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Verfahren und Einrichtung zum Schmelzen und Entgasen von in zerteilter Form angelieferten Materialien
Die Erfindung betrifft Verfahren und Einrichtungen zum Schmelzen und Entgasen von Materialien im Vakuum, insbesondere zur Überführung von feuerfesten, chemisch sehr reaktionsfähigen Metallen wie Ti-
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wonnen werden, in eine verdichtete, im wesentlichen gasfreie Form. Die erfindungsgemässe Vorrichtung bzw. das erfindungsgemässe Verfahren kann aber auch zur Verarbeitung der gebräuchlichen Metalle, einschliesslich Eisen und Stahl und sogar zum Schmelzen von nicht metallischen Materialien wie Quarz verwendet werden. Je nach dem zum Raffinieren verwendeten Verfahren kann-das Ausgangsmaterial in Form eines Pulvers, Granulats oder Metallschwammes vorliegen.
Selbst wenn letzterer zunächst aus ziemlich grossen Stücken besteht, die an das Unternehmen, das die Verarbeitung der Gussblöcke besorgt, geliefert werden, wird er in so kleine Teile geteilt, dass das Material mit Schnecken-oder Rüttelförderern od. dgl. gefördert werden kann. Für aie vorliegenden Zwecke ist es weniger wichtig, in welcher der genannten Formen das Material vorliegt, sofern es nur in so kleine Teile geteilt ist, dass es durch einen Kanal hindurchgedrückt und an dessen Ende als eine den Kanalquerschnitt im wesentlichen ausfüllende Masse austreten kann. Als Fördereinrichtung kann eine Förderschnecke, eine Fördereinrichtung, in der das Material durch Schwerkraftwirkung bewegt wird, oder ein Rüttelförderer verwendet werden, sofern nur der Querschnitt des Kanals am Austrittsende ausgetüllt ist.
In welcher Form die genannten Metalle am Ende des ersten Produktionsschrittes auch vorliegen mögen, sie werden immer ein beträchtliches Volumen von gelöstem, adsorbiertem, gebundenem oder auf andere Weise eingeschlossene n Gas enthalten, von dem sie befreit werden müssen, bevor oder während sie in massive Formstücke, welche so vorteilhaft hergestellt werden können überführt werden. Dies kann auch für die gebräuchlicheren, weniger feuerfesten Metalle zutreffen ; beispielsweise gibt es ein weites Anwendungsgebiet für sauerstofffreies Kupfer.
Die Erfindung kann zur Behandlung eines derartigen Materials, aber auch von andern leitfähigen metallischen oder metallähnlichen Substanzen verwendet werden, von denen angenommen wird, dass sie Gase enthalten, die bei der endgültigen Verwendung stören würden, wenn sie nicht entfernt werden.
Die Erfindung bezweckt u. a., zum Schmelzen und Entgasen von Metallen u. dgl., die ursprünglich in zerteilter Form angeliefert werden, eine Einrichtung zu schaffen, die im Rahmen eines kontinuierlichen Verfahrens, zum Unterschied vom stossweisen Betrieb verwendet werden kann ; ferner die Schaffung eines Verfahrens und einer Einrichtung der beschriebenen Art unter Verwendung von ungewöhnlich einfachen technischen Mitteln die Schaffung einer Einrichtung zum Schmelzen und Entgasen von in zerteilter Form vorliegenden leitenden Materialien durch gesteuerten elektrischen Beschuss im Vakuum, wobei die Entladung vollkommen stabil ist und nicht durch von einer beschossenen Fläche abgegebenes ionisiertes Gas beeinträchtigt wird ;
die Schaffung von Mitteln zur Einführung des zu behandelnden Materials in dieser rohen Form in die Einrichtung, aus der es in Form eines ununterbrochenen Stranges aus im wesentlichen gasfreier, für die Weiterverarbeitung geeignetem Material austritt ; sowie die Schaffung einer Einrichtung, die für die Bearbeitung von Materialien in fast jedem Grade der Zerteilung von relativ grossen Klumpen bis zu staubfeinen Pulvern eingestellt werden kann. Weitere Gegenstände und Vorteile der Erfindung sind für den Fachmann aus der Beschreibung ersichtlich.
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Kanal vorgesehen, der eiae genügend grossetrittsende durch den Kanal gefördert werden kann.
Beide Enden münden in fi, Vakuumsystem, das an eine Pumpe angeschlossen ist, deren Saugleistung ausreicht, um das gewünschte Vakuum unbeschadet des aus dem behandelten Material austretenden Gases aufrechtzuerhalten. In einer bevorzugten Ausführungs- form der Einrichtung wird ein Vakuum von etwa 0, 11 Hg aufrechterhalten, da ein Dmck in diesem allgemeinen Bereich die günstigste Erhitzung ermöglicht und da ausserdem die vom Metall zurückgehaltene Gasmenge eine Funktion des über ihm in der Schmelze herrschenden Dampfdruckes ist. Die Anordnung des Kanals ist in gewissem Masse vom Zerteilungsgrad des zu behandelnden Materials und der Art seiner Förderung abhängig.
