Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Vorrichtung zur Verminderung des Sauerstoffgehaltes einer Kupferschmelze, die im wesentlichen als ein in sich geschlossenes Behandlungsgefäß bzw. ein geschlossener Behandlungsofen ausgebildet ist und in dem die Kupferschmelze mittels elektrischem Strom temperiert und/oder durchmischt werden kann.

Es sind bereits viele Verfahren bekannt, Kupfer und seine Legierungen mit sehr niedrigen Verunreinigungsgehalten, beispielsweise kleiner als 50 ppm, und/oder mit sehr niedrigen Sauerstoffgehalten, beispielsweise kleiner als 5 ppm, herzustellen. In der Technologie werden ähnliche Verfahren auch für andere Metalle (z. B. bei Aluminium und Eisen) verwendet.

Die Zielsetzung der unterschiedlichen Technologien gemäß dem Stand der Technik beinhaltet meist folgendes : Entfernen von im flüssigen Metall befindlichen Reaktionsprodukten und/oder Verunreinigungen und/oder Schlacken und/oder einzelner/mehrerer Elemente.

Bekannt ist in diesem Zusammenhang die Verwendung zum Beispiel von Filtern, die Bereitstellung von Verweilzeiten zum Absetzen, die Behandlung durch mit den Verunreinigungen reagierenden Zusätzen, der Einsatz von physikalischen Abtrennverfahren wie z. B. Spülen, Anlegen von Vakuum, etc. in einem oder mehreren Schritten, in Kombination mit obigen Technologien oder in jeweiliger Einzelanwendung dieser Technologien, um die gewünschten Raffinationseffekte zu erreichen.

Bekannt geworden sind diese Verfahren und haben breiteste Anwendung gefunden bei der Behandlung von Aluminium und Stahl sowie deren Legierungen, während sie in der Kupferindustrie nur teilweise benutzt werden.

Bei der Herstellung von Kupfer wird seit alters her das Polen mit Baumstämmen und mit reduzierenden Gasen zur Entfernung des Sauerstoffgehaltes allgemein angewendet. Ebenfalls bekannt ist der Zusatz von reduzierenden Elementen wie z. B.

Phosphor und Lithium oder Bor in Form von z. B.

Mutterlegierungen. Ebenso werden Filter, <BR> <BR> <BR> Schlackesümpfe, Vacuumkammern/-öfen und/oder Absetzzeiten verwendet, um das Metall zu säubern.

Alle oben aufgeführten Verfahren werden beim Kupfer zur Verminderung sehr hoher Gehalte (z. B. größer als 200-2000 ppm) an Verunreinigungen und/oder Sauerstoff angewendet und weit verbreitet genutzt.

Ebenfalls ist es bekannt, daß Desoxydationsmittel wie'z. B. Phosphor zugleich auch als Legierungselement zur Erzielung bestimmter Materialeigenschaften verwendet werden.

Zur Herstellung sehr sauberer Kupfermaterialien wird fast durchgehend als Basismaterial elektrolytisch raffiniertes Kupfer (Kathoden) eingesetzt, dessen Verunreinigungshiveau durch die vorangegangenen Raffinationsschritte (thermisch und chemisch) bei international börsenregistrierten Sorten unter 100 ppm liegt.

Bei den sich dann immer anschließenden weiteren thermischen Verarbeitungsschritten durch Schmelzen und Gießen wird durch weitere Verfahrensschritte, zum Teil durch die oben aufgeführten Technologien, der Verunreinigungsgehalt und/oder der Sauerstoffgehalt weiter vermindert, bzw. der durch das Schmelzen und Gießen verursachte oder noch vorhandene Verunreinigungspegel eliminiert.

So wird beispielsweise als diskontinuierliches oder kontinuierliches Standardverfahren zur Verringerung des Sauerstoffgehaltes unter 5 bis 15 ppm das elektrische Einschmelzen von Kupferkathoden eingesetzt, wobei die Kathoden zusätzlich bei einigen Verfahren vorher zur'.. Erhöhung der Schmelzleistung oder zu der Entfernung anhaftender/ eingeschlossener Verunreinigungen auf bis 950°C via Gasbrenner erhitzt werden.

