden Rotors 192 verteilt
werden und welche aus dem zentralen Kanal 204 stammen.
Abhängig von speziellen Flussmitteln oder den verwendeten Materialien,
dem Gas und dem festen Flussmittel oder dem Gas allein kann die
alleinige Einspritzung in den zentralen Kanal 204 erfolgen
oder sie kann mit Gasen oder anderen Hinzufügungen kombiniert
werden, was alles von dieser Erfindung umfasst ist und wobei nichts
im Besonderen erforderlich ist, um diese Erfindung auszuführen.
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Wie
der Fachmann erkennt, hängen die Gas- und Flussmittelströmungsraten
von der Metallströmungsrate, den Verunreinigungen in dem
ankommenden Metall in einer bestimmten Anwendung und der erwünschten
Menge des auszugebenden Metalls ab. In einem Beispiel kann der Gasstrom
bis zu fünf cfm (acht Nm3/h) betragen,
wobei ein typischer Bereich zwei bis viereinhalb cfm (drei bis sieben
Nm3/h) beträgt. Das Flussmittel
kann bei typischer Anwendung bis zu zwanzig g/m oder mehr betragen.
Die hierin angegebenen Strömungsraten sind pro Düse zu
verstehen und sind als Beispiele angegeben und beschränken
die Erfindung in keiner Weise, weil diese nicht von einem bestimmten
Bereich oder einem Satz von Parametern in dem Metallverarbeitungssystem
abhängt.
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Während
das in Verbindung mit dieser Erfindung in einer bestimmten Ausführungsform
bevorzugt verwendete Gas Argon ist, können auch Stickstoff
oder andere Gase verwendet werden. Obwohl diese Erfindung nicht
auf ein bestimmtes Flussmittel beschränkt ist, kann in
einer bestimmten Ausführungsform eine eutektiksche Mischung
von Magnesiumchlorid und Kaliumchlorid ein bevorzugtes Flussmittel
sein (was allgemein durch die Marken Pro-Mag und Zendox bekannt
ist).
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5 ist
eine Draufsicht des schnell laufenden Rotors 210 aus 3,
welches den mittleren oder zentralen Kanal 221 in dem schnell
laufenden Rotor 210 mit Flügeln 211,
einer oberen Oberfläche 210b und Schlitzen 212 zwischen
jeweiligen oder benachbarten Flügeln 211 aufweist.
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Der
Fachmann wird erkennen, dass der schnell laufende Rotor 210 einstückig
mit der Rotorwelle ausgebildet sein und als Teil der Rotorwelle
betrachtet werden kann, mit welchem er rotiert, oder es sich um
eine zweistückige Konfiguration handeln kann, welche an
der Rotorwelle angebracht ist, was alles von der Erfindung umfasst
ist und von der jeweiligen Anwendung der Erfindung abhängt.
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Es
wäre typisch, den Stator, den Rotor und den schnell laufenden
Rotor aus Grafit oder einem ähnlichen Material herzustellen,
obwohl kein spezielles Material oder Materialien erforderlich sind,
um die Erfindung auszuführen. Der Fachmann wird auch erkennen,
dass, während eine Anzahl bevorzugter Beispiele von Rotoren
und Statoren dargestellt sind, keine spezielle Konfiguration erforderlich
ist, um die Erfindung auszuführen.
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6 ist
ein Schnitt 6-6 aus 5 und stellt den zentralen Kanal 221 innerhalb
des schnell laufenden Rotors 210 dar.
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7 ist
eine Draufsicht des in 4 dargestellten schnell laufenden
Rotors 250, welche eine Vielzahl von Öffnungen 252 zwischen
Flügeln 251 mit einem zentralen Kanal 256 und
einer oberen Oberfläche 260b des schnell laufenden
Rotors 250 darstellt.
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8 ist
ein Schnitt 8-8 aus 7 und zeigt den zentralen Kanal 256 innerhalb
des schnell laufenden Rotors 250.
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9 ist
eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform eines Rotors 280,
welcher in Ausführungsformen dieser Erfindung verwendet
werden kann. 9 zeigt einen schnell laufenden
oder rotierenden Rotor 280, eine Vielzahl von Ausnehmungen 282 in
dem Rotor 280 und eine Vielzahl von Flügeln 281,
welche auch als Schaufeln oder Rippen bezeichnet werden können.
Der Rotor 280 ist mit den Ausnehmungen 282 versehen,
um eine kontrollierte Aufwärtsströmung des geschmolzenen
Metalls durch die Ausnehmungen 282 zu ermöglichen.
