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Dokumentenidentifikation DE102004009546B4 16.05.2007
Titel Pumpvorrichtung für einen Schmelzeofen
Anmelder StrikoWestofen GmbH, 51674 Wiehl, DE
Erfinder Brössel, Christoph, 65618 Selters, DE;
Glücklich, Jens, 65817 Eppstein, DE;
Sauke, Sven-Olaf, 56370 Ebertshausen, DE;
Viedenz, Michael, 51766 Engelskirchen, DE
Vertreter PFENNING MEINIG & PARTNER GbR, 10719 Berlin
DE-Anmeldedatum 24.02.2004
DE-Aktenzeichen 102004009546
Offenlegungstag 08.09.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 16.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.05.2007
IPC-Hauptklasse F04D 7/06(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F04D 13/08(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Pumpvorrichtung für einen Schmelzeofen nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Bei Schmelz-, Dosieröfen, insbesondere zur Aufnahme eines Magnesiumbades ist es bekannt, die Magnesiumschmelze mit einer Kreiselpumpe zu fördern. Dabei ist die Kreiselpumpe an einer Säulenkonstruktion befestigt und ragt in die Magnesiumschmelze hinein. Bei einer solchen bekannten Pumpe backt aber das Magnesium insbesondere im Bereich des Schmelzespiegels an der Kreiselpumpenwelle an, wodurch sich ein Magnesiumkragen bildet. Dieser Kragen ist nachteilig für eine saubere Betriebsweise und verlangt eine häufige Reinigung der Pumpe.

Die Druckschrift US 5676520 A offenbart verschiedene Maßnahmen zur teilweisen Lösung dieses Problems. Durch das Umgeben der Kreiselpumpenwelle mit einem Wellentunnel, welcher in der Nähe der Kreiselpumpe Öffnungen aufweist, kann mit Hilfe eines eingeführten Gases in den Wellentunnel eine Oxidation der Kreiselpumpenwelle verringert werden. Hierzu können sowohl leichtere als auch schwerere Gase als Luft eingesetzt werden. Die schützende Wirkung des Gases lässt sich darauf zurückführen, dass das Gas um die Welle herum die Luft verdrängt und die Luft in Verbindung mit dem geschmolzenen Metall die Welle nicht länger angreifen kann.

Des Weiteren kann das Innere des Wellentunnels mit Hilfe des Gases unter Druck gesetzt werden, so dass sich der Höhenspiegel des geschmolzenen Metalls kontrollieren kann. Durch ein Absenken des Höhenspiegels des geschmolzenen Metalls innerhalb des Wellentunnels wird das Drehmoment, welches nötig ist um die Kreiselpumpe zu betreiben, verringert und reduziert somit die Beanspruchung der Pumpe selbst.

Mit Hilfe des eingeleiteten Gases kann auch eine Entgasung des geschmolzenen Metalls zumindest teilweise stattfinden.

Eine gasdichte Dichtung zwischen dem Pumpenmotor und dem Wellentunnel verhindert, dass während z.B. einer Gaseinleitung spritzendes Metall Teile des Pumpenmotors beschädigt. Dies reduziert die Abnutzung der Pumpe.

Die Druckschrift US 2075895 A offenbart eine Verbesserung, indem die gasdichte Dichtung als ein gasdichte Lagerung der Kreiselpumpenwelle realisiert wird.

Die Druckschrift US 5509791 A offenbart eine Verbesserung in welcher die Kreiselpumpenwelle nicht nur motorseitig, sondern auch rotorseitig eine Lagerung aufweist.

Ein Nachteil des momentanen Standes der Technik stellt allerdings dar, dass der Höhenspiegel im Wellentunnel noch immer nicht auf eine minimale Höhe reduziert werden kann.

Des Weiteren stellen die offenbarten Merkmale keine zufrieden stellende rotorseitige Lagerung der Kreiselpumpenwelle dar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Pumpvorrichtung zum Fördern von flüssigem Metall, insbesondere Magnesium zu schaffen, die eine robuste Ausführung mit langen Wartungsintervallen, großer Tauchtiefe und großer Förderhöhe gestattet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.

