Flüssigkeitsgekühlter Tiegel Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten Tiegel, dessen Wand von Metallrohren hoher elektri scher und thermischer Leitfähigkeit gebildet und der zum Schmelzen des Schmelzgutes im Hochfrequenzfeld einer Induktionsspule angeordnet ist, wobei nach dem Hauptpatent die Tiegelwand aus parallel nebeneinan der angeordneten Rohrabschnitten besteht, von denen einige ins Innere des Tiegels einspringende Teile auf weisen, welche den Tiegelboden bilden, und wobei der Abstand der Rohre so gering bemessen ist, dass das ge schmolzene Schmelzgut die Tiegelwand nicht durch dringen kann.
Solche Tiegel dienen der Hitzebehandlung von elektrisch leitendem Material, insbesondere zum Schmelzen und Wärmebehandeln von solchen Materia lien, die in heissem Zustand stark reaktionsfähig sind und daher während der Wärmebehandlung einer Ver unreinigung durch das Tiegelmaterial unterworfen sind. Beispiele solcher Materialien, die in erhitztem, also ge schmolzenen oder bei erhöhter Temperatur festen Zu stand stark reaktionsfähig sind, sind die Metalle Nile kel, Titan, Zirkon, Stahl, Chrom, Molybdän, Wolfram, Uran und einige Halbleiter, besonders Silicium.
Wenn ein Tiegel der eingangs erwähnten Bauweise Bestandteil einer Vorrichtung zum Hitzebehandeln elektrisch leitfähigen Materials ist, umgibt eine primäre Induktionsspule, die schmaler als die Länge des die Füllung enthaltenden Tiegelvolumens ist, den Tiegel, um als Quelle hochfrequenten Stroms zu dienen, wenn sie mit einer geeigneten Stromquelle verbunden wird. Dadurch werden in jedem Rohrabschnitt der Tiegel wand und in der im Tiegel befindlichen Füllung aus leitfähigem Material Oberflächenströme induziert, so dass die Füllung in einer schmalen horizontalen Zone gegebenenfalls über deren Schmelzpunkt hinaus erhitzt wird, wobei durch die Rohrabschnitte eine Kühlflüssig keit, beispielsweise Wasser fliesst.
Die Öffnung am Tiegelboden erleichtert das Ablas sen der Tiegelfüllung durch Lokalisieren der Induk tionsspule an der Öffnung und durch Anlegen einer zum Erhitzen über den Schmelzpunkt der Füllung aus reichenden Hochfrequenzleistung.
Es wurde jedoch gefunden, dass aufgrund der Formgebung der den Tiegelboden bildenen Rohrab schnitte der Betrag der in die Füllung eingekoppelten Leistung nicht völlig ausreichend ist, so dass das Ab lassen der Tiegelfüllung am Boden nur stossweise vor sich geht. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, diesen Nachteil zu beheben.
Der flüssigkeitsgekühlte Tiegel des Hauptpatentes wird daher zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsge- mäss so ausgebildet, dass der Tiegelboden eine von den den Tiegelboden bildenden Rohrendabschnitten be grenzte Öffnung besitzt, und dass ein Konzentrations ring die Öffnung umgibt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Konzentrationsring hohl ist und die den Tie- gelboden bildenen Rohrendabschnitte im Konzentra tionsring enden.
Unter einem Metall mit hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit wird für die Zwecke dieser Beschreibung ein Metall mit einer Wärmeleitfähigkeit von. nicht weniger als
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und einem spezifischen elektrischen Widerstand von nicht mehr als 2,665. 10-e Ohm cm bei 0 C verstan den. Silber, Gold und Kupfer sind solche Metalle, wovon Silber bevorzugt wird, da es zur Verminderung des durch Strahlung aus dem Schmelzgut entstehenden Wärmeverlustes besonders gut poliert werden kann. Es können Legierungen dieser Metalle oder eine Oberflä chenschicht des einen Metalls, wie z. B. Silber, auf aus einem anderen Metall, wie z. B. Kupfer, gefertigten Teilen verwendet werden.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun in Zusammenhang mit den in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert: Fig. 1 zeigt die Seitenansicht eines Tiegels nach der Erfindung; Fig. 2 zeigt einen Querschnitt des Tiegels nach Fig. 1 entlang der Linie A -A, Fig. 3 zeigt die Unteransicht des Tiegels von Fig. 1; Fig. 4 zeigt die Seitenansicht einer Hitzebehand lungsvorrichtung, die den in den vorangehenden Figu ren gezeigten Tiegel enthält.