Der Rotor 280 gemäß dieser Ausführungsform
weist einen erweiterten unteren Abschnitt oder Ring auf, welcher sich
unterhalb des äußeren Rands 281a der
Flügel 281 um einen Abschnitt 286 erstreckt,
wobei der äußere Rand 280a des Rotors 280 außerhalb
des äußeren Rands 281a der Flügel 281 dargestellt
ist. Schlitze 277 sind zwischen benachbarten Flügeln 281 dargestellt.
Der sich über den Umfang des unteren Abschnitts des Rotors 280 erstreckende
Ring kann eine gleichbleibendere und vollständigere Blasenverteilung
bei einer geringeren Geschwindigkeit ermöglichen. Die Ausnehmungen 282 können
auch in einem größeren Bereich vorhanden sein,
um eine größere Strömung des geschmolzenen
Metalls durch dieselben im Vergleich zu dem zum Beispiel in 7 dargestellten
Rotordesign zu ermöglichen.
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Der
Fachmann wird erkennen, dass keine besondere Größe
oder Abmessungen erforderlich sind, um das Merkmal des Rings in
unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung zu verwenden.
Ein Ringabstand kann zum Beispiel in dem Bereich von einem halben
bis einem dreiviertel Zoll für den Abstand 286 ausgeführt
sein. Die Verwendung eines Rings in Ausführungsformen dieser
Erfindung kann es auch ermöglichen, dass die Flügel 281 in
der vertikalen Richtung tiefer oder länger sind, wobei
größere Ausnehmungen 282 vorgesehen sein
können, um den Metallstrom zu erhöhen und eine
geringere Rotationsgeschwindigkeit des Rotors 280 zu erlauben. Der
Fachmann wird auch erkennen, dass größere Ausnehmungen 282 Blockierungen
der Ausnehmungen 282 oder ein Blockierungspotenzial derselben verringern.
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Es
ist bei Ausführungsformen der Erfindung zu bevorzugen,
die Richtung des Metallstroms relativ zu dem Rotor durch Einstellen
der Düsengeschwindigkeit zu steuern. Zum Beispiel tendiert
bei niedrigen Geschwindigkeiten das geschmolzene Metall dazu, nach
oben zu strömen und durch den Auftrieb der Blasen getragen
zu werden. Bei sehr hohen Geschwindigkeiten werden das Metall und
die Blasen nach unten in Richtung des Bodens der Kammer bewegt.
Bei mittleren Geschwindigkeiten, welche bei den Ausführungsformen
dieser Erfindung zu bevorzugen sind, bewegen sich das geschmolzene
Metall und die Blasen horizontal von dem Rotor nach außen.
Der dargestellte Ring kann zumindest teilweise dazu dienen, den
nach oben gerichteten Metallstrom in den Rotor zu beschränken,
was dazu helfen kann, einen stabileren nach außen gerichteten
Strom von dem Rotor in einer horizontalen Richtung oder einer leicht
nach unten geneigten Richtung herzustellen, weil der nach unten
gerichtete Metallstrom in den Rotor von der Oberseite des Rotors
nicht so eingeschränkt ist.
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Der
Ringabschnitt des Rotors 280 kombiniert mit den Öffnungen 282 kann
größenmäßig ausgeführt
und dafür ausgebildet sein, den nach oben gerichteten Strom
des geschmolzenen Metalls in dem Rotor 280 zu steuern und
das Gas besser seitwärts aus dem Rotor 280 zu
verteilen. Der Fachmann wird erkennen, dass die Größe
und Ausführung der Ausnehmungen 282 relativ zu
dem Ring und den Flügeln 281 auf empirischen,
aus Tests ermittelten Daten basieren kann, um die beste Konfiguration
für eine spezielle Anwendung zu finden, einschließlich bezüglich einer
geeigneten Drehgeschwindigkeit, was alles innerhalb des Umfangs
der Erfindung liegt und keines davon speziell erforderlich ist,
um die Erfindung auszuführen.
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10 ist
ein Schnitt 10-10 aus 9 und stellt den zentralen Kanal 283 innerhalb
des schnell laufenden Rotors 280 dar.