Das Einschmelzen erfolgt dann in einem mit Holzkohle und/oder reduzierendem, weitgehend wasserstoffreien Schutzgas versehenem Elektroofen, vorzugsweise in Induktionsöfen. Anschließend erfolgt ein Überführen des flüssigen Kupfers durch eine, sofern nötig, elektrisch beheizte und ebenfalls mit Reduktions-/Schutzgas gefluteten Rinne in einen Warmhalte-/Puffer-/Absetz-Ofen, ebenfalls meist als Induktionsofen ausgebildet, der auch wieder mit Holzkohle abgedeckt und/oder mit Reduktions-/Schutzgas geflutet ist. Nach dem Verlassen dieses Ofens wird die Schmelze über eine, sofern nötig, ebenfalls elektrisch beheizte und mit Reduktions-/Schutzgas geflutete Rinne in einen elektrisch geheizten Tundish überführt, der ebenfalls mit Holzkohle abgedeckt und/oder mit Reduktions-/Schutzgas geflutet ist. Aus dem Tundish gelangt das flüssige Metall meist über ein im Boden angebrachtes keramisches Ventil in die z. T. ebenfalls mit Reduktions-/Schutzgas und/oder zum Beispiel mit Ruß abgedeckte Kokille, in der das Metall kontinuierlich erstarrt und kontinuierlich bzw. diskontinuierlich abgezogen wird.

Dieses beschriebene Standardverfahren basiert im wesentlichen auf einer reduzierenden Atmosphäre im Ofen und den Rinnen und insbesondere auf der großen Austauschfläche zwischen Metall und Reduktions- /Schutzgas innerhalb der Überführung in den Rinnen und auf der langen Verweilzeit innerhalb des Ofens.

Innerhalb und neben diesem Standardverfahren sind auch Verfahren bekannt, die zum Teil die obigen Verfahrensschritte ohne oder nur zum Teil mit Reduktions-/Schutzgas betreiben. Ebenfalls bekannt sind Verfahren, die lediglich über lange Verweilzeiten des flüssigen Metalls in einem Induktionsofen unter Holzkohleabdeckung niedrige Sauerstoffgehalte zu erzielen suchen.

Weiter sind Verfahren bekannt, die zusätzlich und/ oder zu dem obigen Standardverfahren bzw. zu dessen Modifikationen die Behandlung des flüssigen Metalls durch Vakuum vornehmen.

Aus der DE-OS 36 40 753 ist es bereits bekannt, zum Entfernen von Sauerstoff aus einer Kupferschmelze ein Gemisch aus einem gasförmigen Kohlenwasserstoff und einem inerten Gas in die Kupferschmelze einzublasen. Das Einblasen kann durch Verwendung eines porösen Ziegels oder durch Verwendung einer speziellen Düse erfolgen.

Aus der DE-OS 20 19 538 sind ein weiters Verfahren und eine Vorrichtung zum Entgasen und Reinigen von Metallschmelzen bekannt. Insbesondere wird die Verminderung des Sauerstoffanteils einer Kupferschmelze bei Verwendung von Spülsteinen beschrieben, aus denen ein Inertgas austritt, das in der Kupferschmelze aufsteigt. Dem Inertgas können reduzierende oder oxydierende Gase beigegeben sein.

Die Vorrichtungen und die Verfahren gemäß dem Stand der Technik sind nicht in ausreichender Weise dafür geeignet, reproduzierbar und mit ausreichender Produktionsgeschwindigkeit sowie angemessenen Kosten bei der Verfahrensdurchführung den Sauerstoffgehalt der Metallschmelze auf einen Anteil von weniger als 5 ppm zu vermindern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren der einleitend genannten Art derart anzugeben, daß bei großtechnischer Anwendung ein vorgegebener Sauerstoffgehalt reproduzierbar und zu angemessenen und geringeren Kosten gegenüber dem Stand der Technik wie oben geschildert, erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Kupfer zunächst in einem gasgefeuerten Schachtofen geschmolzen sowie anschließend über eine ebenfalls gasgefeuerte Rinne zu einem Behandlungsofen geleitet wird.

Als Schachtofen kann eine Vorrichtung gemäß der DE 2 517 957 C 2 verwendet werden.

Dabei tritt sowohl im Bereich der Rinne beziehungsweise und/oder im Bereich des Behandlungsofens das Spülgas durch Ausströmen aus den Spülsteinen von unten durch die Kupferschmelze aus, wobei aus mindestens einem der Spülstein das Spülgas in einer Zusammensetzung mit 30 W bis 70 0 Reduktionsgas und 70 W bis 30 % Inertgas ausströmt.

Der Schachtofen ist derart ausgestaltet, daß kontinuierlich Kupfer mit geringen Sauer-wie Wasserstoff und Gasgehalten geschmolzen und an die Rinne übergeben wird.

Weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der einleitend genannten Art derart zu konstruieren, daß eine Verminderung des Sauerstoffgehaltes der Kupferschmelze in einem kontinuierlichen Prozeß und mit angemessener Produktionsgeschwindigkeit durchgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im Bereich des Bodens und der Seiten sowie im Auslaufbereich des Behandlungsofens Spülstein so angeordnet sind, daß vom aufsteigenden Spülgas eine Vertikalströmung innerhalb der Kupferschmelze ausgebildet ist, wobei zusätzlich der Behandlungsofen ein in sich völlig geschlossenes System mit kontrollierten Bedingungen für Metall und Gase bildet.

Grundsätzlich sind das Verfahren und die Vorrichtung dafür geeignet, im vollen Umfang kontinuierlich betrieben zu werden. Das Vergießen der Kupferschmelze kann in Abhängigkeit von den verwendeten Behandlungsöfen auch diskontinuierlich durchgeführt werden. Insbesondere ist daran gedacht, das Ausgangsmaterial zunächst in einem kostengünstigen gasgefeuerten Schachtofen einzuschmelzen.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung ist es möglich, eine kontinuierliche Erzeugung von Kupfer mit einem Sauerstoffanteil von kleiner als 5 ppm und mit einer Dichte größer als 8,9 herzustellen. Es werden sowohl die Investitionskosten für die Herstellung der Fertigungsanlage als auch die Betriebskosten in DM/t bei der Durchführung des Verfahrens gegenüber dem Stand der Technik gesenkt.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen : Figur 1 einen Querschnitt durch einen Behandlungsofen und Figur 2 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung des Materialflusses.

Aus der schematischen Querschnittdarstellung in Figur 1 ist erkennbar, daß die verfahrenstechnische Behandlung der Kupferschmelze innerhalb eines Behandlungsofens (1) erfolgt. Der Behandlungsofen (1) ist mit einem Einlaufteil (2) sowie einem Ausgußteil (3) versehen. Die Kupferschmelze wird vorzugsweise über einen Zulauf (4) von oben in das Einlaufteil (2) überführt. Innerhalb des Einlaufteils (2) wird eine Pegelhöhe der Schmelze derart vorgesehen, daß in lotrechter Richtung oberhalb eines Füllpegel (5) ein Freiraum (6) zwischen der Schmelze und einem Einlaufdeckel (7) verbleibt. Die Schmelze ist innerhalb des Einlaufteils (2) mit einer Deckschicht (8) versehen, die beispielsweise aus Ruß oder Holzkohle ausgebildet sein kann. Der Zulauf (4) erstreckt sich in lotrechter Richtung bis in die Schmelze hinein, so daß die Zuführung der Schmelze unterhalb der Deckschicht (8) erfolgt.

Bei der dargestellten Ausführungsform ist im Bereich eines Einlaufbodens (9) ein oder mehrere Einlaufspülstein/e (10) angeordnet, aus dem das Spülgasgemisch für die Reduzierung des Sauerstoffgehaltes der Schmelze aufsteigt.

Das Einlaufteil (2) ist mit einem Verbindungskanal (11) zum Mittelteil (12) des Behandlungsofens (1) gekoppelt. Der Verbindungskanal (11) erstreckt sich unterhalb des Füllstandes der Schmelze im Behandlungsofen (1). Insbesondere ist daran gedacht, den Verbindungskanal (11) unmittelbar oberhalb des Einlaufbodens (9) anzuordnen und eine obere Begrenzung des Verbindungskanals (11) mit einem Abstand zum Einlaufboden (9) derart zu lokalisieren, daß der Einlaufkanal (11) in lotrechter Richtung nach oben etwa auf der halben Füllstandshöhe der Schmelze innerhalb des Einlaufteils (2) begrenzt ist.

Im Bereich des Mittelteiles (12) ist eine tiegelartige oder tunnelartige Vertiefung (13) vorgesehen, in die die Schmelze einströmt. Gemäß der Ausführungsform in Figur 1 ist insbesondere daran gedacht, im Bereich eines Eingangs (14) des Mittelteiles (12) einen Eingangsboden (15) auf einer Höhe anzuordnen, der etwa der Höhe oder einem tieferen Niveau des Einlaufbodens (9) des Einlaufteiles (2) entspricht. Im Bereich des Eingangsbodens (15) bzw. oberhalb des Eingangsbodens (15) kann ein oder mehrere Spülstein/e (16) positioniert werden.

Die Schmelze innerhalb des Mittelteils (12) kann ebenfalls mit einer Deckschicht (8) versehen sein.

Oberhalb der Deckschicht (8) ist ein Gassammelraum (17) angeordnet, der in lotrechter Richtung nach oben von einem Ofendeckel (18) begrenzt ist. Der Ofendeckel (18) weist einen Gasauslaß (19) auf.

Im Bereich eines Bodens (20) des Mittelteils (12) ist ein oder mehrere Spülstein/e (21) angeordnet.

Der/Die Spülstein/e (21) ist/sind vorzugsweise derart plaziert, daß von aufsteigenden Gasblasen eine Strömung der Schmelze innerhalb der Vertiefung (13) derart erzeugt wird, daß in einem mittleren Bereich die Strömungsrichtung in lotrechter Richtung nach oben weist und in Randbereichen eine Strömungsrichtung in lotrechter Richtung nach unten realisiert ist. Diese Strömungsrichtungen werden z. B. durch elektrische Felder und/oder Induktoren verstärkt so umgelenkt, daß die Austauschreaktionen zwischen Spülstein und Schmelze verstärkt/verlängert werden., Hierdurch wird gewährleistet, daß in den Bereich des Mittelteiles (2) einströmende Schmelze zunächst in Richtung auf den Boden (20) geleitet wird und daß hierdurch ein ausreichender Kontakt mit dem aus dem Spülstein (en) (21) ausströmenden Spülgas sichergestellt ist.

Die ausgebildete Strömung kann ggf. durch eine vorgesehene elektrische Heizung noch unterstützt werden.

Das Mittelteil (12) ist über einem Ausströmkanal (22) mit dem Ausgußteil (3) verbunden. Der Ausströmkanal (22) weist eine Höhenlokalisierung ähnlich wie der Verbindungskanal (11) auf. Eine obere Höhenbegrenzung des Ausströmkanals (22) ist etwa auf einer halben Füllstandshöhe der Schmelze innerhalb des Ausgußteils (3) vorgesehen. Im Bereich eines Kanalbodens (23) des Ausströmkanals (22) kann/können ein oder mehrere Spülstein/e (24) angeordnet sein.

Im Bereich eines Überganges des Mittelteiles (12) in den Ausströmkanal (22) ist ein Ausgangsboden (25) vorgesehen, der sich etwa auf einer gleichen Höhe wie der Kanalboden (23) sowie der Eingangsboden (15) erstreckt. Im Bereich des Ausgangsbodens (25) bzw. oberhalb des Ausgangsbodens (25) kann/können ein oder mehrere Spülstein/e (26) plaziert sein.

Auch innerhalb des Ausgußteiles (3) kann die Schmelze mit einer Deckschicht (8) versehen sein und oberhalb der Deckschicht (8) ist zwischen einem Ausgußdeckel (27) und dem Füllpegel ein Freiraum (28) vorgesehen. Im Bereich eines Ausgußbodens (29) ist eine Ausgußöffnung (30) zur Ableitung der Schmelze angeordnet.

In der stark schematisierten Darstellung in Figur 2 ist veranschaulicht, daß das zu schmelzende Ausgangsmaterial (31) zunächst einem Schmelzofen (32) zugeführt wird und anschließend über eine Rinne (33) in den Bereich des Behandlungsofens (1) transportiert wird. Eine Beaufschlagung mit Spülgas kann sowohl im Bereich der Rinne (33) als auch im Bereich des Einlaufteiles (2), des Ausgußteiles (3) sowie des Mittelteiles (12) erfolgen. Eingezeichnet sind jeweils Zuleitungen (35) für das Spülgas.

Das Einschmelzen mit Gas im Schachtofen, dessen Schacht wie ein Wärmetauscher wirkt, ist wesentlich effizienter und damit energiesparender als das Einschmelzen mittels Strom bei den Induktionsöfen der Standardverfahren.

Das derart erschmolzene und bereits voreingestellte (u. a. bezüglich Sauerstoff, gesamter Gasgehalt und Verunreinigungen) flüssige Metall gelangt kontinuierlich aus dem Stichloch in die gasbefeuerte Rinne (33), die in ähnlicher Weise wie der Kathodenschachtofen gesteuert und ausgerüstet ist.

Aus der gasbefeuerten und/oder elektrisch beheizten und abgedeckten und/oder geschlossenen Rinne (33) gelangt das Kupfer in den Behandlungsofen (1), der zugleich Gießofen sein kann.

Innerhalb der Rinnenlänge können neben dem Schlackesumpf weitere Sümpfe angeordnet sein, die durch Induktoren beheizt sind und in denen im Boden und/oder von oben Spülstein so angeordnet sind, daß in diesen Sümpfen eine innige Mischung des flüssigen Metalls mit den Spülgasen stattfindet.

Diese Sümpfe sind entweder im direkten Durchlauf oder über Syphons mit der Rinne (33) verbunden.

Die oben genannten Induktoren können Rinneninduktoren wie auch Tiegelinduktoren sein.

Die Rinne (33) kann ortsfest oder beweglich angeordnet sein, je nach Verwendung einer oder mehrerer Behandlungs-/Gießöfen.

Das Überführen mit Gasheizung ist wie das Einschmelzen wesentlicher effizienter und damit energiesparender als das Überführen bei den vollständig elektrisch beheizten Rinnen (33) des Standardverfahrens.

Der Behandlungsofen (1) ist vorzugsweise ein in sich geschlossenes, feuerfest ausgemauertes Gefäß.

Dieses kann ortsfest oder beweglich angeordnet sein, weiterhin nur einfach oder mehrfach vorhanden sein, je nach Gießtechnologie und/oder Leistungsauslegung.

Das in den Behandlungsofen (1) kommende vorbehandelte flüssige Kupfer wird aus der Rinne (33) z. B. über einen Bodenablauf unter Bad oder im flachen Zufluß in den mit Reduktionsmitteln, z. B.

Holzkohle abgedeckten und mit Deckeln gegen die Atmosphäre abgedichteten Einlaufbereich (2) des Behandlungsofens eingeleitet.

Der Boden (9) und/oder die Seiten und/oder die Deckel (7) des Einlaufteiles (2) sind mit Spüldüsen so ausgerüstet, daß eine innige Vermischung des einlaufenden Kupfers mit Spülgas gewährleistet ist.

Das Einlaufteil (2) kann ebenfalls-abhängig von seinem Fassungsvermögen-mit Induktoren wie in der Rinne (33) versehen sein.

Das'so'weiter behandelte flüssige Kupfer gelangt vom Einlaufteil (2) direkt oder über einen Syphon zum, Mittelteil (12) des Behandlungsofens (1).

Dieser Teil des Ofens ist ebenfalls gegen die Atmosphäre mit einem Deckel (18) abgedichtet und das Metallband darin ist mit Reduktionsmitteln, z. B. Russ, abgedeckt.