Dadurch, dass die Antriebswelle in einem rohrförmigen, in die Schmelze eintauchenden Wellentunnel geführt ist und motorseitig mittels einer im Wellentunnel angeordneten Dichtung gasdicht gelagert ist und dass der Wellentunnel mit einem Gas beaufschlagt ist wird ein Eindringen der Magnesiumschmelze in den Wellentunnel begrenzt und es entsteht zwischen Badspiegel im Ofen und Badspiegel im Wellentunnel eine Höhendifferenz. Vorteilhafterweise bleibt die Antriebswelle mit Ausnahme ihrer pumpenseitigen Lagerung frei vom flüssigen Metall beziehungsweise Magnesium.

In vorteilhafter Weise weist die kreiselradseitige Lagerung der Antriebswelle Lagerspalte auf, durch die Magnesium bzw. das flüssige Metall abhängig von den Druckverhältnissen treten kann. Dadurch entsteht eine hydrodynamische Lagerung.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.

Dadurch, dass an dem Wellentunnel ein Gaszufuhrstutzen zur Beaufschlagung des Wellentunnels mit Gas vorgesehen ist, kann das Gaspolster im Wellentunnel eingestellt und damit die Höhe des Badspiegels im Wellentunnel gesteuert bzw. geregelt werden.

Durch vorsehen einer Druckerfassung an oder in dem Wellentunnel oder im Zufuhrweg des Gases wird mit der Schutzgasbeaufschlagung zusätzlich der Füllstand des Ofens kontrolliert. Weiterhin ist vorteilhafterweise eine Korrektur der Drehzahl der Pumpe abhängig vom Füllstand möglich.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Pumpe,

2 eine vergrößerte Darstellung des unteren Bereichs mit dem Kreiselrad der erfindungsgemäßen Pumpe, und

3 eine Schnittdarstellung des Gehäuses des Kreiselrades entsprechend der Schnittlinie X-X.

Die in der 1 dargestellte Pumpe 1 ist in ihrer Bauart als Kreiselpumpe und in ihrer Bauform als Tauchpumpe ausgeführt. Die Kreiselpumpe weist ein von einer Antriebswelle 2 angetriebenes Pumpen- oder Kreiselrad 3 auf, das in einem Gehäuse 4 mit einer nach außen führenden Öffnung 5 aufgenommen ist. Die Antriebswelle 2 steht über eine Kupplung 6 mit einem Elektromotor 7 in Verbindung, der über die Kupplung 6 und die Antriebswelle 2 das Pumpenrad 3 zur Drehung antreibt. Die Kupplung 6 ist so ausgebildet, dass sie die thermisch bedingte Längenausdehnung der Antriebswelle 2 kompensiert.

Die Antriebswelle 2 wird durch einen Wellentunnel 8 hindurch geführt, der als langgestrecktes Rohr ausgebildet ist, das im Bereich des Pumpenrades 3 mit dem Gehäuse 4 fest verbunden ist und motorseitig über ein die Kupplung 6 umgebendes Gehäuseteil 9 fest mit dem Motor in Verbindung steht. Die Antriebswelle 2 ist am motorseitigen Ende des Wellentunnels 8 in einer abgedichteten Buchse 10 mit einem Gleitlager 11 aufgenommen, während sie pumpenseitig durch ein Axiallager 12 und ein Radiallager 13 geführt ist. Das Axiallager 12 und das Radiallager 13 weisen Lagerspalte 19 auf, deren Funktionen weiter unten näher erläutert werden und die genauer in 2 mit der vergrößerten Darstellung Z zu erkennen sind.

Im oberen Bereich des Wellentunnels 8 ist ein Anschlussstutzen 14 angeordnet, der von außen her mit einer Quelle für Schutzgas verbindbar ist und in den Innenraum des Wellentunnels 8 mündet.

An dem Pumpenradgehäuse 4 sitzt ein Förderstutzen 15, der mit einer Förderleitung verbindbar ist und über den bzw. die das von dem Pumpenrad 3 geförderte flüssige Metall nach außen transportiert werden kann.

In 2 ist der untere Teil der Pumpe etwas größer dargestellt. Weiterhin sind im Bereich des Axiallagers in der Wand des Wellentunnels 8 Löcher 16 für den Austritt des Schutzgases bzw. Eintritt des flüssigen Metalls vorgesehen.

In 3 ist das Gehäuseunterteil entsprechend den Schnittlinien X-X dargestellt.

Für den Einsatz in einem Schmelzeofen, der flüssiges Metall, z.B. Magnesium aufnimmt, wird die Pumpe in das Schmelzebad eingetaucht, wobei sich der größte Teil des Wellentunnels 8 in der Schmelze befindet.

