VERFAHREN ZUM HERSTELLEN VON WASSERSTOFFARMEN KUPFER UND KUPFERSCHMELZE SOWIE KUPFERELEMENT UND SCHMELEZOFEN

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von wasserstoffarmem Kupfer in einem Schmelzeofen mit einem in einer Kupferschmelze eingebrachten rotierenden Impeller, wobei durch den rotierenden Impeller hindurch ein Spülgas in die Kupferschmelze eingebracht wird und beim Einbringen des Spülgases entstehende Spülgasbläschen durch den rotierenden Impeller in der Kupferschmelze verteilt werden, sodass eine Spülgasbehandlung der Kupferschmelze erfolgt und in der Kupferschmelze befindlicher Wasserstoff vermindert wird, wobei während des Einbringens des Spülgases eine Rotationsgeschwindigkeit des rotierenden Impellers weniger als 200U/min, weniger als 150U/min, weniger als 100U/min, weniger als 60U/min oder weniger als 30U/min beträgt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von wasserstoffarmem Kupfer in einem Schmelzeofen mit einem in einer Kupferschmelze eingebrachten rotierenden Impeller und eine Kupferschmelze sowie ein Kupferelement und ein Schmelzeofen.

[0002] Bei der Herstellung von Kupferteilen, wie beispielsweise Halbzeugen, verursacht ursprünglich in der Kupferschmelze befindlicher Wasserstoff Blasen an der Oberfläche der Kupferteile. Um entsprechende Qualitäten bereitzustellen, bei denen die Blasen vermindert sind oder entsprechend nicht auftreten, werden hergestellte Kupferelemente, wie beispielsweise Halbzeug, mit dem Auge nach derartigen Blasen untersucht und entsprechend aussortiert. Diese Verfahren sind sowohl zeitaufwendig als auch schlecht reproduzierbar.

[0003] Allgemeine Informationen zur Behandlung von Kupferschmelzen können Friedrich und Kräutlein; Melt Treatment of Copper and Aluminium - The Complex Step before Casting. in Metallurgija - Journal of Metallurgy 2006, 251 - 266, entnommen werden.

[0004] Es ist bekannt, in einer Schmelze durch Einfügen von Gasblasen den Wasserstoffgehalt der Schmelze zu verringern. Dabei stehen unterschiedliche Möglichkeiten des Einbringens von Gasblasen zur Verfügung. Zum einen mittels eines Impellers, durch den das Gas geführt und durch Rotieren in die Kupferschmelze eingebracht wird, zum anderen durch Spülsteine, welche im unteren Bereich eines Kupferschmelzeofens angeordnet sind oder unter Verwendung einer Spülgaslanze, welche in die Kupferschmelze eingeführt wird und über die Gasblasen der Kupferschmelze zugeführt werden können. Besonders vorteilhaft ist, wenn die Gasblasen möglichst klein sind und/oder in großer Anzahl vorliegen. Dadurch kann auf die Reaktionsfläche Einfluss genommen werden, da Wasserstoff aus dem Kupfer in die einzelnen Gasblasen hineindiffundiert.

[0005] Um die Qualität des hergestellten Kupfers in Bezug auf den Wasserstoffgehalt zu erhöhen, wird nach dem Stand der Technik die Menge des eingebrachten Gases und/oder die Behandlungsdauer variiert.

[0006] Aufgabe der Erfindung ist es den Stand der Technik zu verbessern.

[0007] Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Herstellen von wasserstoffarmem Kupfer in einem Schmelzeofen mit einem in einer Kupferschmelze eingebrachten rotierenden Impeller, wobei durch den rotierenden Impeller hindurch ein Spülgas in die Kupferschmelze eingebracht wird und beim Einbringen des Spülgases entstehende Spülgasbläschen durch den rotierenden Impeller in der Kupferschmelze verteilt werden, sodass eine Spülgasbehandlung der Kupferschmelze erfolgt und in der Kupferschmelze befindlicher Wasserstoff vermindert wird, wobei während des Einbringens des Spülgases eine Rotationsgeschwindigkeit des rotierenden Impellers weniger als 200U/min, weniger als 150U/min, weniger als 100U/min, weniger als 60U/min oder weniger als 30U/min beträgt.