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Die
in den 9 und 10 dargestellte Ausführungsform
des Rotors 280 kann in Anwendungen eingesetzt werden, in
denen eine geringere Geschwindigkeit (Umdrehungen pro Minute oder
1/min) gewünscht sind. Während eine beliebige
Anzahl unterschiedlicher Möglichkeiten für die
bevorzugten Umdrehungen pro Minute bestehen, um den Rotor bei einer
bestimmten Anwendung zu betreiben, kann der Rotor 280 gemäß den 9 und 10 bei
geringeren Geschwindigkeiten als einhundert bis zweihundert Umdrehungen
pro Minute betrieben werden. Während die Geschwindigkeit
eines Rotors in einer bestimmten Ausführungsform typischerweise
bis zu achthundert 1/min betragen kann, wird die typische Düsenanwendung
im Bereich von dreihundert bis siebenhundert Umdrehungen pro Minute
liegen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf einen speziellen Bereich
oder Werte von Umdrehungen pro Minute oder spezielle Prozessparameter
beschränkt, welche sich abhängig von den Prozessfaktoren
bei einer bestimmten Anwendung oder Ausführungsform ändern können.
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Der
Fachmann wird erkennen, dass es in einigen Anwendungen von bestimmten
Ausführungsformen der Erfindung bevorzugt sein kann, den
Rotor 280 mit einer niedrigeren Geschwindigkeit zu betreiben,
um eine ruhigere Oberfläche des geschmolzenen Metalls beizubehalten
und einen Wirbeleffekt zu vermeiden.
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11 ist
eine Ansicht einer anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Aufbereitungssystems 320 für geschmolzenes Aluminium,
mit einem Eindämmungs- oder Aufbereitungsbehälter 101,
der zwei Injektoren 102, eine feuerfeste Auskleidung 103,
Statoren 106 innerhalb von Behälterkammern 104 und 105,
ein Niveau 107 von geschmolzenem Metall, wie zum Beispiel
geschmolzenem Aluminium, aufweist. Die bei diesem Ausführungsbeispiel zu
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ähnlichen
Bauteile sind mit denselben Bezugszeichen versehen, um die Bezugnahme
zu erleichtern.
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Diese
Ausführungsform zeigt zwei unterschiedliche schnell laufende
Rotoren 280 und 300, welche in 9 bzw. 12 dargestellt sind. Jeder der schnell
rotierenden Rotoren 280 und 300 dreht sich, wie
durch Pfeile 109 dargestellt, wobei der Rotor 280 einen
zentralen Kanal zum Einspritzen von Gasblasen aufweist, welche Flussmittel 113 beinhalten
können, und welche von einem zentralen Kanal verteilt werden,
und Gasblasen 111, welche kein Flussmittel beinhalten,
werden zwischen den Statoren 106 und dem Rotor 110 verteilt.
Der Rotor 300 weist jedoch keinen zentralen Kanal auf (siehe
nachfolgende Beschreibung unter Bezugnahme auf die 12 und 13) und es sind daher in Verbindung mit demselben
keine Gasblasen dargestellt. 11 zeigt eine
bevorzugte Ausführungsform eines Aufbereitungssystems mit
zwei Kammern in einer Kombination der zwei unterschiedlichen Rotoren 280 und 300. Der
Fachmann wird erkennen, dass jede Kombination von Rotoren, welche
in der Lage sind, Flussmittel einzuspritzen, wie zum Beispiel die
Rotoren 210, 250 und 280, und Rotoren,
welche kein Flussmittel einspritzen, wie zum Beispiel die Rotoren 134 und 300, in
Aufbereitungssystemen mit einer einzelnen und mit mehreren Kammern
verwendet werden können.
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Der
Fachmann wird auch erkennen, dass ein ähnlicher Rotor ohne
den zentralen Kanal 283 in Anwendungen eingesetzt werden
kann, bei denen eine geringere Geschwindigkeit (Umdrehungen pro
Minute oder 1/min) gewünscht und die Einspritzung von Flussmittel
nicht erforderlich ist. Ein Beispiel dieses Rotors ist in den 11 und
in den 12 und 13 mit 300 bezeichnet.
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11 zeigt
auch, wie Ausnehmungen in den Rotoren 280 und 300 eine
nach oben gerichtete Strömung 114 des geschmolzenen
Metalls durch Ausnehmungen, wie zum Beispiel die Ausnehmungen 282,
erzeugen kann, wie in 9 und 12 dargestellt.
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12 ist eine Draufsicht einer Ausführungsform
eines Rotors 300, welcher bei Ausführungsformen
der Erfindung verwendet werden kann, wenn Flussmittel nicht erforderlich
ist. 12 zeigt einen schnell laufenden
oder rotierenden Rotor 300, eine Vielzahl von Ausnehmungen 302 in
dem Rotor 300 und eine Vielzahl von Flügeln 301,
welche auch als Schaufeln oder Rippen bezeichnet werden können.
Die Bauteile und Gegenstände in den 12 und 13, welche ähnliche Gegenstände
zu denjenigen in den 9 und 10 sind,
sind gleich nummeriert.
