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Dokumentenidentifikation DE69934529T2 31.10.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001522735
Titel Zugankerverbindung bei einer Vorrichtung zum Pumpen von flüssigem Metall
Anmelder Pyrotek, Inc., Spokane, W.A., US
Erfinder Mordue, George S., Ravenna OH 44266, US;
Morando, Jorge A., Cadiz KY 44221, US;
Bright, Mark A., Sewickley, PA 15143, US;
Vild, Chris T., Cleveland Heights OH 44118, US;
Henderson, Richard S., Solon OH 44139, US
Vertreter Meissner, Bolte & Partner GbR, 81679 München
DE-Aktenzeichen 69934529
Vertragsstaaten BE, DE, ES, FR, GB, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 09.11.1999
EP-Aktenzeichen 050008093
EP-Offenlegungsdatum 13.04.2005
EP date of grant 20.12.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.10.2007
IPC-Hauptklasse F04D 7/06(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse F04B 15/04(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   F04B 53/22(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   C22B 21/06(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   C22B 9/05(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf die Konstruktion einer Stütze für eine Metallschmelzepumpe gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Eine solche Stütze ist z. B. aus US-A-5 558 505 bekannt.

Bei der Verarbeitung von Metallschmelzen ist es oft notwendig, eine Metallschmelze von einem Ort zum anderen zu pumpen. Wenn das Entfernen von Metall aus einem Behälter erwünscht ist, wird eine so genannte Förderpumpe verwendet. Wenn ein Umwälzen einer Metallschmelze in einem Behälter erwünscht ist, wird eine so genannte Umwälzpumpe verwendet. Wenn ein Reinigen einer Metallschmelze, die in einem Behälter angeordnet ist, gewünscht ist, wird eine so genannte Begasungspumpe verwendet. Bei jeder dieser Pumpen wird ein drehbares Pumpenrad typischerweise in einer Pumpenkammer in dem im Behälter enthaltenen Metallbad untergetaucht. Außerdem ist der Motor an einem Überbau über dem Bad durch Stützen, die mit der Basis verbunden sind, aufgehängt. Eine Drehung des Pumpenrads in der Pumpenkammer zwingt die Metallschmelze wie gewünscht in eine durch die Pumpenkammerkonstruktion erlaubte Richtung.

Mechanische Pumpen zum Bewegen einer Metallschmelze in einem Bad weisen historisch gesehen wegen der zerstörenden Wirkungen der Metallbadumgebung auf das zur Konstruktion der Pumpe verwendete Material eine relativ kurze Lebensdauer auf. Außerdem haben die meisten Materialien, die für einen Dauerbetrieb in einem Metallbad einsetzbar sind, eine relativ geringe Festigkeit, die zu einem mechanischen Versagen führen kann. Um für eine annehmbare Zeitdauer in der harten Metallbadumgebung zu funktionieren, stützt sich die Industrie in diesem Zusammenhang typisch auf Graphit, ein Material mit einer ausreichenden Festigkeit, Wärmebeständigkeit und chemischen Beständigkeit.

Während Graphit momentan das am häufigsten verwendete Material ist, bereitet es den Pumpenherstellern bestimmte Schwierigkeiten. Insbesondere benötigen mechanische Pumpen normalerweise ein Pumpengehäuse aus Graphit, das in der Metallschmelze untergetaucht wird. Allerdings hat das Gehäuse in dem Metallbad ein wenig Auftrieb, weil der Graphit eine geringere Dichte als das Metall besitzt.

Um ein Aufsteigen des Pumpengehäuses in dem Metall zu verhindern und um eine unerwünschte seitliche Bewegung der Basis zu verhindern, sind eine Reihe vertikaler Schenkel zwischen dem Pumpengehäuse und einer darüber liegenden Struktur, die so wirkt, dass sie gleichzeitig den Antriebsmotor hält und die Basis fixiert, positioniert. Um außerdem als das Zwischenelement in den oben genannten Funktionen zu dienen, müssen die Schenkel oder die Stützen, wie sie auch bezeichnet werden, stark genug sein, um die Zugbeanspruchung auszuhalten, die während des Einbringens und Entnehmens der Pumpe in das bzw. aus dem Metallbad erzeugt wird.

Ähnlich ist die Welle, die das Pumpenrad und den Motor verbindet, aus Graphit konstruiert. Diese Wellenkomponente erfährt oft eine deutliche Beanspruchung, wenn verstopfendes Material in dem Metallbad auftritt und gelegentlich an dem Gehäuse festsitzt. Da Graphit keine hohe Festigkeit besitzt, wie gewünscht wird, ist eine Verstärkung der Schenkel- und Wellenkomponenten der Pumpe nützlich.

