Ofen zum Behandeln von Metallschmelzen in Vakuum oder. in Schutzgasatmosphäre Die Vakuum- bzw. Schutz gasbehandlung von Metallschmelzen wird einerseits zur Vermeidung der Reaktion chemisch aktiver Legierungskomponenten mit der Ofenatmosphäre, anderseits zur Verschie bung der physikalisch-chemischen Gleichgewichte zwischen den im Einsatz homogen gelösten Gasen, den eventuell heterogen beigemischten Gas-Metall- Verbindungen und der Ofenatmosphäre und unter Umständen auch zur Abdestillation metallischer Ver- unreinigungen angewendet.
Einer breiteren Anwen- dunz der Vakuumschmelz- und Entgasungsverfahren Standen bis jetzt hauptsächlich zwei Hindernisse ent gegen: Diejenigen bekannten Vakuumschmelzöfen, mit denen eine sehr weitgehende Raffination der Schmelze durchgeführt werden konnte, wie zum Bei spiel Vakuuminduktionsschmelzöfen oder Elektro- nenstrahlöfen, hatten zu hohe Anlage- und Betriebs kosten, als dass sie für weniger hochwertige Metalle und Legierungen, wie zum Beispiel Kugellagerstähle, Transformatorenstähle, rostfreie Stähle,
Buntmetalle und Buntmetalleaierungen, hätten eingesetzt werden können. Billigere Entgasungsverfahren dagegen, z. B. dasjenige nach dem Prinzip der Giessstrahlentgasung, ermöglichen nur eine Teilentgasung, die im wesent lichen auf leichter entfernbare Gase, wie zum Bei spiel Wasserstoff. beschränkt ist. Dies ist aber nicht ausreichend, um bei den erwähnten Legierungen eine dem Aufwand entsprechende Qualitätsverbesserung zu erzielen.
Die wesentliche Ursache dafür ist, dass bei der Strahlentgasung die für die Entgasung zur Verfügung stehende Zeit zu kurz ist bzw. eine Ver- längeruna der Entgasungszeit zwangläufig mit so hohen Temperaturverlusten verknüpft wäre, dass ge eignete Beheizungsvorrichtungen notwendig würden, für die jedoch bis jetzt noch keine befriedigende Lö sung bekanntgeworden ist.
Davon ausgehend, hat sich die Erfindung zum Ziel gesetzt, einen Ofen zu entwickeln. bei dem die Vakuum- bzw. Schutzgasbehandlung mit möglichst geringen Energieverlusten verknüpft ist, auf einfache Weise eine Energiezufuhr möglich ist und die Be handlungszeit nahezu beliebig variiert werden kann. wodurch eine so weitgehende Annäherung an die möglichen physikalisch-chemischen Gleichgewichte erreicht werden kann, als es für den betreffenden Fall notwendig erscheint. Der neue Ofen soll weiter hin die Möglichkeit bieten, die Geschwindigkeit der Entgasung gegenüber dem bisherigen zu erhöhen, so dass kurze Behandlungszeiten erreicht werden und durch die damit verbundene Erhöhung der Durch satzgeschwindigkeit sich eine wesentliche Senkung der Schmelzkosten ergibt.
Der erfindnungsgemässe Ofen zur Behandlung von Metallschmelzen im Vakuum oder in Schutz gasatmosphäre ist,insbesondere zum Entgasen oder Destillieren von Metallschmelzen geeignet. Er ist da durch gekennzeichnet, dass der die Schmelze auf nehmende Behälter um eine gegenüber der Verti kalen geneigte Achse drehbar ausgebildet ist.
Inwiefern ein solcher Ofen die -stellten Ziele erreichen lässt, wird aus der nachfolgenden Beschrei bung ersichtlich werden.
Die Fig. 1 und 2 der Zeichnung zeigen eine ein fache Ausführungsform eines Ofens nach der Erfin dung. Darin bedeutet 1 einen die Schmelze aufneh menden, birnenförmigen Behälter, der um eine gegen über der Vertikalen geneigte Achse 2 drehbar ist. Zu diesem Zweck ist der Behälter an seinem unteren Ende mittels einer Welle 3 und eines Lagers 4 dreh bar gelagert und mit einem Antrieb, bestehend aus einem Motor 5 und einem Kettentrieb 6, versehen. Der Behälter 1 ist an seinem oberen Ende bei 7 verjüngt und mittels eines Wälzlagers 8 und einer vakuumdichten Drehdurchführung 9 drehbar und vakuumdicht an ein zylindrisches Kopfteil 10 ange schlossen.