Der Boden (20) und/oder die Seiten und/oder die Eingangs-und Ausgangsbereiche des Mittelteils (12) sind mit Spüldüsen so ausgerüstet, daß eine innige Vermischung des einlaufenden Kupfers mit dem Spülgas gewährleistet ist.

Zusätzlich ist der Boden (20) mit einem oder mehreren Induktor/en und/oder einem elektromagnetischen Rührer versehen, so daß die Schmelze zusätzlich bewegt wird und hierdurch eine innige Vermischung mit den Spülgasen, mit dem beim z. B. kontinuierlichen Betrieb ein-und auslaufenden Kupfer sowie mit der Holzkohleabdeckung stattfindet und, soweit erforderlich, die Schmelze im Behandlungsofen (1) auf der erforderlichen Abgießtemperatur gehalten bzw. auf diese gebracht wird.

Vom Mittelteil (12) gelangt die Schmelze direkt oder über einen Syphon zum Ausgußteil (3), welches ebenfalls mit Reduktionsmitteln, z. B. mit Holzkohle, abgedeckt und mit Deckeln (27) gegen die Atmosphäre abgedichtet ist.

Je nach Konstruktion können im Ausgußteil (3) ebenfalls Spülstein und Induktoren ähnlich wie beim Eingußteil (2) installiert sein. Die Schmelze gelangt dann unter Bad über ein keramisches Ventil und ein keramisches Rohr inkl. Düse unter Bad in die Kokille/Kokillen.

Je nach Gießverfahren kann die Kokille auch direkt an den Ausgußteil (3) unter Bad angeflanscht sein, so daß dann das oben erwähnte keramische Ventil entfällt. Ist die Kokille über Bad angeflanscht, so kann z. B. zwischen Ausgußteil (3) und Kokille eine entsprechende mechanische oder elektromagnetische Pumpe in geschlossener Ausführung installiert werden, oder bei in sich geschlossener Kokille wird nach bekanntem Verfahren die Schmelze durch den erstarrten Strang in die Kokille gezogen.

Die nicht angeflanschte Kokille und das im Oberteil der Kokille flüssige Metall wird z. B. durch Schutzgas oder/und durch Ruß und/oder durch Ruß- Holzkohlegemische gegen die Atmosphäre abgedeckt.

Angeflanschte wie nicht angeflanschte Kokillen werden an ihrem Metallaustrittsende ebenfalls gegen die Atmosphäre mit Schutzgas abgedeckt. Das Metall ist jetzt erstarrt, aber noch heiß.

Das in der Rinne (33), in dem Behandlungsofen (1) und bei der Kokille verwendete Schutzgas besteht im wesentlichen aus Inertgas wie z. B. Argon, Stickstoff und aus CO/C02-Gemischen, wobei sich Mischverhältnisse von Inertgas von 100% bis 70% je nach Einblasort und von CO/C02 von o% bis 30-je nach Einblasort bei der Anwendung nach dem beschriebenen Verfahren als für den erfindungsgemäßen Zweck als effektiv erwiesen haben.

Generell ist es zweckmäßig, am Gesamtgasvolumen aus Reduktionsgas und Inertgas im Bereich der Spülstein einen Anteil des Reduktionsgases im Bereich von 40% bis 60% vorzusehen. Typischerweise beträgt der Anteil des Reduktionsgases etwa 50%.

Sämtliche oben genannte Anteile stellen Volumenanteile dar. Der Anteil des Reduktionsgases in der Ofenatmosphäre sollte im Bereich von 10% bis 40% liegen. Typischerweise beträgt der Anteil etwa 20%. Der Anteil oxidierender Gasbestandteile in der Ofenatmosphäre beträgt etwa 0% bis 10%.

Typischerweise liegt ein Anteil von 5% vor.

Die Spülsteine, ihre innere Ausbildung und ihre Anordnung in der feuerfesten Ausmauerung bzw. in den Deckeln und damit mit ihrer darüberliegenden Badhöhe bzw. ihrer Einblastiefe sowie ihre örtliche Verteilung und Anzahl in der Rinne (33) und im Behandlungsofen (1) richtet sich nach den jeweilig vorhandenen bzw. auszulegenden Parametern.