Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Reinigung einer Metallschmelze im Tiegel eines Induktionstiegelofens, insbesondere die Reinigung einer Stahlschmelze, wobei endogene, sich in der Schmelze bewegende nichtmetallische Einschlüsse entfernt werden.

Sicherheitsbauteile, dünn- oder dickwandige Gussteile oder geschmiedete Komponenten mit hohen Anforderungen an Festigkeit, Zähigkeit und Ermüdungsresistenz können durch einen unzulässigen Anteil von nicht-metallischen Einschlüssen unbrauchbar werden oder erfahren eine dramatische Reduzierung der sicherheitsrelevanten Eigenschaften, wie z.B. der Kerbschlagzähigkeit bis zu 40 %. Als nichtmetallische Einschlüsse bezeichnet man Verunreinigungen in fester Form. Diese können entweder von außen in die Schmelze eingebracht werden (exogene Einschlüsse) oder in der Schmelze entstehen (endogene Einschlüsse).

Exogene Einschlüsse sind beispielsweise Schlacke oder gelöste Feuerfestmaterialien, die sich bei Abkühlung der Schmelze ausscheiden. Endogene Einschlüsse, wie beispielsweise nichtmetallische Einschlüsse können während der Desoxidation von Stahlschmelzen entstehen.

Die Reduktion von nichtmetallischen Einschlüssen kann auf verschiedenen Wegen erfolgen, a) Vermeidung von Einschlussbildung (über eine geeignete metallurgische Prozessführung) und b) Abscheidung der Einschlüsse. Vor allem im Bereich der Sekundärmetallurgie und in der Gießerei stellt die Schmelzeraffination ein zentrales Thema dar. Unterschiedliche Metallschmelze- Behandlungen und unterschiedliche Gießverfahren führen zu unterschiedlicher Generierung von Einschlüssen bzw. Einschlusskombinationen. Beispielsweise seien hier Oxide, Karbide, Silikate etc. genannt, die bedingt durch die hohe Temperatur der Schmelzen sehr schnell während des Gießvorganges entstehen können. Durch die in realen Gussteilen teilweise turbulente Formfüllung werden diese nichtmetallischen Einschlüsse in die Kontur mit eingewirbelt und stellen auf Grund ihrer Nichtbenetzbarkeit eine innere Trennstelle, häufig mit scharfkantigen Rändern, dar. Dies führt besonders bei dynamischen oder zyklischen Lastfällen zu inneren Rissen und damit zum Ausfall des Bauteiles.

DE 60 2006 000 294 T2 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Entfernen von Schlacke, die durch Verflüssigen des Metallmaterials durch Erwärmen und Schwimmen auf der Oberfläche des geschmolzenen Metalls in einem Induktionsofen erzeugt wird. Dazu wird die Induktionserwärmung bei einer vorbestimmten Temperatur angehalten, so dass das geschmolzene Metall sich absetzt und die Schlacke beginnt auf der Oberfläche zu schwimmen. Ein aus hitzebeständiger, poröser Keramik hergestellter Filter wird entlang einer Oberfläche des geschmolzenen Metalls bewegt, derart, dass der untere Hälftenteil des Filters in das geschmolzene Metall eintaucht und der obere Hältfenteil des Filters oberhalb der Oberfläche des geschmolzenen Metalls ist. Der Filter fängt die Schlacke ein, die auf der Oberfläche des geschmolzenen Metalls schwimmt und entfernt die Schlacke von dem geschmolzenen Metall.

Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass lediglich die Schlacke, die sich auf einer im Ruhezustand befindlichen Schmelze, d.h. bei angehaltener Induktionserwärmung, bildet, entfernt wird. Verunreinigungen, die sich frei in der Schmelze bewegen, wie endogene Einschlüsse können nicht entfernt werden.

Aus WO 2007 / 015956 A2 ist ein Verfahren zur Entfernung von Verunreinigungen bevor die Metallschmelze in die Form eindringt, bekannt. Der mindestens eine Filter ist hierbei nicht innerhalb des Gießgefäßes, in denen das geschmolzene Material enthalten ist, angeordnet. Der mindestens eine Filter ist innerhalb eines Filtergefäßes angeordnet, wobei oberhalb das Gießgefäß, welches das geschmolzene Material enthält und unterhalb des Filtergefäßes ein Transfergefäß oder eine Form angeordnet sind. Das Verfahren umfasst dabei die Schritte, Vorheizen mindestens eines Filters auf eine Filtertemperatur, die den Bruch des Filters infolge des thermischen Schocks durch den Kontakt mit der Metallschmelze verhindert und das Durchfließen der Metallschmelze durch mindestens einen Filter.