Dieses Kopfteil 10, das auf einem Sockel 11 aufgebaut ist. besitzt einen Vakuumanschluss 12 und trägt weitere Hilfseinrichtungen, z. B. einen Stut zen 13, an den eine Materialzugabevorrichtung an geschlossen werden kann, und die elektrischen Licht bogenelektroden 14 und 15. welche in den Schmelz behälter 1 hineinragen. Den Elektroden 14 und 15 wird der Strom durch vakuumdichte Stromzuführun gen 16 und 17 zugeleitet.
Die Flansche 18 und 19 ermöglichen, eine rasche Verbindung der Trennung zwischen dem feststehen den Kopfteil 10 und dem drehbaren Behälter 1 her zustellen. Nach Lösung der Flanschverbindung 18, 19 kann der Behälter 1, der zusammen mit dem An trieb 5, 6 auf einem fahrbaren Gestell 20 aufgebaut ist, weggefahren und an beliebiger Stelle unter Nor maldruck abgegossen bzw. neu chargiert werden. Ein solches Verfahren ist insbesondere bei der Be handlung von Massenstählen oder Ferrolegierungen zweckmässig.
Ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen die Fig. 3 und 4.. Der Aufbau des Schmelz behälters, die Antriebsvorrichtung und die drehbare Lagerung sind im wesentlichen gleich wie bei der vorbeschriebenen Anlage; entsprechende Teile sind mit _gestrichenen Bezugszeichen (1'-9') versehen. Der Unterschied gegenüber der erstbeschriebenen An- Jage besteht im wesentlichen darin, dass das Kopf teil 10' zusammen mit dem drehbar an dieses Kopf teil angeschlossenen Behälter 1' nunmehr um eine horizontale Achse 30 gekippt werden kann.
Dazu dienen die hohlen Achsstümpfe 31 und 32 des ge nannten Kopfteils, die in den Lagern 33 und 34 ruhen und an die über vakuumdichte Drehdurchfüh rungen 35 und 36 feststehende Vakuumkammern 37 und 38 (im Beispielsfalle als Rohrstutzen ausgebil det) angeschlossen sind. In den Fig. 3 und 4 ist der Schmelzbehälter gerade in Giessstellung gezeichnet. Normalerweise befindet er sich in der Stellung, wie sie in der Fig. 3 mit<B>l".</B> 2" angedeutet ist. Zum Kip pen des Schmelzbehälters können an sich bekannte Hebezeuge dienen, die in der Fig. 3 nicht dargestellt sind.
Die Kammer 37 nimmt eine Gussform auf, und' eine Giessrinne 39 dient dazu, die beim Kippen des Schmelzbehälters 1' über dessen Giessschnauze 40 entleerte Schmelze 41 aufzufangen und dem Giess trichter 42 zuzuleiten.
Der Hohlwellenstumpf 32 und die an ihn ange schlossene Kammer 38 bietet Raum für die Anord nung einer Förderrinne 43, mittels deren der Schmelz behälter I' auch unter Vakuum beschickt werden kann. Dazu wird auf die Förderrinne 43 das Be schickungsgut über eine Schleuse 44 aufgegeben. Der Achsstumpf 32 dient gleichzeitig als Evakuierungs- leitung. Für diesen Zweck weist die Kammer 38 einen Anschluss 45 an eine Vakuumpumpe auf.
Für die Öfen nach der Erfindung- wird vorzugs weise flüssiger Einsatz verwendet. Vor allem die weniger reaktionsfähigen Komponenten einer Le gierung können mit klassischen Methoden ausserhalb des Vakuums vorgeschmolzen und dann in den vor geheizten Behälter 1, t' unter Nortnaldruck einge bracht werden.
Nach E%al;uierun2- und eventueller Füllung mit Schutzas wird dann zunächst mit oder ohne Ni'ä rmezufuhr entgast oder raffiniert, und erst dann werden eventuell reaktionsfähigere Le-iertmgs- komponenten zugesetzt. Nlan erzielt auf diese Weise auch bei :Massenstählen Oualitäten, die bisher nur nach dem Induktionsschmelzverfahren hergestellt werden konnten.