Bei fein zerteilten Pulvern, die mit kleinep Zwischenrumen dicht gepackt sind, kann der Kanal vertikal angeordnet sein und das Material aufwärts gefördert werden. Bei grösseren oder unregelmässigen Klumpen oder bei schwammartigem Material wird der Kanal vorzugsweise im allgemei- nen transversal und cher horizontal angeordnet, obwohl er auch etwas auf- oder abwärts geneigt sein kann.
Bei frei fliessenden Pulvern kann der Kanal sogar gekrümmt und von seinem Eintrittsende stark abwärts geneigt sein, so dass die Schwerkraft zum Füllen des Kanals und zum Vorschub des Materials zu seinem Austrittsende ausgenutzt werden kann. Allgemein wird der Kanal jedoch vorzugsweise mit einer geringen Neigung angeordnet. Auf jeden Fall ist die Öffnung am Austrittsende des Kanals nach oben gerichtet, aber abwärts geneigt, so dass der untere Rand der Öffnung eine Lippe bildet, von der das Material herabfällt. Es sind Mittel zum kontinuierlichen Vorschub des Materials vom Eintnu.-zum Austrittsende des
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geeignet, deren Ende in das Eintrittsende des Kanals hineinreicht, aber nicht bis zum Austrittsende, an dem das Material durch den ständigen Schub des dahinter befindlichen Materials vorgeschoben wird.
Eine derartige Förderschnecke kann mit einem Trichter gespeist werden, der seinerseits @@ im wesentlichen üblicher Weise über eine Vakuumschleuse beliefert wird.
Am Austrittsende des Kanals sind Mittel zum Schmelzen des zu behandelnder Materials an dieser Stelle, u. zw. nur an dieser Stelle und mit der Geschwindigkeit, mit der es gefördert wird, vorgesehen.
Die Erhitzung und die Fördermenge sind so aufeinander abgestimmt, dass das offene Ende aes Kanals voll- kommen von einer Zone geschmolzenen Materials ausgefüllt ist ; dieses Material wird ständig vorgescho- ben und fällt über die Lippe am Austrittsende in ein darunter angeordnetes geeignetes Gefäss. Dieses Ge-
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Zone an seiner eigenen Oberfläche und zum stetigen Abzug eines Stranges vos unterteil der Gussform auf. Bei richtig eingestellter Fördermenge und Schmelzleistung bildet das schmelzflüssige Material am Austrittsende des Kanals eine gasdichte Sperre.
Von dieser schmelzflüssigen Zone erstreckt sich eine Zone nach rückwärts, in der das Material durch Wirmeleitung von dem weiter vorne befindlichen schmelzflüssigen Material erhitzt wird. Bei seiner Erwärmung gibt das Metall auch vor Erreichen des Schmelzpunktes rasch Gas ab, das von der am Austrittsende befindlichen Sperrschmelze Am Austreten gehindert wird, durch die Zwischenräume des zerteilten Materials nach rückwärts sickert und schliesslich am Eintrittsende des Kanals in das Vakuumsystem eintritt. Die stärkste Ga entwicklung erfolgt in der Schmelz-
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dassstatische Druck von ungefähr 1 mm Flüssigkeit bereits das Entweichen des g & bildeten Gases durch die Sperrschmelze verhindern kann.
Ausserdem haben die schmelzflüssigen Materialien eine hohe Oberflä-
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trägt dazu bei, dass die Schicht geschlossen bleibt.
Allgemein ist es für die Erfindung un@ ssentlich, welches Verfahren zur Erhitzung der Sperrschmelze am Ende des Kanals verwendet wird. Zu diesem Zweck kann man eine Bogenentladung oder einen reinen
Elektronenbeschuss vorsehen oder der Kanal kann auch von einem Induktor umgeben sein (vorausgesetzt dass der Kanal aus elektrisch nicht leitendem Material besteht) und das Material durch darin induzierte
Wirbelströme erhitzt werden. Zur besten Ausnutzung der erfindungsgemässen V OJ 1 eile wird jedoch nach einem weiteren Erfindungsmerkmal die Oberfläche des in dem Kanal befindlichen Materials durch eine gesteuerte Glimmentladung beschossen, die von einer Glühkathode ausgeht, die in einer allgemein par- allel zu der Öffnung des Kanals liegenden Ebene angeordnet ist.
Bei dieser Entladung bestehen die Strom- träger zumeist aus Elektronen und werden relativ hohe Spannungen in einer Grössenanordnung von Tausen- den von Volt an die Entladungsstrecke angelegt, während bei einem wirklicher. Lichtbogen die Spannung nur Hunderte von Volt betragen würde. Wenn der Gasdruck im Entladungsbereich höchstens wenige ji be- trägt und im wesentlichen konstant gehalten wird, werden alle Gasmoleküle iuncriMlb der Entladung- strecke ionisiert.
Die sich relativ langsam bewegenden positiven Ionen blei@@n refativ lange im Zwi-
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schemaum und tragen nur einen sehr kleinen Teil des Stroms ; ihre Wirkung besteht vor allem darin, dass sie die von den stromtiagenden Elektronen erzeugte Raumladung neutralisieren, die sonst den Elektronenstrom begrenzen würde. De Raumladung wird jedoch nur teilweise neutralisiert, so dass kein Bogen mit negativem Widerstand gebildet wird.
