DD104559B1 - VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR METALLURGISCHEN BEHANDLUNG VON ALUMiNIUM- UND ALÜMINfUr*?LEG!ERUNGSSCHMEL2EN - Google Patents

Description

Verfahren und Vorrichtung zur metallurgischen Behandlung von Aluminium- und Aluminiumlegierungsschmelzen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Pie Erfindung betrifft ein Verfahren zur metallurgischen Behandlung von Aluminium- und Aluminiumlegierungsschinelzen sowie eine Gießöfen betreffende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens,

Charakteristik der bekannten technischen !Lösungen

Der Stand der Technik innerhalb der Al-Metallurgie ist dadurch gekennzeichnet, daß das Einsatzgut (Hütten-Aluminium, Legierungselemente und ein bestimmter Anteil Kreislaufmaterial) in gas-, elektro- oder ölbeheizten Öfen aufgeschmolzen und mittels Überführungsrinne oder einer Transportpfanne zum Gieß- oder Warmhalteofen transportiert wird. In den Transportgefäßen, speziellen Einrichtungen oder an Gieß- bzw. Warmhalteöfen können weitere metallurgische Verfahrensschritte durchgeführt werden. Daran anschließend erfolgt das Vergießen der behandelten Schmelzen entweder kontinuierlich an Stranggußanlagen, z. B. Bandgießanlagen, oder diskontinuierlich

an den lOrmgußmaschinen.

Metallurgische Verfahrensschritte können

das Spülen der Schmelze mit inerten Gasen, die Behandlung der Schmelze mit Salzen, Chlorpatronen oder anderen Chemikalien, eine Vakuumentgasung, eine Filterung der Schmelze u. a.

darstellen. Sie erfordern spezielle Einrichtungen, die oft mit sehr hohem apparativen Aufwand verbunden sind. Die metallurgischen Verfahren sind nur dann voll wirksam, wenn nach ihrer Durchführung die flüssige Schmelze entweder auf ihrem Weg his zur Gießeinrichtung mit der Atmosphäre nicht wieder in Berührung kommt oder der Transport des flüssigen Metalls im Oxidschlauch erfolgt.

Wird der Transport der Schmelze in offenen Pfannen, durch Rinnen oder andere Vorrichtungen durchgeführt, die mit der Umgebungsluft in Verbindung stehen und in denen außerdem Turbulenz der Metallschmelze entsteht, so sind Oxidation und Gasaufnahme durch die Schmelze bei Al-Werkstoffen nicht zu vermeiden. In diesen Fällen wird die Wirkung einer vorausgegangenen metallurgischen Behandlung der Schmelze, beispielsweise einer Vakuumentgasung, aufgehoben. Um diese Mängel zu vermeiden, muß die Metallförderung vom Gießofen zur Gießeinrichtung

- bei feststehenden Öfen über eine Stopfenregelung, verbunden mit einer Rinne,

- durch ein geschlossenes Rohrsystem, verbunden mit einer Induktionspumpe oder

- ein Steigrohr im Gießofen und ein sich anschließendes Rinnensystem

erfolgen. Die Rinnen müssen dabei so gestaltet werden, daß ein Aufreißen des Oxidschlauches bei Al-Werkstoffen

nicht eintreten kann. Werden geschlossene Rohrsysteme mit Induktionspumpen verwendet, so entsteht hoher apparativer Aufwand.

Zur Vakuumentgasung einer Schmelze verwendet man in den meisten Fällen den üblichen Rinneninduktionsofen, dessen Ofengehäuse als druckdichter Metallmantel ausgebildet oder als gesamter Ofen in einem geschlossenen Metallbehälter so angeordnet ist, daß er evakuiert werden kann. Vorzugsweise werden netzfrequenzbetriebene Rinneninduktionsöfen eingesetzt, um während der Vakuumbehandlung die Wärmeverluste in der Schmelze auszugleichen und eine elektro-magnetische Durchrührung der Schmelze zu erhalten. Die Entgasung wird durchgeführt, indem im Ofen der Raum oberhalb einer Metallschmelze evakuiert wird, so daß an der Oberfläche der Metallschmelze die Entgasung erfolgt. Ausführungsbeispiele, die in der Patentliteratur beschrieben werden (DE-AS 1 458 804 oder DE-AS 1 227 926) gestatten bei Anwendung der Vakuumentgasung in der Al-Metallurgie eine erhebliche Verminderung des Gas- und Oxidanteils. Sie sind jedoch mit dem vorstehend bereits erwähnten Nachteil behaftet, daß im Nachgang der Entgasung durch Turbulenz der Metallschmelze und Berührung mit der Umgebungsluft bei der Entleerung durch Kippen des Ofeninhalts in eine Transportpfanne oder eine Überführungsrinne, die das Metall zum Gießofen oder zu einer Gießeinrichtung führt, erneute Gas- und Oxidaufnahme zustande kommt, so daß die erreichten Ergebnisse der Vakuumentgasung teilweise oder voll aufgehoben werden.