Außerdem kann es schwierig sein, mit Graphit zu arbeiten, weil unterschiedliches Material unterschiedliche Wärmausdehnungsraten und/oder eine unterschiedliche Kornorientierung besitzen kann. Dies kann zu einer Stütze und einer Basis mit divergierenden und nicht übereinstimmenden Wärmeausdehnungsraten in der Metallbadumgebung führen. Dieses Problem wird durch die Tatsache verstärkt, dass die Pumpenkonstruktion in der Vergangenheit ein Einkleben der Graphitstütze in ein Loch in der Graphitbasis erforderte. Diese Konstruktion sieht keine Toleranz zwischen den Komponenten vor, um eine divergierende Wärmeausdehnung auszugleichen. Leiter kann dies zum Reißen der Basis oder der Stütze führen. Folglich ist es wünschenswert, eine Metallschmelzepumpe zu haben, bei der das Zusammenfügen einer Stütze und einer Basis in der Weise erreicht wird, dass divergierende Wärmeausdehnungstendenzen ausgeglichen werden.

Ein Beispiel einer Untertauchvorrichtung ist in dem US-Patent 4.598.899 beschrieben, die hier durch Literaturhinweis eingefügt ist. In dem US-Patent 4.898.367 ist eine beispielhafte Entgasungsvorrichtung beschrieben, die hier durch Literaturhinweis eingefügt ist. Bei beiden Vorrichtungen wird eine vertikal ausgerichtete Welle mit einem an einem Ende in dem Metallbad angeordneten Pumpenrad/Rotor verwendet. In dieser Vorrichtung, in der die Komponenten normalerweise aus Graphit konstruiert sind und Nutzen aus einer Erhöhung der Festigkeit ziehen würden, treten ähnliche Probleme auf.

Zusammenfassung der Erfindung

Folglich ist die Schaffung einer neuen und verbesserten Stütze für eine Metallschmelzepumpe ein Hauptvorteil dieser Erfindung.

Weitere Vorteile dieser Erfindung werden zum Teil in der folgenden Beschreibung dargestellt, wobei sie teilweise aus der Beschreibung offensichtlich werden oder durch ein Umsetzen der Erfindung in die Praxis gelernt werden können. Die Vorteile dieser Erfindung können durch die in den beigefügten Ansprüchen dargelegten Mittel und Kombinationen verwirklicht und erreicht werden.

Eine Metallschmelzepumpe umfasst ein Pumpenelement (wie etwa ein Pumpenrad oder ein Rotor), das wenigstens teilweise in einem Gehäuse eingeschlossen ist. Eine Leistungsvorrichtung sitzt auf einen Träger über dem Gehäuse und Pumpenelement. Eine Welle verbindet die Leistungsvorrichtung und das Pumpenelement, um dessen Drehung zu erzielen. Gemäß dieser Erfindung hängen wenigstens eine und vorzugsweise zwei bis vier Stützen das Gehäuse an dem Träger auf. Die Stützen sind gemäß den Merkmalen von Anspruch 1 konstruiert.

Weitere Merkmale sind durch die abhängigen Ansprüche definiert.

Das äußere Element umfasst vorzugsweise Graphit, ein Feuerfestmaterial oder ein Keramikmaterial, wobei das Gehäuse Graphit umfasst. Die Stange umfasst vorzugsweise eine wärmebeständige Legierung.

In einer besonders bevorzugten Form der Erfindung umfasst das äußere Element mehrere im Allgemeinen zylindrisch geformte Einheiten, die entlang seiner Längsachse ausgerichtet sind. Die Stange läuft eine zentrale Bohrung jeder Einheit hinunter, so dass eine gestapelte Anordnung geschaffen wird. Die unterste Einheit weist vorzugsweise einen Umfangsvorsprung auf, der so geformt ist, dass er mit einer in der Oberseite des Gehäuses gebildeten Aussparungen zusammenpasst, um eine fluiddichte Abdichtung zu erzeugen.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Die beigefügte Zeichnung, die in die Patentschrift eingefügt ist und einen Teil der der Patentschrift bildet, veranschaulicht eine Ausführungsform in der Erfindung, wobei sie zusammen mit der Beschreibung dazu dient, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern.