Aus KR 10 2001 010 0625 A ist ein Filtersystem für die Desoxidation einer Metallschmelze in einem horizontalen kontinuierlichen Gießverfahren unter Nutzung eines Niederfrequenz Induktionsofens bekannt. Das Filtersystem besteht aus Graphit-Filtern, die innerhalb der Schmelzkammer und der Wärmeisolationskammer angeordnet sind. Durch zusätzliche Gasleitungen wird Gas zur Desoxidation und Reinigung der Metallschmelze zugeführt.

Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, die Filtrationseffizienz und infolgedessen die Qualität der Metallschmelze und des metallischen Endproduktes zu erhöhen. Insbesondere sollen in einer strömenden Metallschmelze frei bewegliche, endogene, nichtmetallische Einschlüsse entfernt werden.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Reinigung einer Metallschmelze im Tiegel eines Induktionstiegelofens, wobei eine durch Wechselstrom angetriebene Spule eine Schmelzströmung erzeugt und vor dem Guss in eine Gießform oder in einen Verteiler zum Stranggießen, mindestens ein keramischer Filter aus feuerfesten Oxiden und / oder Nicht-Oxiden in Kombination mit Kohlenstoff in die bevorzugt strömende Metallschmelze eingetaucht wird, so dass die sich in der Schmelze bewegenden nichtmetallischen Einschlüsse (NME) reaktiv entfernt werden.

Vorteilhaft werden mit dem Verfahren, endogene Einschlüsse, wie nichtmetallische Einschlüsse aus der strömenden Metallschmelze reaktiv entfernt. Tiegelöfen ermöglichen das induktive Erwärmen und das Schmelzen der Metalle. Dieses Erwärmen erfolgt durch eine mit Wechselstrom angetriebene Spule. Dadurch entsteht ein magnetisches Wechselfeld, welches die Schmelzeströmung im Tiegelofen antreibt.

Ein Tiegelofen im Sinne der Erfindung ist ein induktiv beheizter Ofen, auch bekannt als Induktionsofen, Induktionsschmelzofen, Tiegelinduktionsofen oder Induktionstiegelofen, wobei mindestens eine Spule um den Tiegel herum angeordnet ist.

In einer Ausführungsform wird die Metallschmelze in einem Induktionsofen mithilfe von mindestens einem, bevorzugt zwei keramischen Filtern vorgereinigt, bevor die Schmelze in die Pfanne, in den Verteiler, in die Abgussform oder in die Gießform fließt.

Vorteilhaft führt das Eintauchen des Filters in die Metallschmelze in dem Tiegelinduktionsofen zur Verbesserung der Qualität der Metallschmelze, weil der Filter in der Lage ist, die sich in der Schmelze bewegenden NME, einzufangen.

Reaktives Entfernen der nichtmetallischen Einschlüsse im Sinne der Erfindung meint, dass infolge einer chemischen Reaktion zwischen dem Filterwerkstoff und der Metallschmelze die nichtmetallischen Einschlüsse direkt und / oder indirekt aus der Metallschmelze entfernt werden.

Die direkte Entfernung der nichtmetallischen Einschlüsse erfolgt über die Bildung von in-Situ- Schichten auf der Filteroberfläche.

Die Filterkörper können vorteilhaft direkt zur Entfernung von Einschlüssen beitragen (Generierung von in situ Schichten an deren Filteroberflächen an denen sich die Einschlüsse abscheiden und über Sinterungsprozesse zu einer Befestigung an der Filteroberfläche führen).

Die indirekte Entfernung der nichtmetallischen Einschlüsse erfolgt durch den Transport der nichtmetallischen Einschlüsse zur Oberfläche der Metallschmelze. Beim Eintauchen des keramischen Filters in die strömende Metallschmelze findet eine chemische Reaktion zwischen dem keramischen Filtermaterial und der strömenden Metallschmelze statt. Dabei werden gasförmige Reaktionsprodukte gebildet, die in der Lage sind die nichtmetallischen Einschlüsse zur Oberfläche der Schmelze zu transportieren.

