Reinigung von Metallschmelzen

Abstract

 Das Verfahren zur Reinigung einer Metallschmelze (10) arbeitet mit einem in deren unteren Bereich eingeleiteten Aktivgas, bestehend aus einem inerten Trägergas (30) und einem aktiven, gasförmigen Halogen (20), welche dosiert in ein Gefäss (12) mit der stehenden oder fliessenden Metallschmelze (10) eingeleitet werden.
Das aktive, gasförmige Halogen (20) wird in wenigstens einer Gasentwicklungszelle kontrolliert erzeugt und in das Trägergas hineingeführt. Das aktive Gasgemisch wird direkt in die Metallschmelze (10) geleitet. Die Gaszufuhrleitung (22) des Halogens hat kein Regel organ.
Die Gasentwicklungszelle zur Erzeugung des Halogens (20) ist vorzugsweise eine auswechselbare Elektrolysezelle (18), es wird nur bei eingeschaltetem Elektrolysestrom, welcher einer Sollkurve folgt, proportional zur Stromstärke, Gas erzeugt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Reinigung einer Metallschmelze mit einem in deren unteren Bereich eingeleiteten Aktivgas, bestehend aus einem inerten Trägergas und einem aktiven, gasförmigen Halogen, welche dosiert in ein Gefäss mit der stehenden oder fliessenden Metallschmelze eingeleitet werden. Weiter betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung und eine Anwendung des Verfahrens.

[0002] Ganz allgemein besteht der Zweck einer Schmelzereinigung darin, die Konzentration sowohl von gelösten Komponenten als auch von gasförmigen oder festen Einschlüssen auf ein akzeptables Mass zu reduzieren. Dazu ist in verschiedenen Metallgiessereien eine Reihe von Schmelzereinigungsverfahren entwickelt worden, von denen einige erwähnt seien:

• Spülgasbehandlung mit einem inerten Gas, beispielsweise Argon und/oder Stickstoff,
• Spülgasbehandlung mit einem aktivierten Inertgas, welches einen Zusatz eines aktiven Gases hat, beispielsweise Chlor oder Freon,
• ausschliessliche Filtration der Schmelze,
• kombinierte Spülgas- und Filtrationsbehandlung,
• Vakuumbehandlung.

[0003] Von diesen dem Fachmann bekannten Verfahren ist, mindestens im vorliegenden Fall, die Spülgasbehandlung mit einem aktivierten Inertgas von besonderem Interesse.

[0004] Ein reines Inertgas entfaltet eine ausschliesslich physikalische Wirkung, die Metallionen diffundieren wegen ihres Dampfdrucks in die Blasen und Bläschen eines in einer Schmelze aufsteigenden Inertgases und werden an die Metalloberfläche getragen, wo sich die Krätze bildet.

[0005] Der Zusatz einer aktiven Komponente, beispielsweise Chlor, bewirkt neben der physikalischen eine chemische Reaktion. Ein verdünnt eingeleitetes, gasförmiges Halogen oxydiert die im schmelzflüssigen Metall gelösten Alkali- und Erdalkalimetalle, welche nach dem Aufsteigen als Halogenide in der Krätze ausgeschieden werden. Das als Trägergas für das gasförmige Halogen eingesetzte Argon und/oder der Stickstoff vermag gleichzeitig den Wasserstoffgehalt der Schmelze zu erniedrigen.

[0006] Abgesehen davon, dass die höhere Wirksamkeit bei der Zugabe eines aktiven Gases zu einem Inertgas mit höheren Krätzeverlusten erkauft werden muss, rückt die Umweltverträglichkeit der in Giessereien eingesetzten Halogene zusehens mehr ins Blickfeld. Die Verdünnung der verwendeten, gasförmigen Halogene mit einem inerten Trägergas hat die Probleme in bezug auf Umwelt und Arbeitsplatzhygiene entschärft. Mit programmgesteuerter Prozesskontrolle kann die Dosierung so exakt erfolgen, dass das in feinen Bläschen enthaltene, gasförmige Halogen praktisch vollständig zu einem Metallhalogenid umgesetzt wird. Die verbleibenden Halogenwasserstoffe können mit entsprechendem Aufwand aus dem Abgas ausgewaschen werden. Die wesentlichen Probleme von Giessereien, welche Verfahren zur Reinigung von Metallschmelzen anwenden, liegen kaum mehr auf dieser Ebene.

