DE3016173C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Stranggießen von Alkalimetall unter Druck - Google Patents

Description

Die Erfindung belriffi ein Verfahren zum Sir.inggie ßen von Alkalimetall unter Druck durch Pressen in um.¹ durch eine kuhlbare Stranggießkokille sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Alkalimetalle werden fur ihre Verarbeitung /ii einem erheblichen Teil als Formstücke unterschiedlichen Gewichts und unterschiedlicher Abmessungen in ilen I landel gebracht Die Formstücke werden hauptsächlich durch Vergießen der flüssigen Metalle hergestelli Daneben werden die Alkalimetalle, insbesondere das Natrium, auch diu\ h Verpresscn aus dem festen Zustand /u verschieden geformten Strängen verarbeitet.

Diese Verfahrensweisen sind mil bestimmten Nach lcilen beh.iflci Der schwerwiegendste Nachteil ist die liildurii.· vim Verunreinigungen durch Reaktion des MeIaMs mn tier l.ufi und dem in ihr eninaltenen Wasserdampf lerner fuhr ι der heim Vorpressen des festen Metalls erforderliche hohe Druck zu einem hohen Matenalvcrschlcil! Das Verprcssen der festen Alkali metalle isi nur diskontinuierlich möglich. Die Maschi neiileisiuMj.'cn sind dadunh zwangsläufig begrenzt. Der l'ersonalaiiiwaiid isi im Verhältnis /Ur Durchsatzlei· stung hoch.

Ils sind auch schon Verfahren /tun .S'fanggießcn von Alkalimetallen (infer Druck beschrieben worden, her denen die Schmelzt« ties Metalls in Anwesenheit eines Schmiermittels einer l'uinpc in und durch eine kühlbaie Stranggießkokille gepreßt wird, in welcher das Metall auf eine unter seinem Schmelzpunkt liegende TeififiCf.ttür abgekühlt wird (»I landbuih des Slfaiiggießens« von Herrmann, 1958, Seite 764 und 765).

Dabei muß die Schmelze stets, vor oder in der Stranggießkokille, mit einem das Endprodukt zwangsweise verunreinigenden, bei der Arbeitstemperatur ι flüssigen Schmiermittel, wie Mineral- oder Siliconöl, in Berührung gebracht werden, um eine Oberbeanspruchung von Pumpen und Rohrleitungen zu vermeiden. Des weiteren erlaubt die Verwendung von Kolbenpumpen nur einen diskontinuierlichen Materialvorschub und κι -austrag.

Bei dem in der DE-OS 24 57 423 beschriebenen Strangpreßverfahren wird in dem sogenannten Aufnehmer schichtweise Schmelze eingebracht und unter Abkühlung zum warmplasiischen Zustand schichtweise zu einem Barren aufgebaut, welcher schrittweise, mittels eines Stempels, zum Strang ausgepreßt wird, aobei der Preßdruck bereits während des Übergangs der zuletzt eingebrachten Schmelzenschicht vom flüssigen in den warmplastischen Zustand aufgebracht werden kann. >n Da·. Verfahren benötigt eine relaiiv aufwendige Apparatur und erlaubt ebenfalls nur eine periodische Druckaufgabe.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Stranggießen von Alkalimetall zu schaffen, welches mit einer einfachen Apparatur auskommt, fortlaufend betrieben werden kann und den hohen Anforderungen an die chemische Reinheit des erzeugten Alkalimetall; trangs gerechi wird.

j» Cielost wird diese Aufgabe durch Stranggießen des Alkalimetals unter Druck durch Pressen in und durch eine kuhlbare Stranggießkokille, indem dem schmelz· flüssigen Alkalimetall ein Förderdruck kontinuierlich aufgegeben und diese Schmelze dabei kontinuierlich vor j; der Stranggießkokille soweit abgekühlt wird, daß sie noch ausreichend extrusionsfähig bleibt.

Bevorzugt geht man d.ibei so vor.daß die Schmelze in einem Extruder auf den Meiallschmclzpunkt ->der eine darunierliegende Feinperatur abgekühlt wird
an /um Anfahren kann man zweckmäßigerweise so verfahren, daß der Extruder zunächst auf eine Temperatur oberhalb des Metallschmelzpiinkls vorgeheizi wird, und daß anschließend flüssiges Alkalimetall so lange zugeführt wird, bis dieses aus der Stranggieß j; kokille ausiriit und daß hierauf die Abkühlungsbcdin gungen eingestellt « erden

Das Verfahren gewinnt an Flexibilität und Betriebssicherheu, wenn man dafür sorgt, daß j-.-jh die in der Stranggießkokille durch den Auspreßvorgang cnlste-"ι» hende Keibungswarmc abgeführt wird. Dies geschieht am Ksteii mittels eines um die Stranggießkokille ungeordneten separaten Kühlmantels nut unabhängiger Kühlmittelzufuhr

Dei liiiienraiiiii des Extruders kann wahrend des μ Beiriebs mn einem Inertgas, wie Slicksoff. gespult werden

Der erzcugie Mkaliiiietallsir.ing kann dann, gegebenenfalls inner Schutzgas, einer auionialischen Schneid vorrichtung zugeführt und in verpaekungsgiinstigc Mi Abschiülteuuicricill werden.