Beim Eintauchen der Filter in die heiße Stahlschmelze reagieren der Kohlenstoff und das Aluminiumoxid des kohlenstoffgebundenen AI2O3-Filt.erwerkst.offs miteinander unter Bildung von gasförmigen Produkten, wie Aluminiumsuboxiden und Kohlenmonoxid, wobei das Eisen der Stahlschmelze katalytisch wirkt. Die gasförmigen Produkte treten als Gasblasen in der Stahlschmelze auf und sind in der Lage, nichtmetallische Einschlüsse zur Oberfläche der Schmelze zu transportieren. Die indirekte Entfernung erfolgt im Sinne einer Art Flotation über die gebildeten gasförmigen Produkte z.B. CO-Blasen aus der carborthermischen Reduktion zwischen Kohlenstoff aus dem kohlenstoffgebundenen Filterwerkstoff und dem Oxidfüllstoff des Filterwerkstoffs, z.B. Aluminiumoxid. Bevorzugt unterstützt die Schmelzbadbewegung über das eingeschaltete Induktionsfeld den Transport der gasförmigen Produkte, z.B. CO-Gasblasen, mit den angehafteten endogenen Einschlüssen in Richtung Oberfläche der Metallschmelze.

Außerdem können die Filterkörper indirekt durch die Auslegung der Filtergeometrie, in Kombination mit der Filterkörperdrehung und der Strömung der Metallschmelze im Induktionsofen zu einer Abscheidung der nicht-metallischen Einschlüsse in die Oberfläche der Metallschmelze führen. Dort befindet sich bevorzugt auch die Schlacke zum Aufnehmen der Partikel. Darüber hinaus können bevorzugt über die gezielte Einstellung der Strömung größere Agglomerate/Cluster generiert werden, die sich aufgrund ihrer Größe (zusätzlicher Beitrag der Auftriebskraft) in Richtung Schlacke bewegen.

In einer weiteren Ausführungsform tragen die Filterkörper und/oder die Filtersysteme direkt zur Entfernung von Einschlüssen bei mit der Generierung von in situ Schichten an deren Filteroberflächen, an denen sich die Einschlüsse abscheiden und über Sinterungsprozesse zu einer Befestigung an der Filteroberfläche führen und/oder indirekt, indem durch die Auslegung der Filtergeometrie und in Kombination mit der Filterkörperdrehung und der Strömung der Metallschmelze im Tiegel des Induktionstiegelofens der Weg zur Abscheidung der nichtmetallischen Einschlüsse einer an der Schmelzeoberfläche befindlichen Schlacke verkürzt wird.

Eintauchen des mindestens einen keramischen Filters in die strömende Metallschmelze im Sinne der Erfindung meint, dass sich der keramische Filter in der strömenden Metallschmelze befindet, von dieser umströmt wird und in innigen Kontakt mit der strömenden Metallschmelze steht. Der mindestens eine keramische Filter taucht dabei punktuell in die strömende Metallschmelze ein, wobei die Lage des keramischen Filters bezogen auf die Anordnung innerhalb des Induktionstiegelofens während des Verfahrens zur Reinigung der Metallschmelze nicht verändert wird.

Strömend im Sinne der Erfindung meint, dass die Metallschmelze in geordneter Bewegung ist und eine Schmelzströmung innerhalb des Induktionstiegelofens vorherrscht, so dass die Metallschmelze auf rezirkulierenden Bahnen im Induktionstiegelofen umläuft.

Vor dem Guss im Sinne der Erfindung meint, dass die mit Wechselstrom angetriebene Spule des Induktionstiegelofens eingeschaltet ist und sich die Metallschmelze in geordneter Bewegung und nicht in einem Ruhezustand befindet. In die in geordneter Bewegung befindliche Metallschmelze wird mindestens ein keramischer Filter eingetaucht und die in geordneter Bewegung befindliche Metallschmelze gereinigt, indem die nichtmetallischen Einschlüsse aus der Metallschmelze entfernt werden. Die gereinigte Metallschmelze wird anschließend in eine Form oder einen Verteiler zum Stranggießen gegossen, wobei weitere Reinigungsschritte folgen können. Bei der Filtration von metallischen Schmelzen betrachtet man a) den Transport der Einschlüsse in der Metallschmelze, der durch die Strömungsführung, die Größe und relative Dichte der Einschlussteilchen, den relativen Porendurchmesser und die Vernetzung der Filterporen beeinflusst wird, und b) den eigentlichen Vorgang der Abscheidung der Einschlüsse an der Filterwand.