[0007] Von den gasförmigen Halogenen wird heute, wie schon in der Vergangenheit, hauptsächlich Chlor eingesetzt. Dieses sehr aggressive, in grösseren Mengen gefährliche Gas bringt den Metallgiessereien zahlreiche gesetzliche Auflagen und erhebliche betriebliche Probleme:

• Der Vorrat an gasförmigem Halogen muss unter hohem Druck in einem Lagertank ausserhalb von Gebäuden, in einem geschützten Areal, gelagert werden. Nicht nur an den Tank, auch an die Zuliefertechnik und die berstsichere Zuleitung des Halogens zur Schmelze werden erhebliche Anforderungen gestellt.
• Die erforderlichen Reduzierventile für gasförmiges Halogen bedingen hohe Wartungskosten, ausserdem sind gefährliche Manipulationen notwendig.
• Die unvermeidbare Korrosion in den Mess- und Dosiervorrichtungen führt nicht selten zu einer Verfälschung der Anzeige. Der Fachmann bleibt stets im Ungewissen, ob tatsächlich die richtige Menge gasförmiges Halogen zugeführt wird. Eine zu grosse zugeführte Menge kann die Umwelt und den Arbeitsplatz belasten sowie zu Korrosionsschäden führen, eine zu geringe Menge führt zu metallurgischen Unsicherheiten.

[0008] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchem ein verdünntes, aktives, gasförmiges Halogen ohne die obenstehenden Nachteile dosiert in eine Metallschmelze geleitet werden kann. Weiter soll eine Vorrichtung zur Durchführung und eine Anwendung des Verfahrens geschaffen werden.

[0009] In bezug auf das Verfahren wird die Aufgabe erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass das aktive, gasförmige Halogen in wenigstens einer Gasentwicklungszelle kontrolliert erzeugt, in das Trägergas hineingeführt, und das aktive Gasgemisch direkt in die Metallschmelze geleitet wird.

[0010] Der erfindungswesentliche Unterschied zum bekannten Stand der Technik besteht also darin, dass nicht mehr ein Halogen in grosser Menge erzeugt, tranportiert, im Freien gelagert, über eine berstsichere Leitung ins Gebäudeinnere geführt und dort dosiert werden muss, sondern das gasförmige Halogen in derjenigen Menge und solange hergestellt wird, wie es in die Schmelze zu leiten ist. Das Dosieren erfolgt nicht über ein oder mehrere korrosionsanfällige Dosierorgane, sondern durch problemlose Variation der Herstellungsparameter.

[0011] Dies wird besonders deutlich bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, nach welcher das gasförmige Halogen in einer Elektrolysezelle programmgesteuert erzeugt wird, wobei die Gaserzeugung in bezug auf Menge pro Zeiteinheit und Dauer durch die Steuerung der Stromstärke des Elektrolysestroms erfolgt.

[0012] Die pro Zeiteinheit in die Schmelze eingeleitete Halogenmenge und dementsprechend die Stromstärke der Elektrolysezelle wird nach Massgabe eines vorgegebenen Programms durch den separat gemessenen Durchfluss des Trägergasstromes, den Metalldurchfluss (bei fliessender Metallschmelze) und/oder die oberhalb des Behandlungsgefässes gemessene Konzentration an Reaktionsprodukten oder unverbrauchtem Halogen angesteuert.

[0013] Die Gaserzeugung setzt mit dem Einschalten des Elektrolysestroms ein und wird beim Unterbrechen der Stromeinspeisung augenblicklich abgestoppt. Während des Elektrolyseprozesses ist die Gasbildungsrate direkt proportional zum fliessenden Gleichstrom. Da der Elektrolysestrom problemlos und exakt geregelt werden kann, ist auch die Dosierung des entstehenden gasförmigen Halogens entsprechend exakt und wird durch keine Korrosionsvergänge behindert. Das gasförmige Halogen, beispielsweise Chlor, kann in der richtigen Menge und während der erforderlichen Zeitdauer zugegeben werden, es bestehen weder metallurgische Unsicherheiten wegen eventuell zu geringer Gaszufuhr noch unnötige Belastungen von Umwelt und Arbeitsplatz wegen zu hoher Gaszufuhr. Die Menge des zugeführten Halogens kann so dosiert werden, dass dieses praktisch vollständig aufgebraucht wird.