Der obere Teil der Pumpe, z.B. der Motor 7 ist an dem Ofen ortsfest befestigt. Der Anschlussstutzen wird über eine Druckleitung mit der Gasquelle verbunden, die üblicherweise außerhalb des Ofens angeordnet ist und der Förderstutzen 15 wird mit einer Förderleitung verbunden, die aus dem Ofen nach außen geführt ist.

In der 1 ist der Badspiegel im Ofen über das Bezugszeichen 17 dargestellt. Über den Zufuhrstutzen 14 wird Gas, z.B. Argon in den Innenraum des Wellentunnels 8 eingeleitet und da die Antriebswelle 2 motorseitig abgedichtet ist, wird das im Wellentunnel eingeflossene Gasvolumen durch den hydrostatischen Druck der Schmelze komprimiert und verhindert das Eindringen der Magnesiumschmelze in den gesamten Wellentunnel 8. Ein Teil der Schmelze gelangt aber über die Löcher 16 und gegebenenfalls über die Lagerspalte 19 der Lager 12, 13 in den Innenraum des Wellentunnels und aufgrund des durch das Gas erzeugten Drucks entsteht zwischen dem Badspiegel 17 des Ofens und dem in dem Wellentunnel befindlichen Badspiegel, der mit dem Bezugszeichen 18 bezeichnet ist, eine Höhendifferenz. Demzufolge bleibt die Antriebswelle 2 mit Ausnahme ihrer pumpenseitigen Lagerung 12, 13 frei vom flüssigen Metall.

Wenn das Kreiselrad 3 von dem Motor 7 über die Kupplung 6 und die Antriebswelle 2 zur Drehung angetrieben wird, wird flüssiges Metall durch die Öffnung 5 angesaugt und in einem Förderstrom des Kreisels dem Förderstutzen 15 zugeführt, wodurch das flüssige Metall nach außen transportiert wird. Dabei ist die Fördermenge u.a. abhängig von der Drehzahl des Kreiselrades 3.

Bei Rotation des Kreiselrades 3 entsteht auf dessen Rückseite, d.h. im Bereich der pumpenseitigen Lagerung 12, 13 ein Unterdruck. Dieser Unterdruck sorgt dafür, dass flüssiges Metall aus dem Wellentunnel 8 angesaugt wird. Das angesaugte Metall wird durch die vorgesehenen Lagerspalte des Axiallagers 12 und des Radiallagers 13 geführt und dem Hauptförderstrom des Kreisels zugeführt. Aufgrund dieser Wirkungsweise entsteht eine hydrodynamische Lagerung. Die Lagerspalte 19 sind dabei so ausgelegt, dass über das gesamte Drehzahlspektrum der Pumpe eine hydrodynamische Lagerung vorhanden ist.

Die betriebssichere Funktion der Pumpe verlangt eine verschleißsichere Auslegung und Konstruktion der Lager, um die Lagerkräfte zu übertragen. Verschleißsicherheit ist dann gegeben, wenn die Gleitflächen durch einen tragfähigen Film (Schmelze) voneinander getrennt sind. Die Pumpwirkung der rotierenden Welle 8 fördert den Schmierstoff (Schmelze) in den Lagerspalt 19 und bewirkt bei konvergentem Lagerspalt 19 den Aufbau von Schmierdrücken. Die Exzentrizität der Welle, bedingt durch das Spaltmaß und äußere Kräfte (Unwucht, Druckverhältnisse im Spiralgehäuse, usw.) stellt sich im Betrieb so ein, dass sich der Druck des Schmiermediums (Schmelze) und die äußeren Lagerkräfte im Gleichgewicht halten. Dementsprechend wurden das Spaltmaß und die projizierten Flächen der Lagerung ausgewählt. Durch den Unterdruck des Kreiselrades wird die Fließrichtung des Lagermediums (Schmelze) vorgegeben und der Effekt der hydrodynamischen Lagerung verstärkt.

Im Bereich der Gaszufuhr und/oder in oder an dem Wellentunnel ist eine Sensoranordnung vorgesehen, die den Druck in dem Wellentunnel 8 erfasst, wobei abhängig von dem jeweiligen Druck die Gaszufuhr gesteuert bzw. geregelt wird. Außerdem kann über den erfassten Druck eine Aussage über das Niveau der Schmelze im Ofen, d.h. über den Badspiegel 17 gemacht werden, wodurch eine füllstandabhängige Drehzahlkorrektur der Pumpe ermöglicht wird.