Das Verfahren wird bevorzug! in einem Doppclwel· lcncurifder ausgeführt., welcher über seine Länge unterschiedliche Teinpcnitiireinslellungcii gestattet und in eine als Stranggießkokille dienende Extrusionsdüsc *> forciert, welche mit einem "separaten Kühlmantel mit unabhängiger Külilmiitel/ufufir ausgerüstet ist.

Die Erfindung betrifft demgemäß auch eine Vorrichtung, welche durch Ausbildung des Extruders als

Doppelwellencxiruder gekennzeichnet isi-

Wegen der hohen Reaktionsfälligkeil der Alkalimetalle ist eine Abdichtung des Extruderinneren gegenüber der Umgebungsluft wichtig. Sie kann beim erfindungsgemäßen Verfahren dadurch erzielt werden, daß man die aniriebsseitigen Wellendurchführungen des Extruders zur Abscheidung einer abdichtenden Alkalimetallschicht kühlt.

Demgemäß sieht eine bevorzugte Ausbildung der zur Durchführung des Verfahrens bestimmten Vorrichtung eine Kühleinrichtung für die Wellendurchführungen des Extruders vor.

In der Praxis geht man beispielsweise zur kontinuierlichen Herstellung von festen Natrium-Strängen wie folgt vor:

Schmelzflüssiges Natrium mit einer etwa 20⁰C oberhalb seines Schmelzpunkts aufweisenden Temperatur wird dem Aufgabestutzen eines Doppelwellenextruders mit gleichsinnig laufenden und ineinandergreifenden Schnecken aus einem beheizten Vorratsbehälter zugeführt. Der Extruder weist mehrere Heiz- bzw. Kühlmantel auf. Der erste Mantel ist vor dem Aufgabestutzen im Bereich der Schneckenwellendurchführungcn zum Antrieb angeordnei. Der zweite Mantel schließt an den ersten Kühlmantel an und verläuft entlang dem Schneckengehäuse bis zu der als Stranggießkokille dienenden Extrusionsduse. Diese ist von einem dritten Mantel umgeben, leder Heiz- bzw. Kühlmantel kann unabhängig von den anderen mit einem Wärmeüberiragungsmedium gespeist werden, welches beheiz- t w. kühlbar ist. Beim Anfahren des Extruders wird dieser zunächst a^<<r seiner gesamten Länge auf ca. 120^C vorgeheizt, bis sich ein kontinuierlicher Durchfluß des Alkalimetals eingestellt hat und flüssiges Metall aus der Exirusionsaüse austritt. Die Temperatur des Wärmeüberiragungsmediums wird dabei ca. 20 C oberhalb des Schmelzpunkts des Natriums (97.8 C) gehalten und damit zumindest der zweite und dritte Hei/· bzw. Kühlmantel beschickt Hierauf wird unter Aufiechlerhaliung des Nalrtumzuflus-.es auf Kühlung umgeschaltet, um die in der Schmcl/e enthaltene Warme und die Reibungswärme in geeigneter Weise abzuführen und die Abdichtung des Schneckengehäuses gegenüber der Umgebung herbeizuführen.

Hierzu wird der erste Mantel partiell so gekühlt, daß sich erstarrtes und erstarrendes Natrium an den Wcllcndurchführungen als abdichtende Schicht aufbaui. welche dem durch die Verformung des Metalls in der Siranggießkokille sich aufbauenden Druck Widerstand lcislct und damn die Abdichtung sicherstellt.

Der /weile Mantel wird ebenfalls mit Kühlflüssigkeit beschickt, dessen Menge so eingestellt wird, dall zwischen Malerulaiifgabeort und Stranggießkokille!! abschnitt ein Tempcraturgefälle /um Melallschmel/· punkt hin auftritt, wobei der Schmelzpunkt aber erst durch Abfuhr der Schmelzwärme und der in der Düse auftretenden Reibungswärme über den dritten, jet/i ebenfalls mn Kühlflüssigkeit beaufschlagten Mantel rlcullich, vuraigsNveiseum5- l5X,.uMersthriticn wird.

Durch die kombinierte Heiz /Kühlschaltung wird die Erzeugung eines homogenen Natriumstrangs möglich. Demgegenüber zeigte sich bei abweichender Verfahren'sführung, daß sich das Natrium infolge ungleiehmä-' ßiger Wärmeabfuhr stellenweise überhitzt und in gebrochenen schwarzgefärbten, teilweise brennenden Stücken aus der Düse des Exrruders austritt

Das die Maschine verlassende, zu einem Strang beliebigen Durchmessers formbare Alkalimetall kann — '" gegebenenfalls unter Schutzgasatmosphäre — einer automatischen Schneidvorrichtung zugeführt werden, um die Verpackung des abgelängten Natriumstranges in bereitgestellte Emballagen zu beschleunigen.

Aus dererfindungsgemäßen Verfahrensweise, welche ' ■ au;'alle Alkalimetalle angewandt werden kann, ergeben sich also folgende Vorteile:

1. Kontinuierliche Herstellung von Alkalimetaiisträngen unterschiedlicher Querschnitte direkt aus dem

-'" flüssigen Zustand;

2. Vermeidung von Verunreinigungen, besonders wenn unter Inertgas gearbeitet wird;

3. hohe Durcnsatzleistung bei geringem Personalaufwand;

-'"' 4. geringer Materialverschleiß.

Die Erfindung wird nachfolgend durch ein Ausführungsbeispiel weiter eHäutert:

J₁₁ Beispiel

Zur Extrusion wurde ein Doppelwellenextruder verwendet, welcher aus 6 Gehäusen mit den Abmessungen von 2260 mm Länge. 240 mm Breite und 240 mm Höhe bestand.

^ Zur Inbetriebnahme wurde der Extruder mit Wärmcübertragungsol beheizt, bis die Wandtemperatur etwa 120³C betrug. Dann wurde das Natrium-Zuldufventil geöffnet und ein konstanier Durchfluß von flussigem Natrium durch den Extiüder eingestellt. Anschließend wurde auf Kühlung umgeschaltet, wobei zuerst der Mantel vor dem Aufgabeslutzen im Bereich der Schneckenwellendurchführung. dann der /weite Mantel um die Schneckcngehä'jse und schließlich der dritte Mantel um die Stranggießkokille mit Wärmcüber-¹⁾⁵ tragungsöl beaufschlagt wurde. Die Temperatur des zulaufenden Öls lag dabei um 0⁰C, die des ablaufenden Öls je nach Kühlmantel zwischen 40 und 65° C.

Bei einer optimalen Einstellung der Maschine konnte

ein Durchsalz, von 300 kg/h Natrium erreicht werden,

>° wobei der Querschnitt des Stranges 70 · 70 mm betrug.

Der Ankerstrom des Hauptantriebes betrug hierbei

150 A bei einer Schneckendreh/.ahl von 50 UpM. Die Drchmomentbclasiung lag /wischen 60 und 70%. Der Materialdruck des Natriums im Extruder kurz vor der

" Stranggießkokille stieg auf ca. 80 bar an.

Die Temperatur des Natriums im Raum zwischen Schnecke und Stranggießkokille lag um 95°C. Durch die Kühlung der Stranggießkokille wjrdc die Temperatur des Natrium-Stranges am Austritt auf 84"C gesenkt.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Stranggießen von Alkallmetallen unter Druck durch Pressen in und durch eine kühlbare Stranggießkokille, dadurch gekennzeichnet, daß dem schmelzflüssigen Alkalimetall ein Förderdruck kontinuierlich aufgegeben und diese Schmelze dabei kontinuierlich vor der Stranggießkokille soweit abgekühlt wird, daß sie noch ausreichend extrusionsfähig bleibt.

2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze in einem Extruder auf den Metallschmelzpunkt oder eine darunterliegende Temperatur abgekühlt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Extruder zum Anfahren zunächst auf eine Temperatur oberhalb des Metallschmel/punkts vorgeheizt wird, und daß anschließend flüssiges Alkalimetall so lange zugeführt wird, bis dieses aus der Stranggießkokille .iustnii und cl.iH hierauf die Abkuhlungsbedingungen eingestellt werden.

4. Verfahren nach den Ansprüchen I — 3. dadurch gekennzeichnet, daß der Extruder mit Inertgas beaufschlagt wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen I —4. dadurch gekennzeichnet, daß der Strang unter Schutzgas abgela.igi wird.

h Vorrichtung /ur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 2— j. gekennzeichnet durch Ausbildung de. Extruders als Doppel« ellenextruder.

7. Vorrichtung nach Anspruch b. gekonnzeichnet d\^rch eine Kühleinrichtung fur die VVellendurchfuhrungcinlcs Extruders.