Die Effizienz des Filtrationsvorganges ist vom Transport der nichtmetallischen Einschlusspartikel (NME) in der Metallschmelze abhängig. Die Strömung der Metallschmelze innerhalb und außerhalb des Filters kann eine ausschlaggebende Rolle spielen, z.B. kann die Strömung die NME zu den Wänden des Filters transportieren oder aber dies auch vermeiden.

Durch eine geeignete Wahl der Frequenz des Wechselstroms zum Antrieb der Spule kann die Schmelzbadbewegung im Induktionstiegelofen gezielt gesteuert werden.

Typischerweise entsteht im Induktionstiegelofen eine Schmelzströmung in Form von zwei gegenläufigen Wirbeltoroiden, wobei die Metallschmelze auf rezirkulierenden Bahnen im Tiegel des Induktionstiegelofens umläuft und dabei zu den Wänden des Induktionstiegelofens, zum Boden des Induktionstiegelofens und / oder zur Oberfläche der Metallschmelze gelenkt und anschließend wieder zusammengeführt wird.

Erfindungsgemäß dienen Oxide und / oder Nicht-Oxide in Kombination mit Kohlenstoff als Filterwerkstoffe, beispielsweise kohlenstoffgebundenes AI2O3.

Vorteilhaft wird durch einen kohlenstoffgebundenen Filterwerkstoff eine hohe Filtrationseffizienz erreicht. Bevorzugt werden mit 1 bis 20 g eines derartiges Filterwerkstoffes 20 bis 50 kg einer Stahlschmelze in 10 Sekunden gereinigt.

Bevorzugt dienen feuerfeste Oxide und/oder Nicht-Oxide in Kombination mit oder ohne Kohlenstoff als Filterwerkstoffe.

Bevorzugt werden zylindrisch, kohlenstoffgebundene Filterkörper auf der Basis von Schaumkeramiken oder Spaghettistrukturen mit Makrokanälen mit einem Mindestdurchmesser von 10 mm eingesetzt. Bevorzugt dienen Filterkörper mit einem Mindestdurchmesser von 100 mm Durchmesser und 100 mm Höhe.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der mindestens eine keramische Filter gewechselt und / oder um seine Achse innerhalb der strömenden Metallschmelze gedreht.

Um den hohen Durchsatzmengen der Metallschmelze als auch den Limitierungen der Filterkapazitäten entgegenzukommen, werden bevorzugt wechselbare Filterkörper an exzentrischen Positionen im Induktionsofen eingesetzt. Weiterhin vorteilhaft wird die Filtrationseffizienz erhöht, wenn der mindestens eine keramische Filter um seine Achse gedreht wird, da die Schmelze um den Filter und unter dem Filter beschleunigt wird.

Als keramische Filter im Sinne der Erfindung werden Filterkörper und / oder Filtersysteme verstanden.

Bevorzugt dienen als stationäre, wechselbare und / oder drehbare exzentrisch positionierte Filter im Tiegel des Induktionsofens Filterkörper in Form einer offenzelligen Schaumkeramik, eines Wabenkörpers oder eines Spaghetti-Filters. Bevorzugt dienen als Filtersysteme poröse, wechselbare und/oder drehbare Behälter in denen gestampfte Faser oder Fasergewebe oder Kugeln oder splittrige Körnung vorliegen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die zu reinigende Metallschmelze eine Stahlschmelze.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der mindestens eine keramische Filter exzentrisch in die Metallschmelze eingetaucht.

Die exzentrische Lage der Filter dient vorteilhaft dazu, dass der Massenstrom der Schmelze, der durch den Filter fließt, erhöht wird. Der Grund dafür ist, dass der Filter bevorzugt in einem Bereich positioniert wird, wo höhere Geschwindigkeiten der Metallschmelze zu erwarten sind.

Für eine hohe Wechselwirkung mit der Schmelze und dementsprechend auch für eine hohe Reinigungseffizienz werden die Filter bevorzugt exzentrisch in den Tiegel eingetaucht.

Bevorzugt werden Metallschmelzen vor dem Guss

a) in eine Gießform z.B. beim Untergießen oder Formgießen in einer Gießerei

oder

b) durch das kontinuierliche Stranggießen mit Hilfe eines Verteilergefäßes und einer Stranggussmaschine

in einem Induktionsofen mit exzentrisch eingebauten Filterkörpern und / oder Filtersystemen gereinigt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Reinigung einer Metallschmelze, indem die Metallschmelze vor dem Gießen in eine Gussform oder in einen Verteiler zum Stranggießen in einem Induktionstiegelofen mit Hilfe von mindestens einem exzentrisch positionierten Filterkörper und / oder Filtersystem im Tiegel des Induktionstiegelofens gereinigt wird.