Infolge der Neutralisierung der Raumladung kann die Kathode von der die Anode bildenden Oberfläche der Schmelze bei einer gegebenen Potentialdifferenz zwischen den Elektroden in einem viel grösseren Abstand angeordnet sein, als es sonst der Fall sein würde. Infolge des grösseren Elektrodenahstandes ist das Feld zwischen den beiden Elektroden und der Beschuss und damit auch die Erhitzung der Oberfläche ebenfalls gleichmässiger. Ausserdem kann die Kathode innerhalb von einer oder mehreren Bündelungs- elektroden angeordnet werden, die dazu dienen, die Elektronenentladung auf die geschmolzene Oberfläche selbst zu konzentrieren, u. zw. im wesentlichen unter Ausschluss der Ränder des Kanals.
Es ist verständlich, dass bei Erhitzung durch Beschuss mindestens das Austrittsende des Kanals leitend ausgestaltet werden muss, damit eine leitende Verbindung mit dem zu behandelnden Material hergestellt werden kann.
Eine derartige elektrisch leitende Ausführung des Kanals bzw. seines Austrittsendes kann aus Graphit bestehen, besteht jedoch vorzugsweise aus Metall, gewöhnlich Kupfer, und ist wassergekühlt. Auf diese Weise wird eine Schutzschicht aus verfestigtem Material gebildet, an der das schmelzflüssige Material zuerst mit der gekühlten Fläche in Berührung kommt, die somit nicht angegriffen wird, wie es z. B. bei der Berührung mit schmelzflüssigem Titan oder Zirkon der Fall sein würde.
Eine gesteuerte Elektronen-und Ionenenlladung der beschriebenen Art ist natürlich nur möglich, wenn das beschossene Material im wesentlichen gasfrei ist, weil die Steuerung davon abhängig ist, dass in dem Entladungsbereich nur eine begrenzte Anzahl von Ionen vorhanden ist. Beim Schmelzen von gashältigen Pulvern oder Schwämmen wird Gas in Form von örtlich begrenzten Blasen oder Ausbrüchen freigesetzt. Würde das Gas aus der beschossenen Fläche selbst austreten, so würde ein derartig örtlich begrenzter Ausbruch sofort eine grosse Anzahl von ionisierten positiven Iont ; n in den Entladungsbereich abgeben, so dass an der betreffenden Stelle die Raumladung weiter herabgesetzt wird, aber auch eine grosse Anzahl von zusätzlichen Elektronen, welche die Oberfläche an dieser Stelle beschiessen würden.
Ein derartiger plötzlicher, örtlich begrenzter Beschuss genügt häufig zur Erhitzung des Materials in dem betref- fenden Bereich bis zum Verdampfungspunkt, so dass weitere Ionen geliefert werden und ein Lichtbogenkrater und ein Bogen mit"hartem Kern"entsteht. Die Spannung an der Entladungsstrecke fällt ab und die Stromstärke nimmt sehr stark zu, so dass Ausschalter oder andere Sicherungseinrichtungen ansprechen, wenn solche vorsichtshalber vorgesehen wurden. Andernfalls kann der Bogen nicht mehr gesteuert werden, es sei denn, dass der Stromkreis von Hand unterbrochen wird.
Wenn man das Ween der Unstabilität betrachtet, die durch derartige Ausbrüche des freigesetzten Gases verursacht wird, so erkennt man, dass die Ausbrüche nur deshalb wichtig sind, weil sie in der Entladungsstrecke auftreten und eine Bildung eines wirklichen Lichtbogens bewirken können, ehe die Ionen von dieser Stelle weg diffundieren können, ausserdem, weil Entladungen dieser Art an sich unstabil sind und einen Weg niedrigen Widerstandes bilden, der die gesamte an der Stromquelle verfügbare Leistung aufnehmen kann. Wenn die gleiche Gasmenge an einer andern Stelle des Systems freigesetzt wird, so verteilt sie sich im allgemeinen durch Diffusion in dem ganzen Behälter, selbst wenn beide Enden des Kanals im gleichen Behälter angeordnet sind. Das am Eintrittsende des Kanals freiwerdende Gas kann sich nicht in der Entladungsstrecke konzentrieren.
Das Wesen der Einrichtung macht es erforderlich, dass ein ziemlich grosses Volumen unter Vakuum steht. In diesem Fall wird ein plötzlicher Gasausbruch den Druck in dem Be- halter als Ganzes nicht wesentlich beeinflussen. Da ausserdem das in Freiheit gesetzte Gas nur durch die Zwischenräume des in dem Kanal befindlichen Materials zu dem Eintrittsende des Kanals gelangen kann. sik- kert das in Form eines Ausbruches freigewordene Gas langsam durch den Kanal und wird mit einer im wesentlichen konstanten Rate abgegeben, wobei das in dem Kanal befindliche Material als pneumatisches Filter wirkt.