Der Druck wird mit einem Druckmessumformer erfasst und als elektrisches Signal an eine Steuerung übergeben. Über die hydrostatischen Druckverhältnisse der Schmelze kann der Füllstand des Ofens errechnet werden. Bei geringerem Füllstand des Ofens erhöht sich die zu fordernde Höhe. Um jedoch die Pumpenleistung konstant zu halten, wird die Drehzahl der Pumpe den hydrostatischen Verhältnissen angepasst. Dies geschieht in Abhängigkeit der erfassten Werte des Druckmessumformers.

Aufgrund der Ausbildung der Pumpe kann eine große Tauchtiefe erreicht werden, um tiefe Tiegel bzw. Öfen entleeren zu können. Weiterhin können große Förderhöhen realisiert werden. Die Förderhöhe ist abhängig von der Motorleistung der Pumpe. Da Bauart bedingt der Druckstutzen 15 vom Antriebsstrang der Pumpe getrennt ist, kann in Abhängigkeit von der Leistung und der Strömungsverluste eine Förderhöhe weit über das Schmelzbadniveau realisiert werden.

Durch den hohen Wirkungsgrad kann auf der Druckseite ein konstanter Pegel unabhängig vom Badspiegel gehalten werden. Beim Dosieren wird von diesem Pegel ausgehend mit einer Drehzahlerhöhung der eigentliche Dosiervorgang eingeleitet. Dadurch verringert sich die Ansprechzeit der Pumpe. Die Dosiermenge wird über die Zeit und Drehzahl gesteuert.

Der Einlass des Pumpengehäuses 5 ist so gestaltet, dass eine max. definierte Korngröße eingezogen werden kann. Die inneren Geometrien sind so gewählt, dass ein Verstopfen durch diese eintretenden Korngrößen nicht eintreffen kann.


Anspruch[de]
Pumpvorrichtung für einen Schmelzeofen, zur Förderung von flüssigem Metall mit einem Kreiselrad (3), das von einem Motor (7) über eine Antriebswelle (2) antreibbar ist und in die Schmelze eintaucht und mit einem Förderrohr für die vom Kreiselrad (3) geförderte Schmelze, wobei die Antriebswelle (2) in einem rohrförmigen, in die Schmelze eintauchenden Wellentunnel (8) geführt ist und motorseitig gasdicht gelagert ist, und wobei der Wellentunnel (8) mit einem Gas beaufschlagt ist, das das Eindringen der Schmelze in den Wellentunnel (8) begrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (2) in der Nähe des Kreiselrades (3) in dem Wellentunnel (8) in einer Lageranordnung (12, 13) gelagert ist, dass die Lageranordnung (12, 13) Lagerspalte (19) aufweist, und dass abhängig vom Druck im Wellentunnel (8) und/oder der Drehzahl des Kreiselrades (3) die Lagerspalte (19) der Lageranordnung (12, 13) so ausgelegt sind, dass eine hydrodynamische Lagerung gegeben ist, bei der flüssiges Metall die Lageranordnung (12, 13) umspült. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des Gases so einstellbar ist, dass der Pegel der Schmelze in dem Wellentunnel (8) auf die nähere Umgebung des Kreiselrades (3) begrenzt ist. Pumpvorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Wellentunnel (8) mindestens ein Gaszufuhrstutzen (14) zur Beaufschlagung des Wellentunnels (8) mit Gas vorgesehen ist. Pumpvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Wellentunnel (8) in der Nähe der Lageranordnung (12, 13) der Antriebswelle (2) Löcher (16) zur Abfuhr des Gases angeordnet sind. Pumpvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an oder in dem Wellentunnel (8) oder im Zufuhrweg des Gases eine Sensoranordnung zur Erfassung des Drucks in dem Wellentunnel (8) vorgesehen ist. Pumpvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig vom Druck im Wellentunnel (8) die Zufuhr des Gases steuer-/regelbar ist. Pumpvorrichtung nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig vom Druck und/oder der Gaszufuhr die Drehzahl des Kreiselrades (3) steuer-/regelbar ist. Pumpvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lageranordnung (12, 13) ein Radial- und/oder Axiallager aufweist.






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