Exzentrische Lage im Sinne der Erfindung meint die Anordnung des mindestens einen keramischen Filters außerhalb des Zentrums des Induktionstiegelofens. Die Position im Induktionsofen und die Anzahl der benutzten Filter als auch deren Permeabilität, offene Porosität, Porengrößenverteilung, spezifische Oberfläche und Rauigkeit können die Effizienz des Reinigungsprozesses vorteilhaft beeinflussen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der mindestens eine keramische Filter eine aktive Oberflächenbeschichtung aus Aluminiumoxid (AI2O3), Magnesiumaluminat-Spinell (MgO-AI ₂ 0 ₃ ), Hercynit (FeO-AI ₂ 0 ₃ ), Jakobsit (MnO-Fe ₂ 0 ₃ ), Galaxit (MnO-AI ₂ 0 ₃ ), Mullit (3AI ₂ 0 ₃ -2Si0 ₂ ), Rodonit (MnO-Si0 ₂ ) oder Fayalit (2FeO-Si0 ₂ ) oder Mischungen der vorgenannten Stoffe auf.

Vorteilhaft wird durch die aktive Oberflächenbeschichtung die Filtrationseffizienz des mindestens einen keramischen Filters weiter erhöht.

Bevorzugt können kohlenstoffgebundene Trägermaterialien analog zu der Patentschrift DE 10 201 1 109 681 B4 mit Oxiden auf ihrer Oberfläche beschichtet sein.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der mindestens eine keramische Filter eine Beschichtung auf Basis von kohlenstoffhaltigen und / oder keramischen Nanopartikeln auf.

Kohlenstoffhaltige Nanopartikel können in unterschiedlichen Formen, wie Fullerenen, Kohlenstoff-Nanoröhren oder Industrieruß, bevorzugt als Kohlenstoff-Nanoröhren, besonders bevorzugt als mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren vorliegen.

Keramische Nanopartikel können nanoskalige oxidische oder nicht-oxidische keramische Partikel sein, bevorzugt oxidische keramische Nanopartikel, besonders bevorzugt AI ₂ 0 ₃ -Nanosheets.

Vorteilhaft wird durch die Beschichtung auf Basis von kohlenstoffhaltigen und / oder keramischen Nanopartikeln die Filtrationseffizienz weiter gesteigert.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der mindestens eine keramische Filter mit einer Geschwindigkeit von 5 bis 60 Umdrehungen pro Minute um seine Achse gedreht.

Das führt dazu, dass die Schmelze um den Filter und unter dem Filter beschleunigt wird. Dieses Prinzip ermöglicht vorteilhaft die Erhöhung der Filtrationseffizienz.

Der oder die eingetauchten Filterkörper sollen bevorzugt mit verschiedenen Drehgeschwindigkeiten um ihre Achse gedreht werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der mindestens eine keramische Filter für 5 sec bis 30 min in die Metallschmelze getaucht und dann gewechselt.

Besonders bevorzugt wird der mindestens eine keramische Filter für 5 sec bis 10 sec in die Metallschmelze getaucht und dann gewechselt.

Vorteilhaft wird dadurch ein Verfahren zur Reinigung einer Metallschmelze im Tiegel eines Induktionstiegelofens vorgeschlagen, welches vor dem Gießen in eine Form oder einen Verteiler zum Stranggießen eine effiziente und schnelle Reinigung einer strömenden Metallschmelze innerhalb des Induktionstiegelofens ermöglicht.

Bevorzugt werden die Filterkörper im Tiegel des Induktionsofens abhängig von der Metalllegierung und der vorgeschalteten Sekundärmetallurgie für 10 sec bis 30 min getaucht und dann gewechselt.

In einer weiteren Ausführungsform werden die Filterkörper und/oder die Filtersysteme 5 sec bis 30 min in den Tiegel des Induktionstiegelofens getaucht und dann gewechselt.