Bei jedem unter dynamischenBedingungen betriebenenVakuumsystem ist der Grad des Vakuums, der in einer an eine Vakuumpumpe angeschlossenen Kammer aufrechterhalten werden kann, von der Menge des in diese Kammer abgegebenen Gases abhängig. In der erfindungsgemässen Einrichtung hängt die in der Zeiteinheit frei werdende Gasmenge von der Zuführungsgeschwindigkeit des zugeführten zu entgasenden Materials ab, sofern dieses ebenso schnell geschmolzen wird, wie es zugeführt wird. Die zur Entladung aufgewendete Leistung muss daher auf die Fördergeschwindigkeit abgestimmt werden. Bei der hier in Frage kommenden Entladung hat die Stromquelle vorzugsweise einen ziemlich niedrigen Innenwiderstand, so dass der Spannungsabfall an der Entladungsstrecke bei Veränderungen des Entladungsstromes nur wenig schwankt.
Unter den bevorzugten Arbeitsbedingungen findet ausserdem eine Begrenzung des Stromes durch
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die Raumladung statt, d. h., dass die Raumladung durch die in der Entladungsstre. : ke vorhandenen positivenionen nur unvollständig neutralisiert wird. Bei steigendem Druck in dem EnfJaJungsbereich. steht eine grössere Anzahl von Teilchen zur Ionisation zur Verfügung, so dass eine grössere Anzahl von Ionen vorhanden ist, eine stärkere Neutralisierung der Raumladung erfolgt und ein stärkerer Strom durch den Entladungsbereich fliesst. Bei einer Stromquelle von geringem Widerstand bewirkt dies nur einen geringen Spannungsabfall. Die bei der Entladung verbrauchte Leistung ist in einer ersten Annäherung eine lineare Funktion der freigesetzten Gasmenge.
In einem ziemlich weiten Arbeitsbereich regelt sich die Einrichtung daher automatisch derart ein, dass die zum Schmelzen des Materials verfügbare Leistung der pro Zeiteinheit zugeführten Menge des Materials proportional ist. Normale Schwankungen dieser Menge bewirken daher keine unstabile oder mangelhafte Funktion. Nachstehend wird eine bevorzugte Ausführung- form der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben.
In dieser zeigt Fig. l schematisch eine erfindungsgemässe Einrichtung zur kontinuierlichen Herstel- lung von homogenen Tjtansträngen aus Titanschwamm und Fig. 2 im Axialschnitt eine Ausführungsform einer im Rahmen der Erfindung verwendbaren thermionischen Kathode.
In dem Schema der Fig. 1 ist eine komplette Anlage da'gestellt, die auch Einrichtungen enthält, welche nicht direkt einen Teil der vorliegenden Erfindung bilden. In diesem Schema sind die verschie- denen Elemente nur in rein schematischer Form dargestellt, ohne dass ihre tatsächliche Ausbildung angegeben ist. Die dargestellten Elemente entsprechen entweder konventionellen Ausfuhrungsformen, so dass ihre Konstruktion bekannt ist oder werden nachstehend ausführlich beschrieben.
Gemäss Fig. 1 weist das Vakuumsystem eine H1uptbehandlungskammer bzw. einen Behälter 1 und eine Vakuumschleuse 3 auf ; beide sind mit Absaugöffnungen versehen, die mit Leitungen 5 bzw. 7 in Verbindung stehen, welche zu Saugpumpen 9 und 11 führen. Der Hauptbehälter l ist nm der Vakuumschleuse 3 über einen breiten Zuführungskanal 13 verbunden, der mit einem Schieber 15 geschlossen und abgedichtet werden kann. Die Vakuumschleusenkammer 3 hat vorzugsweise ein im Vergleich zu dem Hauptbehälter 1 relativ kleines Volumen. Sie ist mit einem Beschickungssehieber 17 veisehen, welcher ebenfalls vorzugsweise aus einem vakuumdichten Schieberventil besteht, durch den das zu behandelnde Material eingeführt werden kann.
Unmittelbar unter dem Schieber 17 ist ein Zuführungsbehälter 19 angeordnet, der einen Rüttelförderer 21 speist. Diese Teile sind so angeordnet, dass der Förderer 21 das zerteilte Material 22 vom Ende des Behälters weg fördert und bei offenem Schieber 15 durch den Kanal 13 wirft. Das durch den Schieber fallende Material gelangt in einen zweiten Behälter 23, der in dem Hauptbehälter angeordnet ist. Dieser speist ebenfalls einen Rüttelförderer 25, welcher der eigentlichen erfindungsgemässen Einrichtung einen Materialfluss in der gewünschten Menge pro Zeiteinheit zuführt.
Wie bereits erwähnt, ist diese Einrichtung üblich ; ihre Wirkungsweise ist ohne weiteres verständlich.
Um eine Charge des Behandlungsmaterials in die Einrichtung einzubringen, wird der Schieber 15 geschlossen, der Schieber 17 geöffnet und der Behälter 19 mit einer Charge des Behandlungsmaterials gefüllt.