In der Zeichnung ist:

1 ein Aufriss teilweise im Querschnitt einer Metallschmelzepumpe, die nicht Teil dieser vorliegenden Erfindung ist;

2 ein Seitenriss ebenso teilweise im Querschnitt von 1;

3 ein Aufriss teilweise im Querschnitt der Stange von 1;

4 ein Aufriss im Querschnitt der erfindungsgemäßen Hülse von 1;

5 ein Aufriss im Querschnitt einer alternativen Ausführungsform einer Stütze;

6, 7 und 8 jeweils ein Aufriss im Querschnitt einer alternativen Sitzanordnung für eine Stütze und eine Basis;

9 ein Aufriss im Querschnitt einer Konstruktion einer segmentierten Stütze;

10 ein Aufriss im Querschnitt einer alternativen Konstruktion einer segmentierten Hülse;

11 ein Explosionsseitenriss im Querschnitt einer alternativen Stütze/Basis-Verbindungsanordnung; und

12 eine Explosionsdarstellung eines Abschnitts A von 11, die die fluiddichte Verbindungsstelle zeigt.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Nun wird ausführlich Bezug auf die vorliegende bevorzugte Ausführungsform der Erfindung genommen, von der ein Beispiel in der beigefügten Zeichnung veranschaulicht ist. Während die Erfindung in Zusammenhang mit einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben wird, ist die Erfindung selbstverständlich nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Es werden im Gegenteil alle Alternativen, Abwandlungen und Entsprechungen abgedeckt, wie sie in dem Umfang der Erfindung, der durch die beigefügten Ansprüche definiert wird, enthalten sein können.

Nunmehr in den 1 und 2 ist eine Förderpumpe 1 für eine Metallschmelze bereitgestellt. Die Metallschmelzepumpe umfasst eine Basisbaueinheit 3, die eine Pumpenkammer 5 mit einem darin angeordneten Pumpenrad 7 aufweist. Lagerringe 9 stellen Passflächen zwischen dem Pumpenrad 7 und der Basisbaueinheit 3 bereit. Eine Drehung des Pumpenrads 7 zwingt die Metallschmelze 11 durch einen Auslass 13 und ein Steigrohr 15 nach oben, um sie an einen anderen Ort zu transportieren.

Die Drehung des Pumpenrads 7 wird erreicht, wenn ein Motor 17 die Welle 19 über eine dazwischen vorgesehene Drehwellenkopplung 21 dreht. Der Motor ist über der Basisbaueinheit 3 auf einer Plattformbaueinheit 22 angeordnet, die eine Isolationsschicht 23, einen Motorbefestigungsträger 25 und eine Motorbefestigungsplatte 26 aufweist.

Zwei Stützbaueinheiten 27, die eine Stange 29 umfassen, die aus einem wärmebeständigen Legierungsmaterial konstruiert ist und in einer feuerfesten Hülse 31 angeordnet ist, hängen die Basisbaueinheit 3 unter der Plattform 22 auf. Die Stange ist vorzugsweise aus einer Legierung konstruiert wie etwa MSA 2000 oder MSA 20001, die von Metaullics Systems Co., L. P., 31935 Aurora Road, Solon, Ohio, 44139, verfügbar sind. Die feuerfeste Hülse weist außerdem eine Keramikabschirmung 33 für einen zusätzlichen Schutz gegen Oxidation auf. Das untere Ende der Stange 19 weist eine Abdeckung 35 auf. Die Abdeckung 35 ist in einem Hohlraum 37 in der Basisbaueinheit 3 angeordnet. Ein Graphit- oder feuerfester Pfropfen 39 ist in den untersten Abschnitt des Hohlraums geklebt, um den Bereich von der Metallschmelze abzudichten. Das obere Ende der Stange 29 erstreckt sich durch die Isolationsschicht 23 und ist mit einer Mutter 41 an der Motorbefestigungsplatte 26 befestigt. Eine Tellerfeder 43 oder eine andere Druckfeder ist zwischen der Motorbefestigungsplattform 25 und der Isolationsschicht 23 anordnet. Vorzugsweise wird eine Isolierunterlegscheibe (nicht gezeigt) zwischen der Motorbefestigungsplatte 26 und der Feder 43 positioniert. Das Festziehen der Mutter 41 führt zu einem Zusammendrücken der Feder 43 und einer Vorspannung auf der Stange 29 und der Hülse 31.

Diese Baueinheit schafft zwischen der Basis und der Motorbefestigung vorteilhaft eine Verbindung mit einer Stange aus einer hochfesten Legierung. Natürlich schützt sie außerdem die sonst von der Metallbadumgebung zersetzbare Stange. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Wärmeausdehnungsunterschiede, die aus divergierenden Kornorientierungen in einer Graphitstütze und einer Graphitbasis resultieren, beseitigt werden, da eine Graphitstütze nicht starr in ein Loch in der Basis geklebt ist. Ferner wird die Festigkeit der Graphithülse erhöht, da sie im Ergebnis ihrer Klemmung zwischen einem Sockel 45 und einer Oberseite der Basisbaueinheit 3 druckbelastet bleibt.