Zur Erfindung gehört auch eine Vorrichtung zur Reinigung einer Metallschmelze im Tiegel eines Induktionstiegelofens

mit einer durch Wechselstrom angetriebenen Spule zur Erzeugung einer Schmelzströmung, aufweisend,

mindestens einen keramischen Filter aus feuerfesten Oxiden und / oder Nicht-Oxiden in Kombination mit Kohlenstoff,

und eine Antriebseinheit zum Eintauchen des mindestens einen keramischen Filters, wobei der mindestens eine keramische Filter Filterkörper in Form einer offenzelligen Schaumkeramik, eines Wabenkörpers oder eines Spaghetti-Filters umfasst.

In einer weiteren Ausführungsform werden die Filterkörper und/oder die Filtersysteme in Form einer offenzelligen Schaumkeramik oder eines Wabenkörpers oder eines Spaghetti-Filters eingesetzt.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der mindestens eine keramische Filter weiterhin als Filtersystem poröse Behälter, in denen gestampfte Fasern oder Fasergewebe oder Kugeln oder splittrige Körnungen vorliegen.

Als Filtersysteme dienen poröse Behälter, in denen gestampfte Fasern oder Fasergewebe oder Kugeln oder splittrige Körnungen vorliegen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der keramische Filter drehbar und / oder wechselbar mit der Antriebseinheit verbunden und die Antriebseinheit derart ausgebildet, dass die vertikale Bewegung des mindestens einen keramischen Filters zum Eintauchen in die Metallschmelze und die Drehung des mindestens einen keramischen Filters um die eigene Achse ermöglicht wird.

Vorteilhaft ermöglichen der wechselbare keramische Filter, den hohen Durchsatzmengen der Metallschmelze als auch den Limitierungen der Filterkapazitäten entgegenzukommen. Weiterhin vorteilhaft wird die Filtrationseffizienz erhöht, wenn der mindestens eine keramische Filter um seine Achse gedreht wird, da die Schmelze um den Filter und unter dem Filter beschleunigt wird.

In einer Ausführungsform werden im Induktionstiegelofen wechselbare und/oder drehbare Filterkörper und/oder Filtersysteme in dem Tiegel des Induktionstiegelofens eingesetzt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind zusätzlich an der Tiegelwand des Induktionstiegelofens Filterkörper oder Filtersysteme zur Erhöhung der Filtrationseffizienz angebracht.

Zur Erhöhung der Filtrationseffizienz können bevorzugt an der Tiegelwand Filterkörper oder Filtersysteme angebracht werden.

In einer Ausführungsform werden an der Tiegelwand Filterkörper oder Filtersysteme zur Erhöhung der Filtrationseffizienz angebracht.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind an der Tiegelwand des Induktionstiegelofens Beschichtungen auf Basis der Werkstoffe der Filterkörper oder der Filtersysteme zur Erhöhung der Filtrationseffizienz angebracht.

Bevorzugt können an der Tiegelwand auch Beschichtungen auf Basis der Werkstoffe der Filterkörper oder der Filtersysteme angebracht werden.

In einer Ausführungsform werden an der Tiegelwand Beschichtungen auf Basis der Werkstoffe der Filterkörper oder der Filtersysteme zur Erhöhung der Filtrationseffizienz angebracht.

Vorteilhaft ermöglichen die an der Tiegelwand zusätzlich angebrachten Filter oder Filtersysteme oder Beschichtungen auf Basis der Werkstoffe der Filterkörper oder der Filtersysteme die Abscheidung von nichtmetallischen Einschlüssen an den Tiegelwänden.

Ausführungsbeispiele

Nachfolgend soll die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele und zugehöriger Figuren eingehender erläutert werden. Die Ausführungsbeispiele sollen dabei die Erfindung beschreiben ohne diese zu beschränken. Dabei zeigen:

Fig. 1 zeigt eine Metallschmelze in einem Induktionstiegelofen und zwei exzentrisch eingetauchte Filter

Fig. 2 zeigt die Ergebnisse einer numerischen Simulation der Filtrationsrate in Abhängigkeit der Anzahl der Filter und deren Position im Induktionstiegelofen

Fig. 3 zeigt eine Metallschmelze in einem Induktionstiegelofen und einen zentrisch eingetauchten Filterkörper In Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Prinzipdarstellung. Gezeigt ist ein Induktionstiegelofen mit einer darin befindlichen Metallschmelze. Um den Induktionstiegelofen ist eine Spule angeordnet. Innerhalb der Schmelze, dargestellt als schwarze Punkte sind die sich in der Schmelze bewegenden und zu entfernenden nichtmetallischen Einschlüsse. Innerhalb der Metallschmelze sind zwei keramische Filter positioniert.

Die um den Tiegel angeordnete Spule wird mit Wechselstrom betrieben und damit ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, welches die Schmelzströmung antreibt. Innerhalb der Schmelze bildet sich eine Schmelzströmung entsprechend den dargestellten gegenläufigen Wirbeltoroiden aus, wobei die Metallschmelze auf rezirkulierenden Bahnen im Tiegel des Induktionstiegelofens umläuft und dabei zu den Wänden des Induktionstiegelofens, zum Boden des Induktionstiegelofens und / oder zur Oberfläche der Metallschmelze gelenkt und anschließend wieder zusammengeführt wird. In die strömende Metallschmelze eingetaucht sind zwei keramische Filter. Hierbei ist zu sehen, dass die Filter exzentrisch im Induktionsofen positioniert werden. Die keramischen Filter der können zusätzlich um ihre Achse gedreht werden.

Fig. 2 zeigt die Ergebnisse einer numerischen Simulation zur Abhängigkeit der Filtrationsrate von der Anzahl der Filter und deren Position in-einem Induktionsofen, wobei ein Filter zentrisch, ein Filter exzentrisch oder zwei Filter exzentrisch angeordnet sind.

Die Filtrationsrate oder auch Filtrationseffizienz wird berechnet zu:

Anzahl der nichtmetallischen Einschlüsse nach dem Reinigen der Metallschmelze Anzahl der nichtmetallischen Einschlüsse vor dem Reinigen der Metallschmelze

Hierbei ist der Vorteil der exzentrischen Lage des Filters zu sehen. Die Filtrationsrate wird erhöht, wenn der Filter exzentrisch positioniert wird oder mehrere Filter in den Induktionsofen eingetaucht werden. Ein zentrisch, im Zentrum des Induktionstiegelofens, positionierter Filter erreicht eine Filtrationsrate von 39 %. Wird ein Filter exzentrisch, außerhalb des Zentrums des Induktionstiegelofens positioniert, steigt die Filtrationsrate auf 49 %. Eine weitere Steigerung der Filtrationsrate auf 73 % kann durch die Anordnung von zwei exzentrisch positionierten Filtern erreicht werden.

Fig. 3 zeigt eine Laborvorrichtung zur Reinigung einer Metallschmelze im Tiegel eines Induktionstiegelofens. Der Induktionstiegelofen, bestehend aus einem Tiegel 1 und einer den Tiegel 1 umgebenden Induktionsspule 2. Die Induktionsspule wird mit einer Stromversorgung 3 mit Wechselstrom im kHz-Frequenzbereich betrieben. Der gesamte Induktionstiegelofen befindet sich in einer Ofenkammer 8, die vor dem Erschmelzen der Stahllegierung auf 2 mbar evakuiert und dann mit Argon gefüllt wird. Im Induktionstiegelofen werden 30 kg 42CrMo4-Stahl erschmolzen. In der Stahlschmelze 4 bewegen sich die endogenen Einschlüsse 5. Die Stahlschmelze 4 befindet sich in geordneter Bewegung entsprechend den sich ausbildenden Schmelzströmungen 6. Der Filter 7 ist über eine Halterung 9 mit einer Antriebseinheit 10 verbunden. Der Filter 7 wird zentrisch in die strömende Stahlschmelze 4 bei einer Temperatur der Schmelze von 1670°C, im Zentrum des Induktionstiegelofens, eingetaucht. Der Filter 7 mit den Abmessungen 130 mm x 50 mm x 50 mm ist aus kohlenstoffgebundenen AI2O3 nach dem Schwartzwalder-Verfahren als Schaumkeramikfilter der Porenklasse 10 ppi hergestellt. Der Filter 7 wird für 10 sec in die Stahlschmelze 4 eingetaucht und dabei mit 30 Umdrehungen pro Minute um seine Achse rotiert. Der Filter 7 erreicht eine Filtrationseffizienz von 95 %.

Bezugszeichen

1 Tiegel des Induktionstiegelofens

2 Induktionsspule

3 Stromversorgung, Wechselstrom

4 Stahlschmelze

5 Endogene Einschlüsse

6 Schmelzströmung

7 Keramischer Filter

8 Ofen kam mer

9 Halterung Filter

10 Antriebseinheit Filter