Dann wird der Schieber 17 geschlossen und die Schleuse mittels der Pumpe 11 über die Leitung 7 im wesentlichen auf das in dem Hauptbehälter 1 aufrechterhaltene Vakuum evakuiert. Dabei wird der grösste Teil des in den Hohlräumen des Schwammes bzw. in den Zwischenräumen zwischen den Teilchen vorhandenen Gases entfernt. Die Pumpe 11 hat eine solche Leistung, dass sie diese Evakuierung bewirkt, ehe der Behälter 23 mit der vorgeschriebenen Fördermenge pro Zeiteinheit entleert werden kann. Wenn in der Vakuumschleuse 3 das erforderliche Vakuum hergestellt ist, wird der Schieber 15 geöffnet und der Förderer 21 angestellt.
Der Förderer wird so eingestellt, dass er viel rascher arbeitet als der in dem Hauptbehälter angeordnete Förderer 25, so dass der Behälter 23 gefüllt wird, ehe die in dem Behälter 19 befindliche Charge erschöpft ist. Dieser Vorgang wird dann wiederholt, wobei der Förderer 25 kontinuierlich, der Förderer 19 aber intermittierend arbeitet und das in dem Hauptbehälter 1 vorhandene Vakuum während des Betriebes der Einrichtung nicht unterbrochen wird.
Die Pumpe 9 soll eine solche Saugleistung haben, dass sie den Ausgangsdruck in dem Behälter 1 auf einen Bruchteil eines Mikrons herabsetzt und den Betriebsdruck in dem Behälter bei Entwicklung von Gas auf einer Grössenordnung von etwa 2 bis 3 Hg hält. Daraus ergibt sich, dass die Pumpe 11 imstande sein soll, den Druck in der Vakuumschleuse innerhalb der in Anbetracht des Fassungsvermögens des Behälters 23 zur Verfügung stehenden Zeit auf den Betriebsdruck herabzusetzen.
Der kontinuierlich arbeitende Rüttelförderer 25 speist einen kleinen dritten Trichter 27, dessen Unterteil direkt in einen Kanal 29 mündet, der eine Förderschnecke 31 enthält, deren Welle 33 sich aus dem rückwärtigen Ende des Kanals 29 und durch eine vakuumdichte Abdichtung oder Stopfbüchse 35 hindurch erstreckt und mit einem Antriebsmotor 37 verbunden ist. Dieser ist vorzugsweise drehzahlveränder-
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lich, doch ist dies in einer Einrichtung zur Verarbeitung von Material von konstanter Qualität und konstantem durchschnittlichem Gasgehalt nicht notwendig.
Die Förderschnecke 31 drückt das Material zum Vorderende 39 des Kanals. Mindestens an diesem Ende muss der Kanal aus leitfähigem Material bestehen und der restliche Teil des Kanals kann und wird gewöhnlicherweise ebenso aus Metall bestehen. Er muss ausserdem der Temperatur des geschmolzenen Metalles an seiner Mündung oder an dem Ende, an welchem die Entladung stattfindet, standhalten können und ausserdem möglichen chemischen Angriffen oder Auflösung im geschmolzenen Metall widerstehen. In manchen Fällen werden diese Forderungen durch Graphit erfüllt. Vorzugsweise besteht aber das Ende des Kanals, welches sich an der Entladungsseite befindet, aus Metall hoher Wärmeleitfähigkeit, gewöhnlich Kupfer, und wird durch Flüssigkeit gekühlt, wie z. B. durch einen Wassermantel 41, der über Leitungen 43 mit einem Wasserumlaufsystem in Verbindung steht.
Das Kühlsystem muss flüssigkeitsdicht sein. In einer Ausführungsform bestehen der Mantel und die Leitungen aus Kupfer, das zur Gewährleistung der gleichmässigen Beschaffenheit nach dem Heliarc-Verfahren geschweisst wurde.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kanal horizontal angeordnet. Gewöhnlich und vorzugsweise erstreckt er sich quer durch den Behälter 1, aber er kann auch auf-oder abwärts geneigt sein.
Die Öffnung am Austrittsende des Kanals ist vorzugsweise allgemein nach oben gerichtet und soll in fast allen Fällen gegen die Horizontale geneigt sein.
In den meisten Fällen ist die Öffnung vorzugsweise unter einem Winkel von 30 bis 450 zur Horizontalen angeordnet. Bei einem rohrförmigen Kanal bildet die abgeschrägte Austrittsöffnung eine Giesslippe, die das schmelzflüssige Metall aus der Schmelzzone herausführt, so dass es in einer bestimmten Bahn herunterfällt und nicht mehr oder weniger zufällig von einem beliebigen Punkt der geschmolzenen Oberfläche herabläuft.
Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass es sich infolge der hohen Oberflächenspannung des schmelzflüssigen Materials als möglich erwiesen hat, eine vollständige Sperrschmelze aufrechtzuerhalten, die eine überhängende Fläche bedeckt und dass es sich ferner als möglich erwiesen hat, bei Verwendung eines von unten gespeisten vertikalen Kanals, in dem ein horizontaler Schmelzspiegel ausgebildet wird, einen dichten Abschluss herzustellen, so dass die Erfindung auch mit einer solchen Anordnung durchgeführt werden kann. Die Verwendung eines quer angeordneten Kanals mit einer aufwärtsgerichteten Austrittsöffnung ist daher kein wesentliches Merkmal der Erfindung, sondern nur eine Massnahme, die eine einfachere mechanische Ausbildung ermöglicht.
