CH380179A - Furnace for treating metal melts in a vacuum or in a protective gas atmosphere - Google Patents

Furnace for treating metal melts in a vacuum or in a protective gas atmosphere

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Publication number
CH380179A
CH380179A CH1137760A CH1137760A CH380179A CH 380179 A CH380179 A CH 380179A CH 1137760 A CH1137760 A CH 1137760A CH 1137760 A CH1137760 A CH 1137760A CH 380179 A CH380179 A CH 380179A
Authority
CH
Switzerland
Prior art keywords
vacuum
container
melt
head part
furnace
Prior art date
Application number
CH1137760A
Other languages
German (de)
Inventor
Otto Winkler
Original Assignee
Balzers Hochvakuum
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Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27BFURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B5/00Muffle furnaces; Retort furnaces; Other furnaces in which the charge is held completely isolated
    • F27B5/04Muffle furnaces; Retort furnaces; Other furnaces in which the charge is held completely isolated adapted for treating the charge in vacuum or special atmosphere
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21CPROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
    • C21C7/00Treating molten ferrous alloys, e.g. steel, not covered by groups C21C1/00 - C21C5/00
    • C21C7/10Handling in a vacuum
    • HELECTRICITY
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    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B7/00Heating by electric discharge
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Description

       

  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.



  Furnace for treating molten metal in vacuum or. In a protective gas atmosphere The vacuum or protective gas treatment of metal melts is used, on the one hand, to avoid the reaction of chemically active alloy components with the furnace atmosphere, and, on the other hand, to shift the physical-chemical equilibrium between the homogeneously dissolved gases in use, the possibly heterogeneously admixed gas-metal compounds and the furnace atmosphere and possibly also to distill off metallic impurities.

   Up until now, there have mainly been two obstacles to a broader application of vacuum melting and degassing processes: Those known vacuum melting furnaces with which a very extensive refining of the melt could be carried out, such as vacuum induction melting furnaces or electron beam furnaces, had too high a system load. and operating costs, rather than having to pay for less high-quality metals and alloys, such as ball bearing steels, transformer steels, stainless steels,

   Non-ferrous metals and non-ferrous metal alloys could have been used. In contrast, cheaper degassing processes, e.g. B. the one based on the principle of Giessstrahlentgasung, only allow partial degassing, which in wesent union on more easily removable gases, such as for example hydrogen. is limited. However, this is not sufficient to achieve a quality improvement corresponding to the effort involved in the alloys mentioned.

   The main reason for this is that the time available for the degassing is too short with the jet degassing or an increase in the degassing time would inevitably be associated with such high temperature losses that suitable heating devices would be necessary, for which, however, until now no satisfactory solution has become known.

      Based on this, the invention has set itself the goal of developing a furnace. in which the vacuum or protective gas treatment is linked with the lowest possible energy losses, an energy supply is possible in a simple manner and the treatment time can be varied almost as desired. as a result, as close as possible to the possible physical-chemical equilibria can be achieved as is necessary for the case in question. The new furnace should also offer the possibility of increasing the speed of degassing compared to the previous one, so that short treatment times can be achieved and the associated increase in throughput speed results in a significant reduction in melting costs.



  The furnace according to the invention for treating metal melts in a vacuum or in a protective gas atmosphere is particularly suitable for degassing or distilling metal melts. It is characterized in that the container receiving the melt is designed to be rotatable about an axis inclined with respect to the vertical.



  To what extent such a furnace can achieve the objectives set will become apparent from the following description.



  1 and 2 of the drawings show a simple embodiment of a furnace according to the invention. Therein, 1 means a pear-shaped container which receives the melt and is rotatable about an axis 2 inclined with respect to the vertical. For this purpose, the container is rotatably mounted at its lower end by means of a shaft 3 and a bearing 4 and is provided with a drive consisting of a motor 5 and a chain drive 6. The container 1 is tapered at its upper end at 7 and by means of a roller bearing 8 and a vacuum-tight rotary feedthrough 9 rotatable and vacuum-tight to a cylindrical head part 10 is closed.

   This head part 10, which is built on a base 11. has a vacuum connection 12 and carries other auxiliary equipment, e.g. B. a Stut zen 13, to which a material dispensing device can be closed, and the electric arc electrodes 14 and 15 which protrude into the melting container 1. The electrodes 14 and 15 are supplied with the current through vacuum-tight Stromzuführun conditions 16 and 17.



  The flanges 18 and 19 enable a quick connection of the separation between the fixed head part 10 and the rotatable container 1 to make up. After releasing the flange connection 18, 19, the container 1, which is built together with the drive 5, 6 on a mobile frame 20, moved away and poured or recharged at any point under normal pressure. Such a method is particularly useful when treating bulk steels or ferro-alloys.