Der Aufbau von Legierungen ist aber auch dadurch mö;lich, dass man. vom festen Zustand ausgehend, im Behälter 1 bzw. 1' auf schmilzt. Der Abguss kann darauf entweder unter Vakuum, unter Schutzgasatmosphäre oder auch an freier Atmosphäre erfolgen.
Die Beheizung des Behälters erfolgt in dem Aus führungsbeispiel durch einen Vakuumlichtbogen, des sen Elektroden 14, 15 bzw. 14', 15' verschiebbar durch die Öffnung des birnenförmigen Schmelzbehäl ters eingeführt werden können. Zur Stabilisierun- des Lichtbogens bei niedri_en Drucken ist es zweck mässig. durchbohrte Elektroden zu verwenden, durch die kontinuierlich ein schwacher Strom inerten Gases, z. B. Argon, in die Entladungsstrecke eingeführt werden kann.
Anstelle eines Lichtbogens können auch andere Beheizunasarten gewählt werden, wo bei die Ofenkonstruktion, bei welcher die Heizvor- richtungen stets im Innern des Schmelzbehälters ohne Berührung mit der Schmelze angeordnet werden kön nen, erlaubt, auch solche Heizkörper bzw. Heizvor- richtungen zu verwenden. die einer direkten Berüh rung mit der Schmelze nicht standhalten würden. Zum Beispiel können anstelle der Lichtbogenelektro- den Widerstandsheizkörper in den Schmelzbehälter hineinragen.
Besonders in Verbindung mit einer Schutzaasatmosphäre zur Beheizung der Schmelz badoberfläche gut geeignet ist auch das Plasma strahlverfahren insbesondere mit Hochfrequenz. Der Plasmastrahl, mit dem man Temperaturen bis zu 4000 C erreichen kann, wird hierbei durch die Öff nung des Schmelzbehälters 1, 1' hindurch gegen die Schmelzbadoberfläche Gerichtet. Die Plasmastrahl- kanone wird am Kopfteil befestigt und darf, da keine direkte Berührung mit der Schmelze stattfin det, auch in den Behälter hineinragen.
Das für den Plasmastrahl verwendete inerte Gas wird aus dem Behälter laufend abgesaugt und kann so, eventuell nach Reinigung, wieder der Plasmakanone zuführt werden, wodurch sich ein sehr sparsamer Betrieb ergibt.
Auch Heizung durch Elektronenbeschuss ist bei Öfen nach der Erfindung leicht durchführbar, wobei anstelle der gezeichneten Lichtbogenelektroden elek tronenemittierende Kathoden verwendet werden. während die Schmelze die Anode der Entladungs strecke bildet. Nach Einführung des Schmelzgutes und Evakuierun, wird der Schmelzbehälter in schräg gestellter Lage um seine Achse gedreht. Die Schmelze bildet dabeiCeine relativ grosse Oberfläche aus, die zudem durch die Mitnahme der infolge der Wandreibung dauernd erneuert wird. Durch ge eignete Massnahmen, z.
B. durch Rührbewegungen über einen eingeführten Rührer oder durch Durch leitung eines neutralen Gases, kann noch eine zusätz liche Bewegung erzeugt werden, wodurch die Ent gasung beschleunigt und eine rasche Durchmischung erreicht wird.
Diese Durchmischung kann noch da durch gefördert werden, dass man dem Schmelzbehäl ter 1, 1' einen ovalen Querschnitt senkrecht zur Drehachse gibt oder an der Innenwand feste Rippen einbaut, die sich mit dem Behälter mitdrehen. Durch die dauernde Überspülung der der Beheizung aus gesetzten freien Innenoberfläche des Schmelzbehäl ters wird dafür gesorgt, dass auch bei hoher Heiz- leistung keine thermische Überbeanspruchung der Auskleidung eintreten kann und eine wirkungsvolle Energieübertragung auch dann noch möglich ist,
wenn die Lichtbogenelektroden oder die sonstige Heizvor- richtung zur Vermeidung einer Erosion durch Sprit zer in grossem Abstand von der Badoberfläche an geordnet werden müssen.