[0008] Der Kern der Erfindung beruht insbesondere darauf, dass in die Kupferschmelze ein rotierender Impeller eingebracht wird, durch welchen entsprechende Spülgase in die Kupferschmelze eingebracht und durch den zum Impeller zugehörigen Propeller verteilt werden. Die in der Kupferschmelze befindlichen Bläschen aus dem Spülgas nehmen dann entsprechend den Wasserstoff auf und transportieren diesen durch Ausgasen aus der Kupferschmelze heraus.

[0009] Überraschender Weise hat sich gezeigt, dass dieser Effekt bei Rotationsgeschwindigkeit unterhalb von 200U/min oder bei Werten darunter deutlich verbessert ist. Hervorragende Resultate werden insbesondere bei Rotationsgeschwindigkeiten von 60U/min bis 30U/min erzeugt.

[0010] Eine Erklärung dieses Effekts könnte sein, dass - im Gegensatz zu Rotationsgeschwindigkeiten des Standes der Technik von 300U/min oder mehr - eingebrachte Spülgasbläschen seltener miteinander kollidieren. Dies führt dazu, dass Spülgasbläschen sich seltener mit anderen Spülgasbläschen zu Spülgasblasen vereinen und dadurch die Reaktionsoberfläche vermindert wird.

Folgendes Begriffliche sei erläutert:

[0011] Ein "Schmelzeofen" ist eine Vorrichtung, in der Kupferausgangsmaterialien verflüssigt und/oder flüssiges Kupfer, insbesondere thermisch, behandelt wird, um auf die Kupferschmelze einwirken zu können. Unter dem Begriff "Kupfer" wird insbesondere ein Metall oder eine Metalllegierung verstanden, welche wenigstens einen Anteil von 50 Masse-% Cu aufweisen. Auch wird als Kupfer das Metall oder die Metalllegierung bezeichnet, welche einen Mindestanteil von 99 Masse-% oder noch höhere Reinheitsgehalte an Cu aufweist.

[0012] Unter "wasserstoffarm" wird verstanden, dass der Anteil an elementaren und/oder gasförmigem Wasserstoff (H₂) gegenüber unbehandeltem Kupfer oder unbehandelter Kupferschmelze "vermindert" ist und die Anzahl der Blasen oder entsprechend die Größe der Blasen an der Oberfläche von Kupferteilen gegenüber Kupferteilen aus unbehandeltem Kupfer verringert ist. Somit entspricht ein "Vermindern" des Wasserstoffs insbesondere der Verringerung der Konzentration an Wasserstoff in der Kupferschmelze oder entsprechender nachgelagerter Produkte.

[0013] Eine "Kupferschmelze" ist Kupfer oder eine Kupferlegierung mit viskosen Eigenschaften. Im Gegensatz zu festem Kupfer oder festen Kupferlegierungen weist das Kupfer oder entsprechend die Kupferlegierung in der Kupferschmelze eine gewisse Viskosität auf, sodass beispielsweise ein Rühren mittels eines Rührwerks (Impellers) möglich ist.

[0014] Als "Spülgas" können unterschiedliche Gase eingesetzt werden. So kann beispielsweise Stickstoff (N₂) oder CO oder Mischungen daraus verwendet werden. Auch Edelgase und andere inerte Gase oder Gasmischungen können eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Spülgas im Wesentlichen ölfrei und/oder trocken ist. Das "Spülgas" sollte keine Verunreinigungen wie Wasserstoff, Feuchte (Wasser) u./o. Öl enthalten, da es sonst selbst zur Wasserstoffquelle für das Kupfer werden könnte.

[0015] Der "Impeller" ragt zumeist teilweise in die Kupferschmelze hinein und prägt mittels Rotation der Kupferschmelze eine Rotation auf, wodurch ein Durchmischen der Kupferschmelze erfolgt. Dabei werden sowohl die Kupferschmelze als auch die Spülgasbläschen in der Kupferschmelze verteilt. Somit hat der in der Kupferschmelze befindliche Wasserstoff ausreichend Möglichkeit, in die Spülgasbläschen hinein zu diffundieren. Der Impeller wird dabei durch eine hohle Welle, durch welche das Spülgas transportiert wird, und einen Rührer gebildet. Dabei kann der Rührer als Propellerrührer, Schrägblattrührer, Scheibenrührer, Taumelscheibenrührer, Hollow-Blade-Rührer, Impellerrührer, Kreuzbalkenrührer, Ankerrührer, Blattrührer, Gitterrührer, Wendelrührer oder Zahnscheibenrührer ausgestaltet sein, wobei jeweils insbesondere das Spülgas über den Rührer der Kupferschmelze zugeführt wird.