[0014] Das entwickelte Halogen wird vorzugsweise in einen Gasstrom aus reinem inerten Trägergas hineingeführt und ein Gasgemisch gebildet. Als Trägergase eignen sich aus technischen und wirtschaftlichen Gründen in erster Linie Argon und/oder Stickstoff. Diese inerten Gase können z. B. mit üblichen Durchflussmessern dosiert werden, sie entfalten keinerlei korrosive Wirkung.

[0015] Dem Trägergas werden vorzugsweise 0,5-10 Vol.-% eines gasförmigen Halogens zugemischt, insbesondere 1-3 Vol.-%. Diese Verdünnung ist an sich bekannt und wird in konventionellen Verfahren häufig angewendet.

[0016] Als programmgesteuert zur elektrochemischen Reaktion gebrachte Halogenquelle für die gasförmig in das Trägergas eingegebenen Halogene werden in erster Linie der betreffende Halogenwasserstoff, z.B. Chlorwasserstoff, oder ein Alkalisalz des betreffenden Halogens verwendet, z.B. Kochsalz. Diese Halogenquellen werden vorzugsweise gelöst oder verflüssigt in eine Elektrolysezelle bekannter Bauart gegeben. Während der Speisung der Zelle mit Gleichstrom wird proportional zur Stromstärke gasförmiges Halogen abgeschieden. Als Nebenprodukt entsteht dabei Wasserstoff, das betreffende Alkalimetall oder eine Alkalilauge. Wegen der verhältnismässig geringen Mengen des benötigten gasförmigen Halogens werden die Nebenprodukte in der Regel nicht verwertet, sondern verbrannt (Wasserstoff) oder neutralisiert (Alkalilaugen).

[0017] Von den zur Reinigung von Metallschmelzen eingesetzten gasförmigen Halogenen hat Chlor, wie bereits erwähnt, die weitaus grösste Bedeutung. Dieses wird aus Salzsäure oder Kochsalz als Chlorquelle hergestellt. Ein Giessereikunde verlangt nicht selten ausdrücklich, dass das ihm gelieferte Metall mit Chlor gereinigt wird.

[0018] Obwohl das mit dem inerten Trägergas verdünnte, gasförmige Halogen der Metallschmelze in der Praxis in vorausbestimmter, konstanter Menge zugeführt wird, kann dank der kontrollierten Gasentwicklung in einer Zelle, insbesondere in einer Elektrolysezelle, eine Sollkurve für den zeitlichen Ablauf der zu erzeugenden Gasmenge festgelegt werden. Diese kann je nach dem spezifischen Bedürfnis nicht nur parallel zur Zeitachse verlaufen, sondern linear, progressiv oder degressiv ansteigen oder abfallen. Die Gaszufuhr kann auch pulsierend erfolgen, mit oder ohne zwischen den Pulsen liegenden Gaserzeugsmengen. Insbesondere mit einer Elektrolysezelle kann also eine praktisch beliebige Sollkurve festgelegt und programmgesteuert abgefahren werden.

[0019] Mit einer bekannten, bisher üblichen Regelung der Zufuhr von gasförmigen Halogenen zum Trägergas wäre eine derartige Flexibilität völlig undenkbar.

[0020] Bei der Entfernung von gelösten Alkali- und/oder Erdalkalimetallen aus einer stehenden Aluminiumschmelze mit Chlor kann beispielsweise, entsprechend einer höheren Konzentration der mit Chlor abzubindenden Verunreinigungen, anfänglich eine höhere Konzentration von Chlor erzeugt und dem Gas zugegeben werden, bevorzugt 3-20 Vol.-%. Dann wird, entsprechend dem sinkenden Verunreinigungsgehalt der Schmelze, der Chlorgehalt sukzessive abgesenkt, vorzugsweise langsam bis auf Null. Dadurch wird erreicht, dass der Verunreinigungsgrad der Schmelze in minimaler Zeit auf das gewünschte Mass gesenkt wird, ohne dass überschüssiges Chlor frei wird. Das Eintauchen und Wiederherausziehen der Gaszufuhrelemente kann erfolgen, während reines Inertgas austritt.