Wird die Vakuumentgasung von Metallschmelzen angewendet, so kann durch eine zusätzliche Spülung mit einem neutralen Gas eine weitergehende Entgasung erreicht werden. Ein Ausführungsbeispiel (DE-OS 1 583 211) verwendet dafür einen Rinneninduktionsofen, der in

allen seinen Teilen im wesentlichen luftdicht ausgeführt ist. Der Induktor ist seitlich am Schmelztiegel. bzw. an der Gießpfanne angebaut. Die Entgasung erfolgt zunächst, indem im TLege1 über der Schmelze ein Vakuum aufgebaut wird. Eine weitere Entgasungsmöglichkeit wird bei Stahl und anderen geschmolzenen Metallen darin gesehen, Blasen aus einem neutralen Gas durch die Schmelze nach oben zu leiten. Im Ausführungsbeispiel ist ein Gasanschluß am Induktor vorgesehen. Diese Ausführung mit einer Zuleitung des Gases über eine Druckleitung sichert nicht, daß alle Bereiche des flüssigen Metalls vom Gasstrom erfaßt werden. Außerdem ist keine Angabe beigefügt, welches neutrale Gas eingesetzt werden soll. Das beschriebene Verfahren ist mit den gleichen Nachteilen behaftet, wie sie für die Vakuumentgasung im Rinnenschmelzofen aufgeführt werden: Im Falle einer Vakuumbehandlung und einer Spülung mit neutralem Gas im Schmelztiegel tritt ebenso wie im Falle der Anwendung in einer Gießpfanne durch Kippen des Tiegels oder der Pfanne zum Zwecke der Entleerung Luftberührung und Turbulenz auf, so daß erneute Gasaufnahme und Oxidation bei Al-Schmelzen die unbedingte Fo.lge darstellen. In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Patentliteratur (DE-AS 1 508 108) wird die Vakuum- mit einer Druckbehandlung verbunden. Auch hier wird der bekannte Rinneninduktionsofen mit einer oder mehreren abnehmbaren Induktoreinheiten angewendet. Die Induktionsheizung gleicht die Wärmeverluste in der Schmelze aus und ermöglicht eine ständige Durchrührung der Schmelze. Die Vakuum- und Druckbehandlung wird in einem Gefäß durchgeführt. Sie bezieht sich im Ausführungsbeispiel auf die Verringerung des Sauerstoffgehaltes unter ca. 0,0003 io in einer Stahlschmelze. Dabei wird zuerst eine Vakuumbehandlung ausgeführt und im Anschluß daran die Schmelze einer Druckbehandlung unterzogen. Zu

diesem Zweck wird Luft oder ein Inertgas in den Ofenraum oberhalb der Schmelze gedrückt and gleichzeitig Ca in die Schmelze eingeleitet.