[0016] Der Welle wird insbesondere mittels eines Motors eine "Rotationsgeschwindigkeit" aufgeprägt, sodass der Rührer und somit der Impeller mit dieser Rotationsgeschwindigkeit rotieren. Rotationsgeschwindigkeit wird auch Umdrehungsgeschwindigkeit oder Drehgeschwindigkeit genannt. Allgemein gibt diese Größe an, wie oft in einem bestimmten Zeitintervall der Körper (hier der Impeller/die Welle) eine vollständige Rotation durchführt.

[0017] In einer Ausführungsform erfolgt das Herstellen des wasserstoffarmen Kupfers in einem kontinuierlichen Verfahren, insbesondere in einem Durchlaufverfahren.

[0018] Somit ist es auch möglich beim kontinuierlichen Herstellungsverfahren im Durchlaufverfahren Kupferschmelzen mit verringertem Wasserstoffgehalt herzustellen. Produkte, welche auf dieser Schmelze basieren weisen kaum noch Bläschen auf und es können entsprechende Qualitäten hergestellt werden.

[0019] Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Spülgas im Wesentlichen ölfrei und trocken ist, wobei als Spülgas Ar, N₂ oder CO eingesetzt wird.

[0020] Um eine entsprechende Viskosität zu erreichen, weist die Kupferschmelze eine Temperatur oberhalb von 1100°C auf.

[0021] In einer weiteren Ausgestaltung besteht der Rotor im Wesentlichen aus Keramik, Graphit oder einer Keramik-Graphit-Mischung.

[0022] Um die Spülgaskonzentration und insbesondere die Anzahl der Spülgasbläschen zu erhöhen, kann zusätzlich Spülgas in die Kupferschmelze eingebracht werden.

[0023] Dies kann durch einen "schmelzeseitigen Begasungszugang" erfolgen. Dies kann beispielsweise durch sogenannte Spülsteine erfolgen, welche häufig bodenseitig am Behälter des Schmelzeofens angeordnet sind, oder auch durch Spülgaslanzen, welche von oben in die Kupferschmelze eingeführt werden und deren Spülgasauslass bodennah angeordnet wird.

[0024] In einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe gelöst, durch eine Kupferschmelze, welche einen Wasserstoffanteil kleiner 1ppm, kleiner 0,8ppm, kleiner 0,5ppm, kleiner 0,2ppm oder kleiner 0,1ppm aufweist.

[0025] Somit kann eine Kupferschmelze bereitgestellt werden, welche Wasserstoffkonzentrationen aufweist, welche mit Verfahren des Standes der Technik bisher nicht erreichbar waren.

[0026] In einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch ein Kupferelement, insbesondere Kupferprofil, welches aus einer zuvor beschrieben Kupferschmelze hergestellt ist und welches einen Wasserstoffanteil kleiner 1ppm, kleiner 0,8ppm, kleiner 0,5ppm, kleiner 0,2ppm oder kleiner 0,1ppm aufweist.

[0027] Zudem wird die Aufgabe gelöst durch einen Schmelzeofen mit einem Impeller, wobei der Schmelzeofen derart eingerichtet ist, dass ein zuvor beschriebenes Verfahren durchgeführt wird.

[0028] Im Weiteren wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt die

Figur 1

eine stark schematische Schnittdarstellung eines Schmelzeofens für Kupfer.

[0029] Ein Schmelzeofen 101 für Kupfer weist eine Ofenwand 109, ein durch die Ofenwand 109 gebildeten Schmelzeraum 103, einen aus einer Keramik-Graphit-Mischung bestehende Hohlwelle 105 mit zugehörigen Impellerrührer 107 auf, welche gemeinsam einen Impeller 106 bilden. Bodenseitig und somit schmelzeseitig ist in der Ofenwand 109 ein Spülstein 113 mit einem zugehörigen Gaszugang 115 angeordnet.

[0030] Die Hohlwelle 105 weist einen Hohlraum 108 auf. Der Hohlraum 108 führt bis zum Impellerrührer 107, welcher Öffnungen 112 aufweist. Über einen Spülgaseingang 110 kann somit Spülgas in eine Kupferschmelze im Schmelzeraum 103 eingebracht werden.