  A second embodiment of the invention, FIGS. 3 and 4 .. The structure of the melting container, the drive device and the rotatable bearing are essentially the same as in the above-described system; Corresponding parts are provided with primed reference numerals (1'-9 '). The difference compared to the first described approach is essentially that the head part 10 ′ can now be tilted about a horizontal axis 30 together with the container 1 ′ rotatably connected to this head part.

   For this purpose, the hollow stub axles 31 and 32 of the ge called head part, which rest in the bearings 33 and 34 and are connected to the vacuum-tight rotary feedthroughs 35 and 36 fixed vacuum chambers 37 and 38 (in the example as a pipe socket ausgebil det). In FIGS. 3 and 4, the melting container is drawn straight in the casting position. Normally it is in the position as indicated in FIG. 3 with <B> 1 ". </B> 2". To Kip pen the melting container can be used per se known hoists, which are not shown in FIG.

   The chamber 37 accommodates a casting mold, and a pouring channel 39 is used to collect the melt 41 emptied via its pouring spout 40 when the melting container 1 'is tilted and to convey it to the pouring funnel 42.



  The hollow shaft stub 32 and the chamber 38 attached to it provides space for the arrangement of a conveyor trough 43, by means of which the melting container I 'can also be charged under vacuum. For this purpose, the loading material is placed on the conveyor trough 43 via a lock 44. The stub axle 32 also serves as an evacuation line. For this purpose, the chamber 38 has a connection 45 to a vacuum pump.

      For the ovens according to the invention, liquid use is preferred. In particular, the less reactive components of an alloy can be premelted outside the vacuum using conventional methods and then introduced into the preheated container 1, t 'under normal pressure.

   After the aluminum has been filled and possibly filled with protective gas, degassing or refining is then carried out with or without supply of heat, and only then are any more reactive alloy components added. In this way, Nlan also achieves qualities in: Bulk steels that could previously only be produced using the induction melting process.

   However, the structure of alloys is also possible by starting from the solid state, melts in container 1 or 1 '. The casting can then take place either under vacuum, under a protective gas atmosphere or in a free atmosphere.



  The heating of the container is carried out in the exemplary embodiment from a vacuum arc, the sen electrodes 14, 15 or 14 ', 15' can be slidably inserted through the opening of the pear-shaped Schmelzbehäl age. It is useful to stabilize the arc at low pressures. to use pierced electrodes through which a weak stream of inert gas, e.g. B. argon, can be introduced into the discharge path.

   Instead of an electric arc, other types of heating can also be selected, where the furnace construction, in which the heating devices can always be arranged inside the melting container without touching the melt, also allows such heating elements or heating devices to be used. which would not withstand direct contact with the melt. For example, instead of the arc electrodes, resistance heating elements can protrude into the melting container.

   The plasma jet process, in particular with high frequency, is particularly well suited in connection with a protective atmosphere for heating the melt bath surface. The plasma jet, with which temperatures up to 4000 C can be reached, is directed through the opening of the melting container 1, 1 'against the surface of the melting bath. The plasma jet cannon is attached to the head part and, since there is no direct contact with the melt, it may also protrude into the container.

   The inert gas used for the plasma jet is continuously sucked out of the container and can thus, possibly after cleaning, be fed back to the plasma cannon, which results in very economical operation.



  Heating by electron bombardment can also easily be carried out in furnaces according to the invention, with electron-emitting cathodes being used instead of the arc electrodes shown. while the melt forms the anode of the discharge path. After the melting material has been introduced and evacuated, the melting container is rotated around its axis in an inclined position. The melt does not form a relatively large surface, which is also constantly renewed by the entrainment of the wall friction. By suitable measures, e.g.

   B. by stirring movements via an introduced stirrer or by passing through a neutral gas, an additional Liche movement can be generated, whereby the Ent gassing accelerated and rapid mixing is achieved.

   This mixing can be promoted by the fact that the Schmelzbehäl ter 1, 1 'is given an oval cross-section perpendicular to the axis of rotation or fixed ribs are built into the inner wall that rotate with the container. The constant overflushing of the exposed inner surface of the melting container, which is exposed to heating, ensures that the lining cannot be overstressed even with high heating power and that an effective energy transfer is still possible,

   if the arc electrodes or other heating device have to be arranged at a large distance from the bath surface in order to avoid erosion caused by splashes.



  The only known vacuum melting process which offers the same extensive refining option as the furnace according to the invention is, as he mentioned, the vacuum induction melting process. Compared to this, however, the new furnace also has a number of decisive advantages: First of all, there is a considerable difference in the investment costs. To reduce the stray field losses and the formation of rust through condensation, it is necessary to manufacture the water-cooled boiler from high-quality, stainless steel.