Das einzige bekannte Vakuumschmelzverfahren, das eine gleich weitgehende Raffinationsmöglichkeit wie der erfindungsgemässe Ofen bietet, ist, wie er wähnt, das Vakuuminduktionsschmelzverfahren. Im Vergleich zu diesem besitzt der neue Ofen jedoch zusätzlich eine ganze Reihe entscheidender Vorteile: Ein erheblicher Unterschied besteht zunächst in den Investitionskosten. Zur Verringerung der Streufeld verluste und der Rostbildung durch Kondenswasser bildung ist es nämlich notwendig, den wassergekühl ten Kessel in der Regel aus hochwertigem, rostfreiem Stahl herzustellen.
Da auch bei Verwendung magne tischer Abschirmjoche zwischen Spule und Kessel noch ein gewisser Abstand zwischen Spule und Kes selwand vorhanden sein muss, ergibt sich ein im Vergleich zu erfindungsgemässen Öfen wesentlich grösseres Kesselvolumen mit entsprechend vergrösser tem Materialaufwand und langer Pumpzeit. Die In duktionsbeheizung durch Mittelfrequenz erfordert ausserdem umfangreichere und kostspieligere elek trische Einrichtungen als Lichtbogen- und Wider standsheizung, die bei dem Ofen nach der Erfindung möglich sind.
Wenn man ausserdem das Induktions- schmelzverfahren so ausbauen will, dass die Heizung und Rührung der Schmelze zugleich und unabhängig voneinander möglich sind, was wesentliche Vorteile bei der Schmelzführung bringt, ist eine zusätzliche Niederfreauenzspeisung der Ofenspule erforderlich, die ebenfalls erheblichen Aufwand mit sich bringt. Bei dem erfindungsgemässen Ofen dagegen ist die Möglichkeit gleichzeitigen Rührens und Heizens ohne weiteres gegeben.
Ein wesentlicher Vorteil der beschriebenen Va kuumschmelz- und Entgasungsanlagen ist es, dass der die Schmelze aufnehmende Raum einen gut wärme- isolierten und nahezu allseits geschlossenen, weit gehend rotationssymmetrischen Behälter bilden kann, dessen Mantel die Abgrenzung gegenüber der Aussen atmosphäre darstellt. Daraus ergibt sich, dass die Beschränkung in der Tiegellebensdauer und das Risiko, das mit einem Tiegeldurchbruch beim In duktionsofen verbunden ist, beim Ofen nach der Er findung überwunden wurde. Beim Induktionsofen müssen relativ geringe Tiegelwandstärken verwendet werden, um einen befriedigenden Wirkungsgrad zu erzielen.
Die Folge sind hohe Temperaturgradien ten und starke Wärmespannungen im Tiegel, die besonders bei den meistens zur Verwendung gelan genden basischen Tiegelmaterialien mit relativ hohem Ausdehnungskoeffizienten zu den gefürchteten Tie- gelddurchbrüchen führen, die nicht nur zu einer Be schädigung der Anlage, sondern auch zum Verlust der Schmelze führen können. Bei dem neuen Ofen können dagegen wesentlich dickere Ofenfutter ver wendet werden, die viel niedrigere Wärmeverluste ergeben und auch grösseren thermischen Beanspru chungen gewachsen sind.
Auch wegen der günstigeren Geometrie (Annähe rung an die Kugelform) und der gleichmässigeren Erosion ist die Haltbarkeit und Stabilität des neuen Ofens grösser. Während man beim Induktionsofen aus Sicherheitsgründen gezwungen ist, das Ofenfut ter schon vor Ablauf der wirklichen Lebensdauer zu erneuern, kann man bei dem erfindungsgemässen Ofen abwarten, bis eine unzulässige Erwärmung der Aussenhaut eintritt und so die wahre Lebensdauer des wertvollen Futters voll ausnützen. Selbst wenn ein Riss im Futter auftritt, bedeutet das, im Gegensatz zum Induktionsofen, noch keine Gefährdung des Ofens oder der Charge.
Alle diese Gründe führen dazu, dass sowohl der Ausnützungsgrad des Ofen futters als auch der Ausnützungsgrad der Schmelz anlage als Ganzes infolge der geringeren Stillstands zeiten günstiger wird.
Die grössere thermische Widerstandsfähigkeit des Ofenfutters, die grössere Wandstärke und mechani sche Stabilität ermöglichen - auch erstmals die Be grenzung der Chargengrösse, die dem Induktionsofen eigen ist, zu überwinden. Der grösste Vakuum-Induk- tionsofen, der bis heute gebaut wurde, besitzt ein Einsatzgewicht von etwa 2 t Stahl. Eine weitere Ver grösserung wäre mit grossen Risiken verbunden ge wesen. Beim erfindungsgemässen Ofen besteht diese Begrenzung dagegen nicht, da die mechanische Sta bilität des die Schmelze aufnehmenden Futters so gut gewählt werden kann wie diejenige von Roh eisenmischern, die bekanntlich für Einsätze von meh reren 100 Tonnen gebaut werden.