Verfahren und Vorrichtung sind für die Aluminium-Metallurgie in dieser Kombination nicht anwendbar. Die Vakuumbehandlung zur Senkung des Gas- und Oxidanteils wird in der gleichen Weise - wie bereits beschrieben ausgeführt, die sich anschließende Druckbehandlung im Ofenraum über der Schmelze führt zu keiner weiteren Senkung des Gas- und Oxidanteils in- der Schmelze. Die Nachteile, die für eine Vakuumentgasung im Rinneninduktionsofen genannt wurden, lassen sich vermeiden, wenn mit 2 geschlossenen Gefäßen und geschlossenen Rohrsystemen gearbeitet wird. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel (DE-OS 2 058 669) wird die Al-Schmelze aus einem Schmelz- oder Mischofen durch ein geschlossenes Rohrsystem, das die Schmelze unterhalb des Badspiegels entnimmt, in ein evakuiertes Behandlungsgefäß gesaugt. Hier findet unter dem Einfluß des Vakuums die Entgasung der Schmelze statt. Der Transport der Schmelze vom Schmelzofen zum Behandlungsgefäß kann auch mittels Ind'ukti ons pumpe durchgeführt werden. Eine Ableitung vom Behandlungsgefäß, das mit einer Fördereinrichtung (Induktionspumpe) versehen ist, verbindet das Behandlungsgefäß unmittelbar mit dem Verbraucher (Gießeinrichtung). Die Einrichtung eignet sich sowohl für den chargenweisen als auch für den kontinuierlichen Betrieb, da das im Behandlungsgefäß erzeugte Vakuum ständig aufrechterhalten bleiben kann. Der Nachteil der Vorrichtung besteht darin, daß für die Vakuumentgasung zwei Gefäße - als Schmelzofen und Behandlungsgefäß bezeichnet - sowie geschlossene Rohrverbindungen, Induktionspumpen und Ventile in den unterschiedlichsten Ausführungsformen erforderlich sind, so daß die angestrebte

Entgasung der Schmelze mit großem apparativem Aufwand erkauft werden muß. Der Nachteil des Verfahrens besteht darin, daß nicht alle metallurgischen Behandlungen, z. B. Vakuumbehandlung und sich anschließende Inertgasspülung der Schmelze, durchgeführt werden können, sondern nur die Vakuumentgasung sowie die Zugabe von Legierungselementen und Zuschlagstoffen·

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die vorerwähnten Mangel zu beseitigen, den Gas- und Oxidgehalt Ъеі Aluminium- und Aluminiumlegierungsschmelzen so abzusenken, daß im Falle der Verarbeitung der Schmelze zu Formgußteilen Ausschuß durch Porosität (Verminderung der mechanischen Festigkeit von Querschnitten) und Oberflächenfehler sowie Nacharbeit durch zusätzliche Verdichtung des Gefüges vermieden werden, im Falle des Stranggießens und der Weiterverarbeitung zu Halbzeugen kein Ausschuß durch Fehler im Gefüge (Gasblasen oder Oxideinschlüsse) mit ihren negativen Auswirkungen auf Streckgrenze, Zugfestigkeit und Dehnung sowie keine Oberflächenfehler entstehen. Bei Verarbeitung zu Aluminiumfolie im Dickenbereich 5 bis 12 ;um wird durch zu hohe Gas- und Oxidgehalte zu hohe Porosität der Folie und damit Ausschuß erhalten.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, in einem Gießofen sowohl eine Vakuumbehandlung als auch eine Inertgasspülung der Aluminiumschmelze durchzuführen, um den Gas- und Oxidanteil der Schmelze wirkungsvoll zu verringern. Die sich anschließende Entleerung des Gießofens muß dabei so durchgeführt werden, daß das Metall ohne Turbulenz bis zur Gießeinrichtung geführt wird, um die Wirkung der Vakuumentgasung und der Inert-

gasspülung auf die Schmelze aufrechtzuerhalten.

Darlegung des Wesens d-er Erfindung

Erfindungsgemäß "besteht das Verfahren zur metallurgischen Behandlung von Aluminium und Aluminiumlegierungen aus dem zeitlich aufeinander folgenden Ablauf der Vakuumbehandlung und Inertgasspülung einer Schmelze in einem Rinneninäuktionsofen, der Entnahme der Schmelze aus dem Ofen aus einem -Bereich unterhalb der Badoberfläche mittels Steigrohr, ohne daß dabei Turbulenz des flüssigen Metalls auftritt, und der Zuleitung der Schmelze zu einer Gießeinrichtung ohne erneute Gas- oder Oxidaufnahme. Nur die komplexe Anwendung dieser Verfahrensschritte sichert die bleibende Verminderung des Gas- und Oxidgehaltes, Die dazu erforderliche Vorrichtung, die der Erfindung zugrunde liegt, ist der bekannte Rinneninduktionsofen mit einem oder mehreren am Ofengehäuse angeflanschten Induktoren. Der Ofen ist mit der üblichen feuerfesten Auskleidung versehen und mittels eines äußeren Stahlblechmantels druckdicht ausgeführt. Die Zuführung der Schmelze in die erfindungsgemäße Vorrichtung erfolgt über eine Zuführrinne direkt oder über eine Transportpfanne. Zu diesem Zweck wird der kombinierte Vakuum-Druckdeckel· geöffnet. Der Rinneninduktionsofen ist mit folgenden Zusatzeinrichtungen ausgestattet:

- Zuführeinrichtung für inerte Gase am Boden des Ofengefäßes

- Ableitungseinrichtung zur Evakuierung

des Ofengefäßes mittels einer oder mehrerer Pumpen

- einem Steigrohr zur Metallentnahme unterhalb der Bad Oberfläche und Förderung des schmelzflüssigen Metalls mit Hilfe von Druckluft aus dem Ofen.