Nunmehr zu 3 übergehend wird eine ausführliche Darstellung einer Stange 29 bereitgestellt. In dieser Ausführungsform ist ein Abdeckelement 35 an Schweißnähten 47 an das unterste Ende der Stange geschweißt. Natürlich sind andere Anbringungsmechanismen, die eine Gewinde- oder eine Pressbefestigung einschließen, aber nicht darauf beschränkt sind, geeignete Verbindungstechniken. 4 stellt eine ausführliche Querschnittsansicht der Graphithülse 31 bereit.

Nunmehr in 5 ist eine alternative Ausführungsform einer Stütze dargestellt. In dieser Ausführungsform umfasst die Stütze 101 wiederum eine Stange 103, die durch eine Hülse 105 vor der Metallbadumgebung geschützt wird. Die Stange 103 verläuft durch eine Bohrung/einen Hohlraum 106 in einem Basiselement 107 und wird durch die Abdeckung 109 gehalten, die einen Sprengring 111 mit entsprechenden Haltenuten 113 und 115 in der Abdeckung 109 bzw. der Stange 103 enthält. Wiederum sind eine Tellerfeder 117 und eine Mutter 118 vorgesehen, die zusammen mit der Plattform 119 eine Vorspannung auf der Stange 103 und eine Druckkraft auf der Hülse 105 erzeugen.

Nunmehr zu den 6, 7 und 8 übergehend sind alternative Verbindungstechniken für eine Stütze und eine Basis dargestellt. Zum Beispiel erstreckt sich in 6 die Stange 201 durch eine Basis 205, wobei sie ein mit einem Gewinde versehenes Ende 202 aufweist, an dem die Graphitabdeckung 203 befestigt ist. In 7 ist die Ausführungsform von 6 so abgeändert, dass sie aus Bornitrid, Siliciumkarbid oder einem anderen geeigneten Material konstruierte Dichtungselemente 207 und 209 aufweist. In 8 ist eine alternative Ausführungsform dargestellt, bei der eine Gewindebohrung 301 in dem Ende der Graphitstütze 303 vorgesehen ist, wobei sich eine mit einem Gewinde versehene Graphitstütze 305 aufwärts durch das Basiselement 307 erstreckt und mit dem Ende der Stütze 303 zusammengefügt ist. Ein Vorteil jeder Konstruktion ist die Fähigkeit, Zug in Bezug auf die Stütze zu erzeugen, so dass ein Selbstausrichtungsmechanismus ohne die Notwendigkeit zur strukturellen Verwendung eines Klebstoffs geschaffen wird. In diesem Zusammenhang kann dort, wo in der Vergangenheit ein Klebstoff erforderlich gewesen ist, ein Wärmeausdehnungsspalt vorgesehen werden (siehe 11).

Abgesehen davon erzeugt die Verwendung eines Vorsprungs 211 an der Endabdeckung der Stütze/des Bolzens 203/205 in Verbindung mit einer Aussparung 213 auf der Oberseite und der Unterseite der Basis 205/307 eine fluiddichte Verbindungsstelle. Folglich dringt keine Metallschmelze in diese Verbindungsstelle ein, so dass die Stütze aus der Basis entfernt werden kann, falls ein Neuaufbau der Pumpe erforderlich wird.

Es wird angemerkt, dass, während die vorliegenden Verbindungsmechanismen in den 6 bis 8 im Allgemeinen als mit der Verwendung einer Stange aus einer Stahllegierung zusammenfallend dargestellt sind, diese Mechanismen zum Verbinden einer Stütze mit einer Basis in gleicher Weise auf eine Anordnung einer Graphitstütze anwendbar sind. Überdies können die in den 6 bis 8 dargestellten Anordnungen in gleicher Weise als aus Elementen konstruiert betrachtet werden, die alle eine Kombination aus Stahl und Graphit/Keramik oder Graphit/Keramik allein umfassen. Der durch diese Baueinheiten erzielte Vorteil besteht darin, dass keine Notwendigkeit für eine Klebstoffverbindung zwischen der Stütze und der Basis besteht, was Wärmeausdehnungsunterschiede besser ausgleicht.