[0021] In bezug auf die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass einem Gefäss mit einer Metallschmelze wenigstens eine Gasentwicklungszelle zur Herstellung eines gasförmigen Halogens und eine in die Metallschmelze führende Gaszufuhrleitung ohne Regelorgan zugeordnet ist.

[0022] Die zugeordneten Gasentwicklungszellen, insbesondere Elektrolysezellen, sind an sich bekannt und können jedem einschlägigen Lehrbuch für Elektrochemie entnommen werden. Von erfindungswesentlicher Bedeutung ist, dass wenigstens eine dieser Zellen einem Gefäss mit einer zu reinigenden Metallschmelze zugeordnet ist, und die Regelung eines erzeugten gasförmigen Halogens durch Steuerung des Herstellungsprozesses, nicht durch in die Gaszufuhrleitung zum Gefäss mit der Metallschmelze eingebaute Regelorgane, beispielsweise Durchflussmesser, erfolgt. Diese durch die aggressive, gasförmige Halogene angegriffenen und wegen Korrosionsschäden unzuverlässig arbeitenden Regelorgane sind deshalb überflüssig.

[0023] Vorzugsweise ist/sind die einem Gefäss mit einer Metallschmelze zugeordnete/n Gasentwicklungszelle/n auswechselbar. Damit können einerseits die Gasentwicklungszellen für verschiedene Gefässe für eine Metallschmelze verwendet werden, und andrerseits kann eine Metallschmelze wenn notwendig auch beim Vorliegen kleinerer Zellen mit einer grösseren Gasmenge und/oder mit verschiedenen gasförmigen Halogenen gereinigt werden.

[0024] Obwohl das erfindungsgemässe Verfahren für die Reinigung von Metallschmelzen ganz allgemein anwendbar ist, ist es zur Reinigung einer Schmelze aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit Chlor im besonderem Masse geeignet. Neben Wasserstoff können gelöste Alkali- und Erdalkalimetalle, wie Natrium, Lithium, Magnesium und Kalzium, praktisch vollständig aus der Schmelze entfernt oder auf das erforderliche Mass reduziert werden.

[0025] In besonders vorteilhafter Weise kann das erfindungsgemässe Verfahren zur Reinigung einer Metallschmelze in einem zwischen einem Giessofen und einer Giessmaschine angeordneten Gefäss angewendet werden, in welchem gleichzeitig ein Filter zur Entfernung fester Einschlüsse angeordnet sein kann.

[0026] Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die aufgeschnittenen Ansichten zeigen schematisch:

• Fig. 1 ein Gefäss mit der Ausrüstung zur Reinigung von Metallschmelzen im Durchlaufverfahren, und
• Fig. 2 ein Gefäss mit der Ausrüstung zur Reinigung einer stehenden Metallschmelze.

[0027] Die verunreinigte Metallschmelze 10 wird über einen Einlauf 34 in ein Gefäss 12 geleitet. In diesem Gefäss ist eine sich bis gegen den Bereich des Bodens erstreckende Umlenkwand 14 angeordnet, um welche die Metallschmelze 10 geleitet und nach dem Aufsteigen über einen Auslauf 35 abgeleitet wird. Die Metallschmelze 10 kann noch durch ein nicht dargestelltes Filter geführt werden, welches feste Einschlüsse zurückhält.

[0028] Von oben taucht ein Rotor 16 in die Metallschmelze 10. Selbstverständlich können anstelle des Rotors in bekannter Weise mehrere Lanzen angeordnet sein.

[0029] In einer von Gleichstrom niedriger Spannung gespeisten Elektrolysezelle 18 bekannter Bauart wird ein gasförmiges Halogen 20, im vorliegenden Fall Chlor, hergestellt, welches durch die Zufuhrleitung 22 in Richtung des Gefässes 12 mit der Metallschmelze 10 geführt wird. Die Zufuhrleitung 22 mündet in eine weitere Zufuhrleitung 24 mit einem stromauf der Verzweigung 26 liegenden Dosierorgan 28 für das Inertgas 30.

[0030] Stromab der Verzweigung 26 ist die gemeinsame Zufuhrleitung 22, 24 für das mit gasförmigem Halogen verdünnte, inerte Trägergas 30 mit dem Rotor 16 verbunden. Ein mitdrehender Versprühteller 32 verteilt das zugeführte, aktive Gas in kleine Gasbläschen, welche die über den Einlauf 34 zugeführte Metallschmelze 10 von Wasserstoffeinschlüssen und gelösten Alkali- und Erdalkalimetallen reinigen.

[0031] Die an sich bekannten Vorrichtungen zum Wegführen und Entsorgen von in der Metallschmelze 10 nicht verbrauchten Halogenen und Nebenprodukten der Elektrolysezelle 18 sind der Uebersichtlichkeit wegen nicht dargestellt.

[0032] Fig. 2 zeigt eine stehende Metallschmelze 10 in einem Gefäss 12. Die Erzeugung und Zufuhr des gasförmigen Halogens erfolgt in Fig. 1 entsprechender Weise.

[0033] Das mit dem Inertgas 30 verdünnte, gasförmige Halogen 20 wird in eine unterhalb des Gefässes 12 angeordnete Verteilkammer 36 geleitet und tritt von dort über einen Spülstopfen 38 mit einer Haltevorrichtung 40 als feinverteilte Bläschen in die Metallschmelze 10 über.

[0034] Die mit dem Halogen reagierenden Alkali- und Erdalkalimetalle sammeln sich in einer auf der Metallschmelze 10 schwimmenden Krätze 42 und können mit dieser entfernt werden.

[0035] Aus beiden Figuren ist das erfindungswesentliche Prizip der direkten Erzeugung eines gasförmigen Halogens und dessen Ueberleitung in die Schmelze ohne irgendwelche Dosierorgane gut ersichtlich.

Ansprüche

1. Verfahren zur Reinigung einer Metallschmelze (10) mit einem in deren unteren Bereich eingeleiteten Aktivgas, bestehend aus einem inerten Trägergas (30) und einem aktiven, gasförmigen Halogen (20), welche dosiert in ein Gefäss (12) mit der stehenden oder fliessenden Metallschmelze (10) eingeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive, gasförmige Halogen (20) in wenigstens einer Gasentwicklungszelle kontrolliert erzeugt, in das Trägergas (30) hineingeführt, und das aktive Gasgemisch direkt in die Metallschmelze (10) geleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Halogen (20) in einer Elektrolysezelle (18) programmgesteuert erzeugt wird, wobei die Gaserzeugung in bezug auf Menge pro Zeiteinheit und Dauer durch die Steuerung der Stromstärke des Elektrolysestroms erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die pro Zeiteinheit in die Metallschmelze (10) eingeleitete Menge an Halogen (20) nach Massgabe des vorgegebenen Programms durch den separat gemessenen Durchfluss des Trägergases (30), bei einer fliessenden Metallschmelze (10) den Metalldurchfluss und/oder die oberhalb des Behandlungsgefässes gemessene konzentration an Reaktionsprodukten oder unverbrauchtem Halogen (20) angesteuert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass als Aktivgas ein Trägergas (30) aus Argon und/oder Stickstoff, mit vorzugsweise 0,5-10 Vol.-% eines gasförmigen Halogens (20), insbesondere Chlor, eingesetzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende der Reinigung einer stehenden Metallschmelze (10) mit reinem Inertgas (30) gespült wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn der Reinigung der Metallschmelze (10), entsprechend dem anfänglich höheren Gehalt an Verunreinigungen, eine erhöhte Menge gasförmigen Halogens (20) erzeugt und zugeführt wird, vorzugsweise mit einem Anteil von 3-20 Vol.-% im Trägergas, und der Halogengehalt sukzessive abgesenkt wird, insbesondere langsam bis auf Null.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass einem Gefäss (12) mit einer Metallschmelze (10) wenigstens eine Gasentwicklungszelle zur Herstellung eines Halogens und eine in die Metallschmelze (10) führende Gaszufuhrleitung (22) ohne Regelorgan zugeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasentwicklungszelle/n, insbesondere eine Elektrolysezelle/n (18), auswechselbar ist/sind.

9. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-6 zur Reinigung einer Schmelze (10) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit Chlor.

10. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 9 zur Reinigung der Schmelze (10) in einem zwischen einem Giessofen und einer Giessmaschine angeordneten Gefäss (12), auch mit einem Filter, zur Entfernung fester Einschlüsse.

Zeichnung