Dabei ist diese. Erweiterung ohne Einbusse an Raffiqations- oder Legierungsmöglichkeiten möglich. Damit wird auch erstmalig die Möglichkeit geschaffen, Massenstähle und andere Legierungen der Technik, die in grossen Gewichtsmengen verarbeitet werden müssen, in den erforderlichen Einsatzgewichten unter Bedingungen im Vakuum zu behandeln, die eine weitgehendere Annäherung an die physikalisch-chemischen Gleich gewichte ermöglichen, als es bei den seither bekann ten Massenstahlentgasungsverfahren der Fall war.
Zur Unterstützung der Entgasung kann man von der an sich bekannten Entgasungswirkung eines durch die Schmelze geleiteten, neutralen Gasstromes Ge brauch machen. der durch die Vergrösserung der Austauschoberfläche zwischen Schmelze und Gas atmosphäre eine zusätzliche Beschleunigung des Ent- aasungsvorganges bewirkt.
Während bei den bekann ten Schmelz- und Entgasungsanlagen die Einleitung eines möglichst feinverteilten Gasstromes im prak tischen Betrieb zu erheblichen Komplikationen und Schwierigkeiten führt, da die verwendeten kerami schen Formteile grossen thermischen und chemischen Beanspruchungen ausgesetzt sind, lässt sich dieses Gasspülverfahren in Verbindung mit dem Ofen nach der Erfindung in sehr betriebssicherer und einfacher Weise verwirklichen.
Es genügt, an einer Stelle des Ofenfutters, die im Verlauf der Drehbewegung des Schmelzbehälters an die tiefste Stelle des Bades ge langen kann, einen einfachen Formstein aus Kera mik, die zahlreiche feine Bohrungen enthält oder porös gesintert ist, so einzubauen. dass die Rückseite mit einer durch den Aussenmantel geführten Gas zuleitung in Verbindung steht. Bevor man mit der Gasspülung beginnt, bringt man zunächst die poröse Stelle im Ofenfutter an den obersten Punkt ihrer Kreisbewegung. Man öffnet dann die Zufuhr und dreht den Kessel um 90'. bis diese Stelle ihren tief sten Punkt erreicht hat und der Gasstrom eine mög lichst grosse Badtiefe durchspülen kann.
Auf diese Weise wird das etwaige vorherige Eindringen der Schmelze in die Öffnungen der Poren vermieden und das Problem der Einführung einer nicht genügend vorgewärmten keramischen Gaszuleitung umgangen.
Durch die gute Wärmeisolation des Ofens ist der Energieaufwand. der zur Aufrechterhaltung der Tem peratur der Schmelze nötig ist, ausserordentlich nied rig. Dadurch ergibt sich eine geringe Heizleistung und damit eiri sehr geringer Abbrand bzw. Verdamp- fungsverlust der Heizelektroden. besonders wenn mit flüssigem Einsatz gearbeitet -wird.
Trotz des gerin gen Energieaufwandes erhält man eine bessere Raf- finationswirkung als beim Induktionsofen, da die Wärmeentwicklung vorwiegend auf die Badober- fläche konzentriert ist und die Zersetzung von Schlak- ken, die sich durch Flotation auf der Badoberfläche ansammeln, begünstigt wird.
Die beschriebenen Anlagen eignen sich nicht nur zur Entgasung von Schmelzen, sondern sie können auch für die Abdestillation von Legierungskomponen ten. wie sie zum Beispiel bei der Aufarbeitung von Leichtmetall-. und Buntmetallabfällen erforderlich ist, eingesetzt werden. Es ist dann nur nötig, einen ge eigneten Kondensator am Kopfteil 10, 10' der An lage anzuordnen. Das Einfüllen des flüssigen Ein satzes und das Ablassen des Rückstandes kann in diesem Falle zweckmässig über ein und dieselbe, mit einem gekühlten Schieber versehenen Öffnung 21 im Boden des Behälters 1 erfolgen, die sich beim Ein füllen an der Oberseite und beim Ablassen an der Unterseite befindet.