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13 ist ein Schnitt 13-13 aus 12 und alle Gegenstände sind
gleich bezeichnet wie in 12 und werden
daher hier nicht wiederholt.
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Die
hierin dargestellten alternativen Ausführungsformen von
Rotoren, wie zum Beispiel in den 7, 9 und 12, können in Verbindung mit Injektoren
verwendet und mit Gas oder Gas und Flussmittel versehen werden,
wie hierin dargestellt und beschrieben, wie zum Beispiel in 4.
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Wie
der Fachmann erkennt, existieren viele Ausführungsformen
der Erfindung sowie Variationen von Elementen und Bauteilen, welche
verwendet werden können und alle in dem Schutzbereich der Erfindung
liegen.
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung ist zum Beispiel eine
Gasverteilvorrichtung zum Einspritzen von Gas und Flussmittel in
geschmolzenes Metall, welche Folgendes aufweist: einen länglichen Stator
mit einem inneren Hohlraum; einen Rotor mit einer Rotorwelle, wobei
die Rotorwelle drehbar innerhalb des inneren Hohlraums des Stators
angebracht ist; einen Kanal zwischen einer Innenwand des inneren
Hohlraums in dem Stator und einer Außenwand der Rotorwelle,
um das Ausgeben von Gas an oder in der Nähe einer Oberseite
des Rotors zu ermöglichen; und einen zentralen Kanal, der
sich von einem oberen Bereich der Rotorwelle durch eine Unterseite des
Rotors erstreckt, wobei der zentrale Kanal einen Durchgang für
an der Unterseite des Rotors auszugebendes Gas und Flussmittel bildet.
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In
einem Beispiel einer verfahrensgemäßen Ausführungsform
der Erfindung kann ein Verfahren zum gleichzeitigen Verteilen von
Gas und Flussmittel in geschmolzenem Aluminium vorgesehen sein,
welches das Folgende aufweist: Bilden eines länglichen Stators
mit einem inneren Hohlraum; Bilden eines Rotors mit einer Rotorwelle,
wobei die Rotorwelle drehbar innerhalb des inneren Hohlraums des
Stators angebracht ist; Bilden eines Kanals zwischen einer Innenwand
des inneren Hohlraums in dem Stator und einer Außenwand
der Rotorwelle, um das Ausgeben von Gas an oder in der Nähe
einer Oberseite des Rotors zu ermöglichen; Bilden eines
zentralen Kanals, der sich von einem oberen Bereich der Rotorwelle
durch eine Unterseite des Rotors erstreckt, wobei der zentrale Kanal
einen Durchgang für an der Unterseite des Rotors auszugebendes
Gas und Flussmittel bildet; Rotieren des Rotors in geschmolzenem
Aluminium; Einspritzen von Gas in den Gaskanal zwischen dem Rotor
und dem Stator, so dass es in das geschmolzene Aluminium ausgegeben wird;
und Einspritzen von Gas und Flussmittel in den zentralen Kanal,
so dass es an der Unterseite des rotierenden Rotors in das geschmolzene
Aluminium ausgegeben wird.
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In
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein mit
Flügeln versehener Rotor zur Verwendung in einer schnell
rotierenden Düsenanordnung vorgesehen, welcher sich in
einer Aufbereitungskammer während einer darin stattfindenden Aluminiumaufbereitung
befindet, wobei der mit Flügeln versehene Rotor Folgendes
aufweist: einen Rotorumfang mit einem oberen Umfang, welcher sich abwechselnde
Flügel und Schlitze um den oberen Umfang aufweist, und
mit einem unteren Umfang, welcher einen sich radial unterhalb des
oberen Umfangs erstreckenden Ring aufweist; und wobei der Ring Öffnungen
aufweist, welche mit den Schlitzen zusammenfallen und welche den
Durchfluss von geschmolzenem Aluminium durch denselben bei der Verwendung
des Rotors zum Aufbereiten von Aluminium bieten.
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Zusammenfassung Aufbereitungs-
und Gasverteilungssystem für geschmolzenes Aluminium
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Aspekte
dieses Aufbereitungssystems für geschmolzenes Aluminium
beinhalten ein auf einem Rotor basierendes Einspritzsystems, welches
die Einspritzung und Verteilung von sowohl Gas als auch Flussmittel
zum Aufbereiten von geschmolzenem Aluminium aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 5198180 [0013]
- - US 5846481 [0013]
- - US 3743263 [0013]
- - US 4203581 [0013]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - www.pyrotek-inc.com [0012]