   Since a certain distance between the coil and the boiler wall must be present between the coil and the boiler even with the use of magnetic shielding yokes, the boiler volume is significantly larger compared to the ovens according to the invention, with a correspondingly increased cost of materials and a long pumping time. The in duktionsbeheiz by medium frequency also requires more extensive and more expensive elec tric facilities than arc and resistance heating, which are possible in the furnace according to the invention.

   If one also wants to expand the induction melting process in such a way that the heating and stirring of the melt are possible simultaneously and independently of one another, which brings significant advantages in the melting process, an additional low-frequency feed of the furnace coil is required, which also involves considerable effort. In the case of the furnace according to the invention, on the other hand, the possibility of simultaneous stirring and heating is readily given.



  A major advantage of the vacuum melting and degassing systems described is that the space accommodating the melt can form a well thermally insulated and largely rotationally symmetrical container, which is closed almost on all sides and whose jacket is the demarcation from the outside atmosphere. It follows that the limitation in the crucible service life and the risk associated with a crucible breakthrough in the induction furnace has been overcome in the furnace according to the invention. In the induction furnace, relatively small crucible wall thicknesses have to be used in order to achieve a satisfactory level of efficiency.

   The result is high temperature gradients and strong thermal stresses in the crucible, which, especially in the case of the basic crucible materials with relatively high expansion coefficients, which are mostly used, lead to the dreaded crucible breakthroughs, which not only damage the system but also lead to loss of the Can lead to melt. With the new furnace, on the other hand, much thicker furnace linings can be used, which result in much lower heat losses and can also withstand greater thermal stresses.



  Also because of the more favorable geometry (approximation to the spherical shape) and the more even erosion, the durability and stability of the new furnace is greater. While one is forced to replace the furnace lining before the end of the actual service life with induction ovens for safety reasons, one can wait with the oven according to the invention until an inadmissible heating of the outer skin occurs and so the real service life of the valuable lining can be fully utilized. In contrast to induction ovens, even if there is a crack in the feed, this does not endanger the oven or the batch.

   All of these reasons mean that both the degree of utilization of the furnace lining and the degree of utilization of the melting plant as a whole are more favorable due to the shorter downtimes.



  The greater thermal resistance of the oven lining, the greater wall thickness and mechanical stability make it possible for the first time to overcome the limitation of the batch size inherent in the induction oven. The largest vacuum induction furnace that has been built to date has an operating weight of around 2 t of steel. Any further expansion would have entailed great risks. In the furnace according to the invention, however, this limitation does not exist, since the mechanical stability of the feed receiving the melt can be selected as well as that of raw iron mixers, which are known to be built for uses of several 100 tons.

   Here is this. Expansion possible without sacrificing refining or alloying options. This also creates the possibility for the first time to treat bulk steels and other technical alloys that have to be processed in large quantities at the required operating weights under conditions in a vacuum that allow a closer approximation to the physical-chemical equilibrium than with the mass steel degassing process known since then was the case.



  To support the degassing you can make use of the known degassing effect of a neutral gas flow passed through the melt. which by enlarging the exchange surface between the melt and the gas atmosphere causes an additional acceleration of the degassing process.

   While in the known melting and degassing systems the introduction of the finest possible gas flow in practical operation leads to considerable complications and difficulties, since the ceramic moldings used are exposed to great thermal and chemical stresses, this gas purging process can be used in conjunction with the furnace Realize the invention in a very reliable and simple manner.

   It is sufficient to install a simple molded stone made of Kera mik that contains numerous fine bores or is porous sintered at one point of the furnace lining, which can ge long in the course of the rotary movement of the melting container to the deepest point of the bath. that the rear side is connected to a gas feed line passed through the outer jacket. Before starting the gas purging, first bring the porous area in the furnace lining to the topmost point of its circular movement. Then open the feed and turn the kettle 90 '. until this point has reached its lowest point and the gas flow can flush the greatest possible bath depth.

   In this way, any previous penetration of the melt into the openings of the pores is avoided and the problem of the introduction of an insufficiently preheated ceramic gas supply line is avoided.



  Due to the good heat insulation of the furnace, the energy expenditure. which is necessary to maintain the temperature of the melt, extremely low. This results in a low heating output and thus very little burn-off or evaporation loss of the heating electrodes. especially when working with liquid input.

   Despite the low energy consumption, a better refining effect is obtained than with the induction furnace, since the heat development is mainly concentrated on the bath surface and the decomposition of slag that collects on the bath surface through flotation is favored.