Nachdem der Gießofen mit Schmelze gefüllt und der kombinierte Vakuum-Druckdeckel geschlossen ist, wird über eine Ringleitung· C0 des Ringes ca· 1 m), die einige, meist 4 bis 8, Abgänge in symmetrischer Anordnung besitzt, die jeweils in einem Spülstein enden, ein inertes Gas, z. B. Stickstoff oder Argon, durch die Schmelze geleitet. Diese Zuleitung vom Boden des Ofens und die symmetrische Anordnung der Spülsteine gestatten eine gleichmäßige Verteilung des Gases bei der Behandlung der Schmelze. Der Druck des inerten Gases ist abhängig von der Ofengröße und muß so eingestellt werden, daß der Widerstand der Flüssigkeitssäule der Schmelze überwunden wird. Die Behandlungsdauer liegt zwischen 5 und 30 Minuten je nach Metallinhalt des Ofens.

Das sich im Ofenraum oberhalb der Schmelze sammelnde Gas-Luft-Gemisch wird über die Entgasungsleitung nach außen geführt. Diese Maßnahme ist erforderlich, um den unteren Grenzdruck der Dr.uckentleerung über das Steigrohr nicht zu überschreiten (die Druckentleerung beginnt bei ρ ^/ 0,2 atü = 11?,7 . Ю³ Pa). Nach Abschluß der Inertgasspülung wird durch Weiterbetreiben der Vakuumpumpe bzw. der Pumpen, die über die Entgasungsleitung mit dem Ofenraum in Verbindung stehen, das in diesem Ofenrauin befindliche Gas-Luft-Gemisch abgesaugt und allmählich ein Unterdruck erzeugt. Wird der Druck bis auf den Wert von 0,5 atü = 49 . 10-* Pa vermindert, erfolgt in der Grenzfläche Metallschmelze Ofenraum eine wirkungsvolle Entgasung. Die Zeitdauer dieser metallurgischen Behandlung ist vom Metallinhalt und damit der Ofengröße abhängig und liegt zwischen 20 und 60 Minuten. Die Entgasung wird durch die als Folge der induktiven Heizung auftretende Badbewegung unterstützt, da ständig neues Metall an die Grenzfläche gelangt. Außerdem gleicht die induktive Heizung

die während der Inertgasspülung auftretenden Wärmeverluste der Schmelze aus. Nach Beendigung der Entgasung wird die Schmelze aus dem Ofen gedrückt. Die Reihenfolge der metallurgischen Behandlungen Inertgasspülung - Vakuumentgasung kann ebenso umgekehrt v/erden, so daß der Vakuumentgasung eine Inertgasspülung in der beschriebenen Weise folgt.

Sind die metallurgischen Behandlungen beendet, so wird die Schmelze durch Druckluft, die in den Ofenraum oberhalb der Schmelze eingeleitet wird, über ein Steigrohr aus dem G-ießofen befördert. Damit erfolgt die Entnahme der Schmelze unterhalb des Badspiegels, so daß als Folge der Inertgasspülung auf der Oberfläche befindliche Oxide den Ofen nicht verlassen können. Zur Verhinderung der Wiederaufnahme von Gas und Oxid erfolgt der Transport der Schmelze zur Gießeinrichtung, beispielsweise einer Bandgießanlage entweder in einem geschlossenen Rohrsystem, das sich an das Steigrohr anschließt, oder in einer offenen Rinne. In letzterem Falle wird jede Turbulenz verhindert, um ein Aufreißen des Oxidschlauches zu vermeiden. Die Zuordnung von zwei Gießöfen zu einer Gießeinrichtung ist dann 'zweckmäßig, wenn kontinuierlicher Gießbetrieb angewendet werden soll.