Nunmehr zu 9 übergehend wird eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bereitgestellt, bei der die Stütze 401 eine Stange 403 und eine Hülse 405 aufweist. Allerdings umfasst die Hülse 405 in dieser Ausführungsform mehrere segmentierte Einheiten. Diese Konstruktion ist insbesondere wegen der relativ leichten Bildung einzelner segmentierter Einheiten (A–E) im Gegensatz zu einem lang gestreckten Rohr wünschenswert. Die Stütze 401 ist wiederum mit einer Feder 407 und einer metallischen Kopplungseinheit 409 versehen, die in Verbindung mit der Motorbefestigung (nicht gezeigt) eine Druckkraft auf die Hülsensegmente (A–E) erzeugen. Im Ergebnis der Druckkraft wird eine fluiddichte Abdichtung zwischen allen einzelnen Einheiten erzeugt, wobei sie durch die Aufnahme eines Dichtungsmaterials (nicht gezeigt) zwischen ihnen verbessert werden kann. Die unterste Einheit E weist einen Umfangsvorsprung 411 auf, der in eine Aufnahme 413 in der Oberseite der Basis 415 eingesetzt ist. Folglich wird eine fluiddichte Abdichtung erreicht. Wie bei jeder der anderen Konstruktionen hier kann für einen weiteren Schutz gegen ein unerwünschtes Durchsickern von Metall eine Wulst aus Klebstoff oder Dichtungsmasse um den eingesetzten Vorsprung 411 platziert werden.

Nunmehr in 10 ist eine alternative Ausführungsform einer segmentierter Hülse 501 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform sind die Stirnseiten der einzelnen Einheiten A–E gemeinsam profiliert, um ein Erreichen einer geeigneten Passanordnung zu erleichtern. Diesbezüglich ist eine nachprüfbare Sitzanordnung vorgesehen, um sicherzustellen, dass zwischen jedem einzelnen Segment eine metalldichte Abdichtung gebildet wird.

Nunmehr zu 11 übergehend wird eine ausführliche Ansicht einer eine Graphitstütze mit einer Graphitbasis zusammenfügten Anordnung bereitgestellt, um sowohl die gewünschte Toleranz hinsichtlich der Wärmeausdehnung als auch eine wünschenswerte Konfiguration zum Erreichen einer fluiddichten Abdichtung zu veranschaulichen. Insbesondere verläuft eine Graphitstütze 601 durch ein Loch 603 in einer Basisbaueinheit 605. Ein mit einem Gewinde versehenes Abdeckelement 607 aus Graphit ist am untersten Abschnitt der Stütze 601 angebracht. An der oberen und auch an der unteren Schnittstelle der Stütze 601 und/oder dem Abdeckelement 607 zu der Basisbaueinheit 605 sind ein Vorsprung 609 und eine Aussparung 611 zusammenwirkend vorgesehen, um eine fluiddichte Abdichtung zu erzeugen. Nunmehr in 12 sind die winkligen Oberflächen des Vorsprungs und der Aussparung dargestellt. Auf diese Weise wird eine fluiddichte Passfläche erreicht. Die Passflächen können mit einer Dichtungsmasse (nicht gezeigt) gefüllt werden. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Toleranz hinsichtlich der Wärmeausdehnung, die durch den Spalt 613 erzielt wird.


Anspruch[de]
Stütze für Metallschmelzepumpe, die umfasst:

eine lang gestreckte Stange (29);

eine Hülse (31), die die lang gestreckte Stange in der Weise aufnimmt, dass sich ein erstes Ende und ein zweites Ende der Stange von der Hülse erstrecken;

eine Kopplungseinheit (41), die einen ersten Abschnitt des Hülsenelements in der Nähe des ersten Endes der Stange wenigstens teilweise umgibt; dadurch gekennzeichnet, dass

ein Vorbelastungselement (43) einen Abschnitt der Stange in der Nähe des ersten Endes der Stange wenigstens teilweise umgibt.
Stütze nach Anspruch 1, bei der die Kopplungseinheit (41) eine Mutter umfasst. Stütze nach Anspruch 1, bei der die Hülse (31) ein Feuerfestmaterial umfasst. Stütze nach Anspruch 1, bei der die Hülse (31) ferner eine Keramikabschirmung (33) umfasst. Stütze nach Anspruch 1, bei der die Stange (29) eine wärmebeständige Legierung umfasst. Stütze nach Anspruch 1, bei der das Vorbelastungselement (43) eine Tellerfeder umfasst. Stütze nach Anspruch 1, bei der die Hülse (41) einen an einem Ende angeordneten Umfangsvorsprung aufweist. Stütze nach Anspruch 1, bei der die Hülse mehrere segmentierte Einheiten (405) umfasst. Stütze nach Anspruch 8, bei der die Stirnflächen benachbarter segmentierter Einheiten profiliert sind.






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