Die Emissionsfläche einer in Fig. 1 allgemein mit 44 bezeichneten Glühkathode ist parallel zur Austrittsöffnung des Kanals und im Abstand von ihr angeordnet. Es haben sich mehrere Ausbildungen von Kathoden als brauchbar erwiesen. Fig. 2 zeigt jene Ausbildung, die sich bisher am besten bewährt hat. Sie besitzt einen oben offenen rohrförmigen Abschirmmantel 45, der am Boden einen einwärts gerichteten
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flachen, kreisförmigen Schiffchen aus Kohlenstoff oder einer Schale 46 mit ebenem Boden, deren Durchmesser im wesentlichen dem der Mittelöffnung des Flansches 45'entspricht. Das Schiffchen wird von dem Abschirmmantel 45 mit Hilfe von mehreren Wolframstiften 47 getragen, die sich von dem Abschirmmantel radial einwärts in das Kohlenstoffschiffchen erstrecken.
Das Kathodenschiffchen ist von einem oder mehreren Wärmeschutzmänteln umgeben, die vorzugsweise aus poliertem feuerfestem Metall, wie Molybdän, bestehen und ebenfalls von den sie durchsetzenden Stiften 47 festgehalten werden. Die Kathode wird durch Wärmestrahlung von einer Spirale aus Wolframdraht 49 geheizt, die in dem Schiffchen angeordnet ist und über die Zuleitungen 50 gespeist wird, die sich durch das obere Ende des Abschirmmantels und durch in der Wand des Behälters 1 angeordnete Isolatoren hindurch erstrecken. Die ganze Anordnung wird von einem Tragarm 51 getragen, der an dem Abschirmmantel 45 angeschweisst und an einem isolierenden Tragbalken 52 befestigt ist, dessen anderes Ende in geeigneter Weise an der Behälterwand angebracht ist. Der Tragbalken 52 kann aus Steatit oder einem andern keramischen Material bestehen.
Die Oberfläche des Kohlenstoff-Schiffchens ist an sich in erhitztem Zustand zur Emission von Elektronen gut geeignet. Im Betrieb bildet sich auf dieser Oberfläche jedoch ein Überzug des Behandlungsgu- tes, u. zw. wahrscheinlich vorwiegend durch Kathodenzerstäubung infolge der einfallenden Elektronen aber vielleicht teilweise auch durch eine tatsächliche Verdampfung, die zur Bildung eines Bogens zu langsam und diffus ist. Dieser Überzug verbessert die Emissionseigenschaften der Kathodenoberfläche. Es können auch direkt geheizte Kathoden verwendet werden, doch hat es sich gezeigt, dass sie örtliche Ver- änderungen ihres Widerstandes erfahren, wenn sich beschossenes Material auf ihnen ablagert, so dass hei- sse und kalte Stellen entstehen, wobei diese Wirkungen kumulativ sind und die Lebensdauer der Kathode verkürzen.
Anderseits hat es sich gezeigt, dass indirekt erhitzte Kathoden, wie die soeben beschriebene
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eine unbegrenzt lange Lebensdauer haben.
Die Kathode und ihr Abschirmmantel werden mit der gleichen Gleichspannung betrieben, die gegen- über der des Kanals und des darin befindlichen Materials mehrere tausend Volt negativ ist. Der Kanal und das darin befindliche Material sind elektrisch an den Behälter 1 angeschlossen und geerdet. Der Abstand zwischen der Emissionsfläche der Kathode und der Austrittsöffnung des Kanals beträgt das Doppelte oder Vielfache jenes Abstandes, bei dem die erforderliche Stromstärke in Form einer reinen Elektronenentladung fliessen kann, wenn die gleiche Spannung angelegt und die Stromstärke durch Raumladungseffekte begrenzt wird. Die elektrische Energie wird durch eine übliche Stromquelle 53 geliefert. Diese liefert auch einen Wechselstrom niederer Spannung für die Heizspirale 49.
Vorzugsweise wird die höchstmögliche Spannung angewendet, bei dei noch keineunerwünschten Entladungen ausserhalb der beabsichtigten Entladungsstrecke auftreten-derartige unerwünschte Entladungen können durch halte Kathodenemission an Stellen, an denen das Feld konzentriert ist, erfolgen-und kein übermässiger Aufwand für Isolierzwekke erforderlich wird.
In dem Behälter ist unmittelbar unter der am Austrittsende des Kanals 39 gebildeten Lippe eine Gussform 54 angeordnet, die allgemein ebenso wie das Ende 39 des Kanals beispielsweise aus Kupfer bestehen und mit einem Wassermantel umgeben sein kann, der über eine Leitung 54'mir einer Wasserzufuhr verbunden ist. Die Gussform ist an ihrer Unterseite offen. Unmittelbar darunter ist eine Abdichtung 55 vorgesehen, durch die der innerhalb der Gussform gebildete Strang 57 kontinuierlich abgezogen werden kann, ohne dass das Vakuum in dem Behälter 1 gestört wird.