  The systems described are not only suitable for degassing melts, but they can also be used for distilling off alloy components, such as those used, for example, in the processing of light metal. and non-ferrous metal waste is required. It is then only necessary to arrange a suitable capacitor on the head part 10, 10 'of the location. The filling of the liquid A rate and the draining of the residue can be done in this case expediently via one and the same, provided with a cooled slide opening 21 in the bottom of the container 1, which is when filling A on the top and draining on the bottom .


    

Claims (1)

PATENTANSPRUCH Ofen zur Behandlung von Metallschmelzen im Vakuum oder in Schutzgasatmosphäre, insbesondere zum Entgasen oder Destillieren von Metallschmelzen, dadurch gekennzeichnet, dass der die Schmelze auf nehmende Behälter um eine gegenüber der Verti kalen geneigte Achse drehbar ausgebildet ist. UNTERANSPRÜCHE 1. Ofen nach Patentanspruch, dadurch gekenn zeichnet, dass ein um eine horizontale Achse kipp- bares Kopfteil vorgesehen ist, welches den Va kuumanschluss und etwaige Hilfseinrichtungen trägt, und an welches der die. Schmelze aufnehmende Behälter drehbar und vakuumdicht an,eschlossen ist. 2. PATENT CLAIM Oven for treating metal melts in a vacuum or in a protective gas atmosphere, in particular for degassing or distilling metal melts, characterized in that the container receiving the melt is designed to be rotatable about an axis inclined with respect to the vertical. SUBClaims 1. Oven according to claim, characterized in that a tiltable head part is provided about a horizontal axis, which carries the vacuum connection and any auxiliary devices, and to which the. Melt receiving container rotatable and vacuum-tight, is closed. 2. Ofen nach Patentanspruch oder Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet. dass der die Schmelze aufnehmende Behälter an seinem oberen Ende ver jüngt ist und das verjüngte Ende mit dem Kopfteil drehbar vakuumdicht verbunden ist. 3. Ofen nach Patentanspruch oder einem der Unteransprüche 1 und 2. dadurch gekennzeichnet, dass das Kopfteil eine oder mehrere Lichthogen- elektroden trägt, welche in den die Schmelze auf nehmenden Behälter hineinragt. 4. Oven according to patent claim or dependent claim 1, characterized. that the container receiving the melt is tapered at its upper end and the tapered end is rotatably connected to the head part in a vacuum-tight manner. 3. Furnace according to claim or one of the dependent claims 1 and 2. characterized in that the head part carries one or more light-halogen electrodes which protrude into the container receiving the melt. 4th Ofen nach Unteransprüchen 1 oder 2. da durch gekennzeichnet, dass die Kippachse des Kopf teiles hohl ausgebildet ist und in der hohlen Achse eine Giessrinne feststehend angeordnet ist, die zu einer feststehenden Gussform überleitet. wobei der Gussformbehälter und das kippbare Kopfteil drehbar vakuumdicht miteinander verbunden sind. 5. Oven according to dependent claims 1 or 2. characterized in that the tilting axis of the head part is hollow and a pouring channel is fixedly arranged in the hollow axis, which leads to a fixed casting mold. wherein the mold container and the tiltable head part are rotatably connected to one another in a vacuum-tight manner. 5. Ofen nach Unteranspruch 1, dadurch gekenn zeichnet. dass die Kippachse hohl ausgebildet ist und an die hohle Achse "diz- Evakuierungsleitung mittels eines drehbaren vakuumdichten Anschlusses ange schlossen ist. 6. Öfen nach Patentanspruch, dadurch gekenn zeichnet, dass der die Schmelze aufnehmende Behäl ter einen Innenraum ovalen Querschnittes senkrecht zur Drehachse aufweist. 7. Ofen nach Patentanspruch, dadurch gekenn zeichnet, dass an einer Stelle der Wand des die Schmelze aufnehmenden Behälters ein poröser oder mit Bohrungen versehener Körper eingesetzt ist, des sen Aussenseite mit einer Gasquelle verbindbar ist. B. Oven according to dependent claim 1, characterized in that. that the tilting axis is hollow and is connected to the hollow axis "diz evacuation line" by means of a rotatable vacuum-tight connection. 6. Furnace according to patent claim, characterized in that the container receiving the melt has an interior of oval cross-section perpendicular to the axis of rotation. 7. Furnace according to patent claim, characterized in that a porous or bored body is inserted at one point on the wall of the container holding the melt, the outer side of which can be connected to a gas source. Ofen nach Patentanspruch, dadurch gekenn zeichnet, dass der drehbare Behälter leicht lösbar mit einem feststehenden Kopfteil verbunden ist. Oven according to patent claim, characterized in that the rotatable container is easily detachably connected to a fixed head part.
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