Anlage zum kontaktlosen Durchmischen geschmolzenen Metalles Die Erfindung bezieht sich auf eine Anlage zum kontaktlosen Durchmischen geschmolzenen Metalles.
Zwangsweise Konvektion des geschmolzenen Metalles wird weitgehend zum Intensivieren metallur gischer Verfahren angewandt und ist besonders wichtig für die Gewinnung von Halbleitermaterialien und Fein metallen.
Die bei den meisten metallurgischen Verfahren in der flüssigen Phase auftretenden Konzentrations- und Temperaturgradienten vermindern die Effektivität der Verfahren und gestatten nicht, vollkommen die Be triebsausrüstung auszunutzen. Bei zwangsweiser Kon vektion werden die Gewinnungsverfahren bedeutend intensiviert.
Zum Durchmischen von Metallen in der flüssigen Phase werden meistens mechanische Mischer ver wandt, die direkt in das Arbeitsmedium eingeführt werden. Die Verwendung derartiger Vorrichtungen bei metallurgischen Verfahren wird durch die Wechselwir kung des Mischerwerkstoffes und des geschmolzenen Metalles sowie durch die dabei erforderlichen kompli zierten Hilfseinrichtungen sehr erschwert.
Weit verbreitet ist das Durchmischen mittels Bar- botage, wobei Gasblasen von unten nach oben im ge schmolzenen Metall aufsteigen und die Konvektion in der flüssigen Phase intensivieren.
Jedoch fand die Barbotage beim Durchmischen von Feinmetallen keine Verwendung, da die hierbei erforderlichen Vorrichtungen praktisch ungeeignet sind und da ein grosser Teil der Verfahren zur Gewinnung von Feinmetallen im Vakuum vor sich geht. Die Versuche des amerikanischen Hüttenfachmannes W. G. Pfann (s. z. B. W. G. Pfann, Zone Melting, N. I. L., 1958) sind wohlbekannt. Dieser verwandte zum Durchmischen von Metall in der Schmelzzone ein Ver fahren, das auf der Wechselwirkung des durch den Rohblock geleiteten Stromes und dem äusseren Magnetfeld besteht.
Jedoch können beim Zuführen des Stromes direkt an die Schmelzmulde wesentliche Schwierigkeiten auftreten, da immer die Gefahr be- steht, dass das Metall durch Stromleitermaterialien verunreinigt wird.
Anlagen zum Durchmischen von Metallen, die Vorrichtungen in Form eines Drehstrommotorständers besitzen, der ein Drehfeld erzeugt, (s. z. B. die Artikel: I. Braun, F. G. Frank, S. Marshall, G. Meyrick, Elec- tromagnetic Stirring in Zone Refining, Philos. Mag., V. 3, Nr. 26, S. 208, 209 [1958] und I. B. Mullin, K.
F. Hulme, The Use of Electromagnetic Stirring in Zone Refining, I. Electron. Contr. V. 4, Nr. 2, S.170<B>...</B> 174 [1958]) zeigten neue Möglichkeiten zum Durchmischen von Metallen, da in diesem Falle der Strom dem Metalle nicht direkt zugeleitet werden muss.
Mullin und Hulme weisen darauf hin, dass bei sol chen Anlagen zum Durchmischen geschmolzenen Zinns und beim gleichen Reinigungsgrad die Kristalli- sationsgeschwindigkeit von 2,5 auf 20 cm/h erhöht und folglich die Produktionsleistung achtmal vergrössert wird.
Bei der in den zitierten Artikeln beschriebenen Anlage befindet sich der Drehstrommotorständer, der das Drehfeld erzeugt, beim zonalen Schmelzen von Metall ausserhalb der Heizeinrichtung, von der er durch einen wassergekühlten Spezialmantel getrennt ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine kompakte und betriebssichere Anlage zum kontaktlo sen Durchmischen geschmolzenen Metalles zu schaf fen, bei der das Drehfeld effektiver als bei den bekann ten Anlagen ausgenutzt wird.
Bei der erfindungsgemässen Anlage wird das Dreh feld durch einen mit Einphasenstrom gespeisten Elek tromagnet erzeugt, dessen Magnetleiter gespaltete Pole besitzt, die kurzgeschlossene Ringe tragen und eine Mulde mit dem geschmolzenen Metall umfassen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an hand der Zeichnung erläutert.