Unmittelbar oberhalb der am oberen Ende der Gussform ausgebildeten Öffnung ist eine Glühkathode 59 angeordnet, die aus einer einzigen Windung aus Woliramdraht oder-band bestehen kann, die im wesentlichen koaxial zur Gussform 54 angeordnet und von einem bündeln wirkenden Abschirmring 61 umgeben ist, durch dessen Öffnung das Material auf den Oberteil des Stranges fallen kann. Die Kathode 59 kann dem Heizfaden der Kathode 44 parallel geschaltet sein.
Im Betrieb wird das zerteilte Material, beispielsweise Titanschwamm, von der Förderschnecke 31 in das Vorderende 39 des Querkanals eingeführt. Die Fördergeschwindigkeit kann, braucht aber nicht so gross zu sein, dass die Schnecke vollkommen gefüllt ist. Die Schnecke endet jedoch in einem gewissen Abstand vor der Austrittsöffnung des Kanals. Am Ende der Schnecke sammelt sich das Material, bis es etwas verdichtet ist und durch das nachfolgende Material vorgeschoben wi : d. Während das Material in dem Kanal vorwärtsbewegt wird, nimmt seine Temperatur infolge der Wärmeleitung von der Entladungszone allmählich zu, mit Ausnahme jener Stellen, an der es infolge der Berührung mit den gekühlten Kanalwandungen gekühlt wird.
Infolge seines schwammigen Charakters ist das Material jedoch kein guter Wärmeleiter und erfährt nur eine sehr allmähliche Erwärmung, bis die Austrittsöffnung fast erreicht wird. Hier wird der Temperaturanstieg sehr steil : In diesem Bereich mit starkem Temperaturanstieg erfolgt auch die stärkste Entwicklung von Gas aus dem Metall. An der eigentlichen Austrittsöffnung ist das Metall vollkommen schmelzflüssig. Ein Teil dieser Schmelze rollt über den Schmelzspiegel und über die Giesslippe in die Gussform.
Ein anderer Teil der Schmelze sinkt oder sickert abwärts in das nachfolgende schwammige Material, wo die Schmelze sich verfestigt und dadurch wird die Temperatur des von ihr berührten Materials erhöht, so dass dieses weiteres Gas abgibt.
Das durch die Masse hindurchsickernde und mit der wassergekühlten Leitungswandung in Berührung kommende Material erstarrt sofort und schrumpft dabei soweit zusammen, dass es sich im Abstand von den Kanalwandungen befindet und in dem Kanal vorgeschoben werden kann, anstatt an den Kanalwänden anzukleben oder anzufrieren. Schmelzflüssiges Material, das zurückgesickert und wiedererstarrt ist, kann bei Erreichen der schmelzflüssigen Zone nochmals zurücksickern und so mehrere Male schmelzen und erstarren, ehe es endgültig in die Gussform 54 fällt.
Infolge seiner schwammigen Beschaffenheit und der Zwischenräume zwischen seinen Teilchen hat das Ausgangsmaterial eine geringe Dichte ; dies gilt auch für das die Förderschnecke verlassende Material.
Wenn das Material aber dann weiter vorgeschoben wird, erfährt es eine ständige Verdichtung, zunächst rein mechanisch und später durch Ausfüllung der Zwischenräume mit geschmolzenem und wiedererstarrtem Material, weiter durch eine halbflüssige oder pastenförmige Masse, aus der im wesentlichen alles Gas entfernt worden ist und schliesslich durch die in der Austrittsöffnung vorhandene Sperrschmelze. Bei der zunehmenden Verdichtung des Materials wird die Diffusion durch dasselbe nach vorne immer schwieriger und wenn es tatsächlich im schmelzflüssigen Zustand vorliegt, kann kein Gas mehr dadurch entweichen.
Der Gasdruck ist so niedrig, dass selbst ein äusserst dünner Flüssigkeitsfilm zum Absperren des Gases genügt, so dass dieses nicht in Blasenform durch den Film hindurchtreten kann. Anderseits ist die Tempera-
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tur so hoch, dass keine beträchtlichen Gasmengen gelöst werden können. Das'am Ende des Kanals ablaufende Material ist daher im wesentlichen gasfrei. Infolge seiner hohen Oberflächenspannung wird es in der Mündung des Kanals festgehalten, bis die Flüssigkeitsschicht eine beträchtliche Tiefe hat und sich das in die Gussform abfliessende Material an der Ablauflippe des Kanals vor dem Herunterfallen in grossen Tropfen sammelt, die manchmal so gross sein können, wie eine Murmel.
Am unteren Ende ist die Gussform 54 durch den Strang 57 verschlossen, so dass die Gussform einen Napf bildet, ir. den das Metall hineinfällt. Bei der ersten Inbetriebnahme der Einrichtung kann das untere Ende der Gussform durch jedes andere Material von geeigneten Abmessungen verschlossen werden, z. B. durch eine Stahlwelle, die sich durch die Abdichtung 55 in die Form erstreckt und später weggeworfen wird. Wenn das schmelzflüssige Material die wassergekühlte Wand der Gussform berührt, erstarrt es sofort, wie dies bei dem wassergekühlten Kanal der Fall war, so dass dadulch die Gussform nicht angegriffen wird.
Zwischen der Kathode 59 und dem sich bildenden Strang wird eine solche Entladung aufrechterhal- ten, so dass am oberen Ende der Gussform eine kleine Lache aus schmelzflüssigem Material aufrechterhalten wird ; in diese Lache fällt das aus dem Kanal austretende Material und wird sofort darin verteilt, selbst wenn es während seines Falles durch Wärmeabstrahlung leicht abgekühlt wurde. Für die Entladung an der Gussformmündung wird jedoch nur eine solche Energie aufgewendet, dass. an dieser Stelle eine kleine schmelzflüssige Lache der beschriebenen Art gebildet wird.
Beim Abzug des Stranges friert diese Lache allmählich, so dass keine bestimmten Spaltlinien oder parallele Schichten zurückbleiben, sondern ein vollständig homogener Strang erhalten wird, der gewalzt, gezogen oder jeder andern Behandlung unterzogen werden kann, die zu seiner Weiterverarbeitung erforderlich ist.
Die vorstehend beschriebene Anlage bildet eine sehr einfache, wirtschaftliche Einrichtung zur Erzeugung von Strängen in einem kontinuierlichen einstufigen Verfahren. Dies ist jedoch nicht die einzige Anwendungsform des Prinzips der Sperrschmelze. Anstatt das freigewordene Gas in die gleiche Kammer abzuführen, in die auch das entgaste Material abgegeben wird, kann man auch eine Scheidewand worsehen, die den Behälter in zwei voneinander getrennte Kammern teilt, die unter verschiedenen Drucken stehen. Beispielsweise kann der Druck am Austrittsende des Kanals einen Bruchteil eines Mikrons betragen und die Erhitzung anstatt einer kombinierten Glühentladung mit Elektronen und positiven Ionen durch eine reine Elektronenentladung oder induktiv erfolgen.
Die Erhitzung kann sogar mit Hilfe eines gewöhnlichen Lichtbogens bewirkt werden, wobei sich gegenüber der gewöhnlichen Erhitzung mit einem Lichtbogen beträchtliche Vorteile ergeben, weil die Tatsache, dass eine Abgabe der eingeschlossenen Gase in die Bogenstrecke selbst verhindert ist, die Stabilität des Bogens verbessert.
Derartige Abänderungen erfordern jedoch eine etwas verschiedenere Abstimmung zwischen der Fördermenge und den energetischen Bedingungen, um das Material gerade so schnell zu erhitzen, dass dadurch die Schmelzsperre aufrechterhalten wird. Wenn die in dem Ausgangsmaterial enthaltenen Gase getrennt abgesaugt und die genannten andern Erhitzungsmethoden angewendet werden, kann bei einer zu geringen Fördergeschwindigkeit das zugeführte Material so rasch schmelzen, dass es die Austrittsöffnung nicht vollständig ausfüllt und die Sperre daher geöffnet wird.
Bei einer zu grossen Fördergeschwindigkeit dagegen wird ungeschmolzenes Material aus dem Kanalende herausgedrückt. Bei der beschriebenen Einrichtung muss die Abstimmung der verschiedenen Faktoren aufeinander ebenfalls aufrechterhalten werden, doch ist hier ein beträchtlicher Bereich vorhanden, in dem die für die zum Schmelzen des Materials dienende Entladung aufgewendete Energie direkt mit der Fördergeschwindigkeit schwankt und sich daher etwaigen Unregelmässigkeiten derselben automatisch anpasst. Die mittlere Austrittsgeschwindigkeit wird mit der Fördergeschwindigkeit durch Einstellung der letzteren abgestimmt, so dass das Vakuumsystem den Druck in dem Behälter etwa in der Mitte des Bereichs halten kann, in. der die gewünschte Form der Entladung aufrechterhalten werden kann.
Auf diese Weise wird die mittlere Fördergeschwindigkeit mit dem Mittelwert des Vakuums koordiniert und es bewirken Schwankungen der mittleren Fördergeschwindigkeit, wie vorstehend beschrieben, indirekt eine Steuerung der Ent'ladungsintensität, so dass in einem wesentlich weiteren Bereich gearbeitet werden kann, als wenn die Heizleistung direkt auf die Fördergeschwindigkeit abgestimmt werden müsste. In der beschriebenen Ausführungsform wird die Heizenergie nicht direkt, sondern infolge der Abhängigkeit der Saugleistung von der Fördergeschwindigkeit indirekt gesteuert.
Aus diesen Überlegungen geht hervor, dass weder die Einrichtung noch das Verfahren nach der Erfindung auf das vorliegende Ausführungsbeispiel beschränkt sind.
**WARNUNG** Ende DESC Feld kannt Anfang CLMS uberlappen**.