Ausführungsbei spie 1

Die erfindungsgemäße Vorrichtung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Aus der zugehörigen Zeichnung ist ersichtlich:

Der Rinneninduktionsofen gemäß Fig. 1 mit seiner feuerfesten Ausmauerung 1 wird durch .einen schwenkbaren, kombinierten Vakuum-Druckdeckel 4 fest verschlossen. Ein Induktor oder mehrere Induktoren 2 sind am äußeren Stahlmantel des Ofengefäßes angeflanscht, so. daß eine feste Verbindung zwischen dem Ofengefäß und dem Induktor

bzw. den Induktoren besteht. Die· Zuführung des inerten Ga-ses zum Boden des Ofengefäßes erfolgt durch eine Ringleitung 10 und in der Regel vier bis acht Rohre 12, die jeweils in einem Spülstein 8 enden. Von hier aus wird das inerte Gas durch die Schmelze 3 durchgedrückt. Luft und Abgase, die sich im Raum 13 über der Metallschmelze sammeln, verlassen durch die Rohrleitung 9 und das Wegeventil 5 sowie die Rohrleitung 7 das Ofengefäß. Rohrleitung 7 steht mit einer oder mehreren Vakuumpumpen in Verbindung,

Ist die Behandlung der Schmelze 3 mit Inertgas beendet, d. h. hört die Zufuhr des Inertgases auf, entsteht beim Weiterbetreiben der Vakuumpumpen im Raum über der Metallschmelze 13 ein Unterdruck von 0,5 atü = 49 · 10·^ Pa. Inertgasspülung und Vakuumentgasung können mit der gleichen Vorrichtung in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt werden. Die Metallentleerung aus dem Rinneninduktionsofen erfolgt mittels Druckluft, die über die Rohrleitung 6, das Wegeventil 5 (das nach Beendigung der Entgasung umgestellt werden muß) und die Rohrleitung 9 in den Raum 13 über die Metallschmelze geleitet wird. Sie wirkt auf die Metalloberfläche und drückt die Schmelze 3 durch das Steigrohr 11 aus dem OfengefäS zur Gießeinrichtung.

Claims (3)

1. Erfindungsanspruch

   1. Verfahren zur metallurgischen Behandlung von Aluminium- und Aluminiumlegierungsschmelzen im Induktionsofen (Warmhalteofen), das die Spülung der Schmelze mit Inertgas und ihre Vakuumbehandlung einschließt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verminderung des Oxid- und Gasgehaltes der Schmelze und zur Vermeidung der Wiederaufnahme von Gas und Oxid bis zum Gießort im Komplex Inertgas 5 bis 30 Minuten über die Bodenfläche des Ofens bei gleichzeitiger Absaugung der entstehenden Gase aus dem Raum über der Schmelze (13) bei einem Druck von

   98,1 . 10³ Pa bis 117,7 . 10·³ Pa gleichmäßig verteilt wird, eine Vakuumbehandlung von 20 bis 60 Minuten bei einem Druck von 49 . 10^ Pa erfolgt, danach in den Raum über der Schmelze (13) Luft bis zum Erreichen eines Druckes zwischen 117»7 · Ю Pa und 147*2 · 10^ Pa einströmt, damit in-Abhängigkeit vom turbulenzfreien Abfluß des Metalls durch ein Steigrohr (11) aus dem Ofen der dazu erforderliche Ausgleich des metallostatischen Druckes kontinuierlich eintritt.
2. 2. Verfahren gemäß Pkt. 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensschritte der Spülung mit Inertgas und die Vakuumbehandlung zeitlich nacheinander in beliebiger Reihenfolge ablaufen können.
3. 3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt 1 und. 2, zu der ein hermetischer Induktionsofen (Warmhalteofen), mit einem oder mehreren an seinem.Gehäuse befestigten Induktoren, eine Zuführungsleitung, die mit Vakuumpumpen verbunden ist, sowie ein System zur Zuführung von Inertgas gehören,

   dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer Ringrohrleitung (10) ausgerüstet ist, die den Ofeninduktor (2) erfaßt und von welcher vertikale Stichleitungen (12) abgehen, die jeweils zu einem in der feuerfesten Auskleidung des Ofenbodens befestigten Spülstein (8) führen und ferner mit einem Steigrohr (11) versehen ist, das durch die Ofenwand führt.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnung