Verfahren zum Herstellen einer Al- oder Mg-Legierung und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Abstract

 Ein Verfahren zum Herstellen einer Leichtmetallegierung, welche mindestens eine flußmittelempfindliche Komponente enthält, weist die folgenden Verfahrensschritte auf:

a) Schmelzen des Leichtmetalles bzw. Legieren der gegenüber Flußmitteln unempfindlichen Legierungskomponenten in einer Schmelzkammer (2) unter Abdeckung der Badoberfläche durch das Flußmittel;

b) Überführen der so mit Hilfe des Flußmittels gereinigten Schmelze des Leichtmetalles in eine zweite Ofenkammer (3); und

c) Zugabe der mindestens einen flußmittelempfindlichen Komponente in die zweite Ofenkammer (3). Dies kann in einer Vorrichtung erfolgen, bei welcher der Schmelzkammer (2) eine Einrichtung (5, 5') zum Abführen von durch Flußmittel verursachte Gase zugeordnet ist. Die zweite Ofenkammer (3) weist dagegen einen Zulauf (19) zum Anschluß an eine Schutzgasquelle auf.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Leichtmetallegierung, welche mindestens eine flußmittelempfindliche Komponente enthält sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

[0002] Bei der Herstellung gewisser Legierungen ergibt sich das Problem, daß manche Komponenten flußmittelempfindlich sind. Das bedeutet, daß zur Herstellung solcher Legierungen sehr reine Legierungskomponenten verwendet werden müssen und es nicht möglich ist, Material mit der im rauhen Alltagsbetrieb oft mehr oder weniger verschmutztes Ausgangsmaterial zu verwenden. Zwar ist es bekannt, Flußmittel zur Reinigung auf die Badoberfläche aufzubringen, aber eben dieses Verfahren verbietet sich an sich dann, wenn die Legierung eine flußmittelempfindliche Komponente enthalten soll. Herkömmliche Verfahren müssen daher von sehr reinen Ausgangsmaterialien ausgehen, da ein Reinigungsvorgang schwer durchführbar und auch kostspielig wäre. Beispielsweise spricht die US-A-4,394,348 von den Schwierigkeiten, die bei einer Legierung mit Strontium auftreten, welches zur Schaumbildung neigt. Ähnliche Schwierigkeiten finden sich aber auch bei anderen Komponenten, wie Beryllium und Seltenen Erden. So wird auch in der EP-A-0 967 294 auf die Bildung von Schwimmschlamm bei Al-Mg-Be-Legierungen hingewiesen. Schließlich wird in der US-A-3,477,844 gar der Vorschlag gemacht, Berylliumhalid in Dampfform einem Aluminiumbad zuzugeben; daß dies in der Praxis nicht unproblematisch ist versteht sich von selbst.

[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Legierungsverfahren aufzuzeigen, bei dem auch kostengünstiges Ausgangsmaterial - insbesondere was die Hauptkomponente(n) der Legierung anlangt - auf einfache Weise zu der angestrebten Legierung verarbeitet werden kann. Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe in drei Schritten, nämlich durch

a) Schmelzen des Leichtmetalles bzw. Legieren der gegenüber Flußmitteln unempfindlichen Komponenten in einer Schmelzkammer unter Abdeckung der Badoberfläche durch das Flußmittel;

b) Überführen der so mit Hilfe des Flußmittels gereinigten Schmelze des Leichtmetalles in eine zweite Ofenkammer; und

c) Zugabe der mindestens einen flußmittelempfindlichen Komponente in die zweite Ofenkammer.

[0004] Das Leichtmetall wird ja im allgemeinen die Hauptkomponente bilden. Daher ist eine Reinigung mit Hilfe von Flußmittel im ersten Schritt höchst wirkungsvoll, während die flußmittelempfindlichen Komponenten einstweilen noch dem Bad fernbleiben. Erst im zweiten Schritt werden die flußmittelempfindlichen Komponenten zugegeben, aber vorzugsweise durch eine Schutzgasdecke geschützt (sofern dies erforderlich ist und man nicht beispielsweise mit einem Vakuum oberhalb der Badoberfläche auskommt).

[0005] Ein Problem, das bei der sofortigen Weiterverarbeitung zu Masseln, Strängen oder anderem geformten Material auftaucht, besteht darin, daß diese Formvorgänge im allgemeinen, wenigstens über eine gewisse Zeit, kontinuierlich ablaufen, beispielsweise in einer Stranggußanlage, wogegen die Kammern ja nur chargenweise befüllt und entleert werden können. Um diesem Problem abzuhelfen ist es erfindungsgemäß bevorzugt, wenn von mindestens zwei Schmelzenkammern jeweils abwechselnd die eine befüllt und aufgeheizt, die andere entleert wird, und daß vorzugsweise den beiden Kammern eine wenigstens periodisch kontinuierlich arbeitende Formmaschine nachgeschaltet ist. Es sind dann also mindestens zwei Paare von Schmelzenkammer und zweiter Ofenkammer vorhanden, die abwechselnd die wenigstens periodisch kontinuierlich arbeitende Formmaschine speisen und in der Zwischenzeit allenfalls gereinigt werden können.

[0006] Besonders vorteilhaft wird das erfindungsgemäße Verfahren angewandt, wenn dem unter Schutzgas befindlichen Leichtmetallbad in der zweiten Ofenkammer Strontium und/oder Beryllium zugegeben wird, beispielsweise um die Legierung AJ 62 zu erhalten.

[0007] Die Erfindung bezieht sich, wie schon gesagt, auch auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Eine solche Vorrichtung geht von einer solchen aus, welche eine Schmelzenkammer und eine zweite Ofenkammer aufweist und ist dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzenkammer eine Einrichtung zum Abführen von durch Flußmittel verursachte Gase zugeordnet ist, und daß die zweite Ofenkammer einen Zulauf zum Anschluß an eine Schutzgasquelle aufweist. Während nämlich das Flussmittel einfach über eine an sich beliebige Zufuhröffnung in die Schmelzenkammer eingebbar ist, entwickeln sich durch die Zugabe Gase, welche aus der Schmelzenkammer abgeführt werden müssen, und dies unterscheidet die erfindungsgemäße Anordnung vom Stand der Technik.

[0008] Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich an Hand der nachfolgenden Beschreibung eines an Hand der einzigen, die erfindungsgemäße Vorrichtung in Perspektive zeigenden Figur der Zeichnung erläuterten Ausführungsbeispieles.

[0009] Bei der dargestellten Ausführungsform stehen unterhalb eines zu Bedienungs- oder Wartungszwecken begehbaren Gerüstes 1 je ein eine Schmelzkammer umfassender Schmelzofen 2 eines Paares bestehend aus einem solchen Schmelzofen 2 und einer nachgeschalteten zweiten Ofenkammer 3 bzw. eines eine solche Kammer umfassenden Ofens 3. Wenn hier eher von Schmelzkammer und Ofenkammer statt von Schmelzofen und weiterem Ofen die Rede ist, so soll damit zum Ausdruck gebracht werden, daß die Öfen 2, 3 zu einem einzigen Zweikammerofen zusammengefaßt sein können, der dementsprechend dann eine Schmelzkammer und eine Entnahmekammer beinhaltet, etwa ähnlich der Ausführung, wie sie beispielsweise in der US-A-5,411,240 oder der EP-A-1130266 (Fig. 7) gezeigt ist.

[0010] Während aber herkömmliche Zweikammeröfen dieser Art für gewöhnlich unter einer Schutzgasdecke betrieben werden, sollen die Schmelzkammern 2 dazu dienen, relativ unreines - und somit kostengünstiges - Rohmaterial aufzubereiten, welches dann innerhalb der Schmelzkammern 2 mit Hilfe eines Flußmittels gereinigt wird. Die Verwendung eines Flußmittels ist jedoch dann nicht möglich, wenn das Ausgangsmaterial ein Leichtmetall, wie Aluminium, ist, welches mit einem auf Flußmittel empfindlichen Legierungsbestandteil legiert werden soll. Ein typischer solcher Legierungsbestandteil ist etwa Strontium (das in Gegenwart von Flußmittel zu schäumen beginnt), aber auch Beryllium. Andere empfindliche Legierungsbestandteile sind Seltene Erden.

[0011] Um nun den einander widersprechenden Anforderungen Rechnung zu tragen, wird erfindungsgemäß das Legieren in (wenigstens) zwei Stufen durchgeführt, indem man zuerst in den Schmelzkammern 2 den bzw. die gegen Flußmittel unempfindlichen Hauptbestandteil(e) der gewünschten Legierung durch Zugabe von Flußmittel auf die Badoberfläche reinigt und daher mit einem kostengünstigen Ausgangsmaterial starten kann. Zu diesem Zweck weist jede der beiden Schmelzkammern 2 eine Absaughaube 4 etwa in Form eines Parallelepipeds auf, an die ein Absaugrohr 5 angeschlossen ist. Das untere Ende 5' dieses Absaugrohres 5 kann dann gegebenenfalls zu einem Filter, einer Gaswaschanlage od.dgl. geführt werden. Der bzw. die Hauptbestandteile) können Mg oder Al alleine oder ein gegen Flußmittel unempfindlicher Legierungsbestandteil, wie Cu, zusätzlich sein.

[0012] Jeder Schmelzkammer 2 ist ein Schaltpult 6 zum Einstellen der Heizleistung bzw. der Temperatur und anderer Daten zugeordnet. Die Oberseite jeder Schmelzkammer 2 ist jeweils durch einen entfembaren Deckel 7 abgeschlossen, der von einem Pumpenrohr 8 mit aufgesetztem Pumpenmotor (ähnlich wie in der US-A-5,411,240 oder der EP-A-1130266) durchsetzt wird. Wie bei diesen bekannten Pumpen ragt das (hier nicht sichtbare) Ansaugrohr jeder Pumpe 8 innerhalb der Schmelzkammer 2 bis auf ein Niveau hinab, welches oberhalb des Bodens der Schmelzkammer aber unterhalb des Badniveaus gelegen ist, um auf diese Weise zu vermeiden, daß weder Sinkstoffe vom Boden noch Schwimmstoffe vom Badniveau angesaugt werden. Das Auslaufrohr 9 dieser Pumpe 8 erstreckt sich durch einen, gegebenenfalls abdeckbaren und gewünschtenfalls mit Schutzgas versorgten, Trichter 10 (hier offen gezeigt), ab welchem mindestens eine flussmittelempfindliche Komponente, wie Strontium, zugegeben wird. Die Mischung wird dann über ein Trichterrohr 11 (oder eine geeignete Öffnung in der Ofenkammer 3) chargenweise in die jeweils darauf folgende Ofenkammer 3 eingebracht. Die so eingebrachte Legierungskomponente (oder deren mehrere) wird im allgemeinen in kleinen Mengen vorliegen (etwa wie dies bei AJ62 der Fall ist), weshalb eine allfällige Verunreinigung derselben wenig Einfluß auf die Qualität der Legierung haben wird. Anderseits können gerade so kleine Mengen leichter in gereinigter Form erhalten und so der Legierung beigegeben werden. Statt die Schmelze zu pumpen, kann diese auch durch Kippen des Schmelzofens 2 in die weitere Ofenkammer 3 gefördert werden.

[0013] Die weitere Ofenkammer 3 wird nun, für gewöhnlich, eine Temperatur besitzen, welche die über den jeweiligen Zugabetrichter 10 zugegebene Legierungskomponente schmilzt. Diese Temperatur kann höher sein, als die der Schmelzkammer 2 (falls die flussmittelempfindliche Komponente eine höhere Schmelztemperatur besitzt), sie kann - im umgekehrten Fall - aber auch eine geringere Temperatur besitzen, um so die Schmelze nur weiterhin flüssig zu halten. Es sei aber erwähnt, daß die Legierungsbestandteile, z.B. das Beryllium, nicht unbedingt geschmolzen werden müssen, sondern, beispielsweise in Pulverform, als Kristallisationskeime in die Schmelze eingebracht werden können, wenn etwa diese Schmelze im teilerstarrten Zustand weiterverarbeitet werden soll. Im allgemeinen wird es also bevorzugt sein, wenn die Temperatur der zweiten Ofenkammer 3 geringer ist als die der Schmelzkammer 2. Um eine gleichmäßige Durchmischung zu erhalten, kann die weitere Ofenkammer 3 mit einem an sich bekannten mechanischen oder jedem anderen Rührwerk versehen sein, beispielsweise mit einer Einrichtung zum Umrühren mittels einer Pumpe, bei der sowohl Ansaug- als auch Austrittsöffnung innerhalb des Bades der Ofenkammer 3 angeordnet sind, ähnlich wie dies in der DE-A-102 56 513 beschrieben ist.

[0014] Die Ofenkammern 3, ebenso wie ein diesen Ofenkammern 3 nachgeschalteter beheizbarer Ofenraum 12, sind vorzugsweise auf Hebebühnen 13 gelagert, um damit die Verbindung mit dem Trichterrohr 11 leichter lösen zu können. Die Hebebühnen 13 können gewünschtenfalls zu einer gemeinsamen, synchronisierten Auf- oder Abbewegung geschaltet sein.

[0015] Der beheizbare Raum 12 ist Teil einer wenigstens periodenweise kontinuierlich arbeitenden Formmaschine. Es kann sich dabei um eine Stranggießanlage, insbesondere eine Horizontal-Stranggießanlage, handeln, im vorliegenden Ausführungbeispiel jedoch ist der Ofenraum 12 Teil einer Abmasselvorrichtung, bei welcher in an sich bekannter Weise Masselformen 14 entlang eines Transportweges 15 an einer Auslaßrinne 16 des beheizbaren Raumes 12 und einer zugehörigen Pumpe 17 zur Befüllung vorbeigeführt werden, d.h. nach Füllung jeder Masselform 14 wird die Pumpe 17 abgestellt (quasi-kontinuierlicher Betrieb), bis eine neue Masselform 14 vor der Auslaßrinne 16 liegt. Die Pumpe 17 wird vorzugsweise ähnlich ausgebildet sein, wie die Pumpen 8. Selbstverständlich wäre es möglich (wenn es auch nicht bevorzugt ist), die Masselformen 14 mittels eines Löffels zu beschicken. Anderseits ist es auch möglich, die Auslaßrinne 16 unter Schutzgas zu führen.

[0016] Innerhalb des beheizbaren Raumes 12 ist vorzugsweise ein Niveausensor (nicht dargestellt) vorgesehen, wobei die Nachfüllung des Raumes 12 (der ja quasi-kontinuierlich arbeitet, wogegen die Ofenkammern 3 chargenweise befüllt werden) abwechselnd nach Befüllung einer Ofenkammer 3 über ein Rohr 18 (nur eines ist sichtbar) an der Unterseite der gereinigte Schmelze enthaltenden Ofenkammer 3 erfolgt, sei es über ein vom Niveausensor gesteuertes Ventil oder eine Pumpe. Da also die Ofenkammern 3 abwechselnd entleert oder von den Schmelzenkammem 2 beschickt werden, kann der quasikontinuierliche Betrieb der Formmaschine 12-15 aufrecht erhalten werden. Es wurde oben gesagt, daß die Kammern 2 und 3 in einem einzigen Zweikammerofen vereinigt werden können. An sich wäre es auch denkbar, den beheizbaren Raum 12 als dritte Kammer in einen solchen Mehrkammerofen zu integrieren.

[0017] Es sei erwähnt, daß sowohl die Ofenkammern 3 als auch der beheizbare Raum 12 an ihrer Oberseite Zu- und Ableitungen 19 für ein Schutzgas bzw. für den Anschluß an eine Schutzgasquelle (nicht dargestellt) besitzen, so daß damit eine Oxydierung der Schmelzenoberfläche wirksam verhindert wird. Ebenso sind an der Transportstrecke 15 solche Anschlüsse 20 für die Zu- und Abfuhr von Schutzgas (zwei sind gezeigt, es können aber auch nur einer oder mehrere sein) in einem gedeckten Abschnitt 21 vorgesehen, um eine Oxydierung schmelzflüssigen Masselmaterials hintanzuhalten; erst nach der Erstarrung, d.h. am Ende des gedeckten Abschnittes 21 können die Masseln offen transportiert werden.

[0018] Es wurde oben der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens an Hand einer besonderen Vorrichtung erläutert. Es sei aber erwähnt, daß im Rahmen der Erfindung verschiedene Abänderungen möglich sind, etwa um die Beschickungsgeschwindigkeit durch die Kammern 2, 3 der Verarbeitungsgeschwindigkeit der Stranggießeinrichtung oder der Abmasseleinrichtung anzupassen. Es wäre dann denkbar, daß mehr als zwei Ofenkammern 3 abwechselnd Schmelze an den beheizbaren Raum 12 liefern. Zwar wäre es nicht bevorzugt, doch läßt sich auch denken, eine einzige, größere Schmelzkammer 2 für wenigstens zwei Ofenkammern 3 vorzusehen. Für manche, einfachere Ausführungen, insbesondere bei relativ langsamer Verarbeitung in der Formmaschine 12-15 könnte es aber auch genügen, dieser Formmaschine ein einziges Paar von Schmelzkammer 2 und Ofenkammer 3 vorzuschalten. Anderseits kann es in Einzelfällen zweckmäßig sein, eine erste Legierungskomponente in eine erste weitere Ofenkammer 3 einzugeben, diese in eine zweite weitere Ofenkammer 3 zu entleeren und dort eine zweite Legierungskomponente einzumischen.

Ansprüche

1. Verfahren zum Herstellen einer Leichtmetallegierung, welche mindestens eine flußmittelempfindliche Komponente enthält, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

a) Schmelzen des Leichtmetalles bzw. Legieren der gegenüber Flußmitteln unempfindlichen Legierungskomponenten in einer Schmelzkammer (2) unter Abdeckung der Badoberfläche durch das Flußmittel;

b) Überführen der so mit Hilfe des Flußmittels gereinigten Schmelze des Leichtmetalles in eine zweite Ofenkammer (3); und

c) Zugabe der mindestens einen flußmittelempfindlichen Komponente in die zweite Ofenkammer (3).

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch in die zweite Kammer (3) eingeleitetes, die Badoberfläche bedeckendes Schutzgas.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der zweiten Ofenkammer (3) geringer ist als die der Schmelzkammer (2).

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß von mindestens zwei Schmelzkammern (2) jeweils abwechselnd die eine befüllt und aufgeheizt, die andere entleert wird, und daß vorzugsweise den beiden weiteren Kammern (3) eine wenigstens periodisch kontinuierlich arbeitende Formmaschine (12-15) nachgeschaltet ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem unter Schutzgas befindlichen Leichtmetallbad in der zweiten Ofenkammer (3) Strontium und/oder Beryllium zugegeben wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Schmelzenkammer (2) und einer zweiten Ofenkammer (3), dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzkammer (2) eine Einrichtung (5, 5') zum Abführen von durch Flußmittel verursachte Gase zugeordnet ist, und daß die zweite Ofenkammer (3) einen Zulauf (19) zum Anschluß an eine Schutzgasquelle aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Paar von Schmelzenkammer (2) und zweiter Ofenkammer (3) vorhanden sind, die vorzugsweise einer nachfolgenden wenigstens periodisch kontinuierlich arbeitenden Formmaschine (12-15) vorgeschaltet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens periodisch kontinuierlich arbeitende Formmaschine (12-15) einen beheizbaren Raum (12) aufweist, der mit der zweiten Ofenkammer (3) verbunden oder verbindbar ist.

Zeichnung