[0031] Vorliegender Schmelzeofen 101 ist für ein kontinuierliches Herstellungsverfahren von Kupfer geeignet. Dabei wird über den Einlass 117 Kupferrohmaterial in den Schmelzeofen 101 eingebracht und kontinuierlich über den Schmelzeauslass 111 abgeführt.

[0032] Vorliegend sei eine Kupferschmelze (nicht dargestellt) in dem Schmelzeraum 103 eingebracht. Ein Teil der Hohlwelle 106 sowie der Impellerrührer 107 sind in der Kupferschmelze eingetaucht.

[0033] Die Hohlwelle 105 wird von einem Motor (nicht dargestellt) angetrieben und rotiert mit einer Geschwindigkeit von 30U/min. Dabei durchmischt der Impellerrührer 107 die Kupferschmelze. Währenddessen wird über den Spülgaseingang 110, den Hohlraum 108 und den Öffnungen 112 des Impellerrührers 107 sowie über den innenliegenden Spülstein 113 ölfreier und trockener Stickstoff (N₂) eingebracht. In einer Alternativen erfolgt das Einbringen ausschließlich über den Impeller 106.

[0034] Dadurch werden in der Kupferschmelze Stickstoffbläschen gebildet, in welche der Wasserstoff (H₂) diffundiert. Die Stickstoffbläschen steigen nach oben und verlassen mit dem innenliegenden (hineindiffundierten) Wasserstoff die Kupferschmelze.

[0035] Alternativ oder ergänzend wird über den Gaszugang 115 des Spülsteins 113 und/oder dem Impeller 106 Sauerstoff (O₂) in die Kupferschmelze eingebracht. Auch hier entstehen Sauerstoffbläschen, in welche der in der Kupferschmelze befindliche Wasserstoff hineindiffundiert und ggf. gebunden wird.

[0036] Die so um den Wasserstoff verringerte Kupferschmelze wird dann kontinuierlich über den Schmelzeauslass 111 der weiteren Verarbeitung zu Kupferelementen, wie beispielsweise Kupferprofile, zugeführt.

Bezugszeichenliste

[0037] 

101

Schmelezofen

103

Schmelezraum

105

Hohlwelle

106

Impeller

107

Impellerrührer

109

Ofenwand

110

Spülgaseingang

111

Schmelezauslass

112

Öffnungen

113

Spülstein

115

Gaszugang

117

Einlass

Ansprüche

1. Verfahren zum Herstellen von wasserstoffarmem Kupfer in einem Schmelzeofen (101) mit einem in einer Kupferschmelze eingebrachten rotierenden Impeller (106), wobei durch den rotierenden Impeller hindurch ein Spülgas in die Kupferschmelze eingebracht wird und beim Einbringen des Spülgases entstehende Spülgasbläschen durch den rotierenden Impeller in der Kupferschmelze verteilt werden, sodass eine Spülgasbehandlung der Kupferschmelze erfolgt und in der Kupferschmelze befindlicher Wasserstoff vermindert wird, dadurch gekennzeichnet, dass während des Einbringens des Spülgases eine Rotationsgeschwindigkeit des rotierenden Impellers weniger als 200U/min, weniger als 150U/min, weniger als 100U/min, weniger als 60U/min oder weniger als 30U/min beträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellen des wasserstoffarmen Kupfers in einem kontinuierlichen Verfahren, insbesondere Durchlaufverfahren, erfolgt.

3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spülgas Öl-frei, Wasser-frei, Wasserstoff-frei und/oder trocken ist.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spülgas, Ar, N₂, oder CO ist.

5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferschmelze eine Temperatur oberhalb von 1100°C aufweist.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor im Wesentlichen aus Keramik, Graphit oder einer Keramik-Graphit-Mischung besteht.

7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Spülgas in die Kupferschmelze eingebracht wird.

8. Kupferschmelze, welche einen Wasserstoffanteil kleiner 1ppm, kleiner 0,8ppm, kleiner 0,5ppm, kleiner 0,2ppm oder kleiner 0,1ppm aufweist.

9. Kupferelement, insbesondere Kupferprofil, welches aus einer Kupferschmelze nach Anspruch 8 hergestellt ist und welches einen Wasserstoffanteil kleiner 1ppm, kleiner 0,8ppm, kleiner 0,5ppm, kleiner 0,2ppm oder kleiner 0,1ppm aufweist.

10. Schmelzeofen mit einem Impeller, wobei der Schmelzeofen derart eingerichtet ist, dass ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchführbar ist.

Zeichnung