In der Fig. 1 ist der Querschnitt einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemässen Anlage sche- matisch gezeigt. Fig.2 zeigt den Längsschnitt eines Teiles dieser Anlage und Fig. 3 den Längsschnitt einer bekannten und demselben Zwecke dienenden Anlage (zum Vergleich).
In Fig.1 und 2 wurden folgende Bezeichnungen benutzt: 1-Magnetleiter des Elektromagnets; 2-gespaltete Pole; 3-Wicklung des Elektromagnets; 4-kurzgeschlos- sene Kupferringe; 5-Quarzrohr; 6-Graphitmulde; 7-ge- schmolzenes Metall; 8-hartes Metall;
9-Wärmeisolie- rung; 10-Erhitzer; 11-Wärmeschirm aus nichtferroma- gnetischem Material, insbesondere wassergekühlter Schirm.
Auf dem Magnetleiter 1 mit den gespalteten Polen 2 sitzt eine Wicklung 3, die an die Einphasenstrom quelle angeschlossen ist. Auf einem Teil der beiden gespalteten Pole 2 liegen die kurzgeschlossenen Kup ferringe 4 auf. Dank dieser Ringe, in denen Strom in duziert wird, dessen Phase wesentlich von der des Hauptstromes, der die Wicklung 3 speist abweicht, ent steht ein Drehfeld, das durch das geschmolzene Metall geht, welches sich in unmittelbarer Nähe der Elektro magnetpole befindet. Das entstandene Drehfeld ge währleistet das Durchmischen des geschmolzenen Metalles 7, das sich in der Graphitmulde 6 befindet, die in einem vakuumierten Quarzrohr 5 sitzt.
Aus dem Vergleich der beschriebenen Anlage mit einer schon früher bekannten und in Fig. 3 gezeigten Anlage ist folgendes ersichtlich: Bei der bekannten Anlage, die in Form eines Asynchrondrehstrommotor- Ständers ausgeführt ist und ein Gehäuse 12 mit Spulen 13, wassergekühlten Schirm 11a, der den ganzen Erhit zer 10a umfasst, und eine massive Wärmeisolierung 9a besitzt, die im gegebenen Falle zwischen den Spulen 13 und dem Erhitzer 10a untergebracht ist, kann das Magnetfeld zum Durchmischen des Metalles nicht effektiv ausgenutzt werden, da der Abstand zwischen den Elektromagnetspulen und dem geschmolzenen Metall gross ist,
was wiederum eine bedeutende Feld streuung zur Folge hat. Der wassergekühlte Schirm, der den Erhitzer konzentrisch umfasst, gestattet nicht, letzteren effektiv auszulasten.
Im Gegensatz hierzu ermöglicht der in der erfin- dungsgemässen Anlage zur Erzeugung eines Drehfeldes verwandte Elektromagnet mit einer Spule, die vom Erhitzer relativ weit entfernt ist, den Magnetleiter der artig an den Erhitzer heranzuführen, dass die gespalte ten Magnetpole die Schmelzmulde in unmittelbarer Nähe der Schmelzzone umfassen und damit die Streu ung des Magnetfeldes auf ein Minimum zurückführen und trotz geringeren Energiebedarfs des Elektromagne ten das geschmolzene Metall effektiver durchgemischt wird.
Hierbei besteht die Möglichkeit, nur einen wasser gekühlten Schirm zu verwenden, der wie in Fig. 2 ge zeigt angeordnet wird, wobei der Nutzeffekt des Erhit- zers wächst.
Mit der erfindungsgemässen Anlage angestellte Versuche haben gezeigt, dass auch die Verzerrung des Magnetfeldes eine effektivere Durchmischung des ge schmolzenen Metalles zur Folge hat, Dank dieser Verzerrung fällt die Drehfeldebene nicht mit der senk recht zur Längsachse der Quarzröhre stehenden Ebene zusammen, was durch die asymmetrische Anordnung der Pole und der auf ihnen aufgesetzten, kurzgeschlos senen Ringe bedingt wird.
Ausserdem können bei der Ausführung der erfin- dungsgemässen Anlage ihre Aussenmasse im Vergleich mit den bekannten Anlagen wesentlich vermindert wer den.
Die beschriebene Anlage ist, wie die durchgeführ ten Versuche gezeigt haben, nicht nur hoch effektiv, sondern auch vollauf betriebssicher.