Der in den Fig. 1, 2 und 3 gezeigte Tiegel ist aus einem kreisförmigen Bündel silberplattierter Kupfer rohre gefertigt, die zur Verhütung des Entweichens von Schmelzgutmaterial genügend dicht nebeneinander bei spielsweise 1,6 mm voneinander getrennt, angeordnet sind. Die Achsen der Rohre sind senkrecht am Umfang des Tiegels angeordnet. Der Tiegel hat einen solchen inneren Durchmesser und eine solche Länge, dass er eine Füllung von ungefähr 1 kg aufnehmen kann.
Ein ringförmiger Kühlflüssigkeitverteilungskopf 1 besitzt einen Einlass 2 und einen Auslass 3. Einander gegenüber liegend im Verteilungskopf angeordnete Platten (nicht gezeichnet) begrenzen eine Einlass- und eine Auslasskammer. Der innere Durchmesser d des ringförmigen Verteilungskopfes ist grösser als der innere Durchmesser des Tiegels, damit der Tiegel von oben gefüllt werden kann.
Der Unterfläche des Verteilungskopfes sind 12 Rohrabschnitte 4A von kreisförmigem Querschnitt symmetrisch zugeordnet, wovon die Hälfte mit der Einlasskammer und die andere Hälfte mit der Auslass- kammer in Verbindung steht. Die Rohrabschnitte sind am Anfang des die Füllung enthaltenden Tiegelab schnitts einwärts gebogen und bilden so, dicht neben einander mit geringem Abstand verlaufend, die Tiegel wand. Die Rohrabschnitte 4B sind vorzugsweise auf der Innen- und Aussenseite abgeflacht, wie in Fig. 2 gezeigt, und zwar über die Länge des die Füllung ent haltenden Tiegelabschnitts, um einen grösseren Durch messer des die Füllung enthaltenden Volumens für einen vorgebenen Ausgangsdurchmesser der Rohrab schnitte zu erhalten.
Der Boden des Tiegels wird von den Endabschnit- ten 4C der Rohrabschnitte gebildet, die ihrerseits wie derum so geformt sind, dass sie sich einwärts gegenein ander erstrecken und so zusammen eine lichte Öffnung 5 begrenzen, die genügend eng ist, um festes Füllmate rial am Hindurchtreten zu hindern. Die erforderliche Grösse der Öffnung 5 wird von der Grösse der festen Teilchen des Füllmaterials bestimmt und ist eine Funk tion des Durchmessers und der Anzahl der den Tiegel bildenden Rohrabschnitte.
Die Enden der Rohrendabschnitte 4C sind an der oberen Oberfläche eines Konzentrationsrings 6 befe stigt, der aus demselben Material wie die Rohre, wie z. B. silberplattiertes Kupfer, besteht. Der Konzentra tionsring 6 besitzt einen radialen Schlitz 7. Um die ge wünschte Öffnungsgrösse zu erhalten und auch um die Enden der Rohrendabschnitte 4C so eng wie möglich mit dem inneren Umfang des Konzentrationsrings 6 zu verbinden, ist es nötig, wie in Fig. 2 gezeigt, die Seiten der Rohrendabschnitte 4C abzuflachen. Jeder Rohrend- abschnitt 4C steht mit dem Innenraum des Konzen trationsrings in Verbindung, so dass die Kühlflüssigkeit auch den Konzentrationsring kühlen kann. Die zentrale Öffnung 8 des Konzentrationsrings ist vorzugsweise zu gespitzt, wie es aus Fig. 1 klar ersichtlich ist.
Der an der bodenseitigem Ablassöffnung ange brachte Konzentrationsring 6 ermöglicht es, in diese Zone zum Zweck ausreichenden Schmelzens der Fül lung genügend Leistung einzukoppeln; zusammen mit der oberhalb des Konzentrationsrings angeordneten In duktionsspule friert der Konzentrationsring das Füll material und verhindert somit das Ausfliessen.
Bei Anlegen einer Hochfrequenzspannung an die Induktionsspule erzeugen die Magnetfelder, die auf grund der umlaufenden Ströme in der Tiegelwand und somit in der Füllung induziert werden, eine Material- abstossung zwischen der geschmolzenen Zone der Fül lung und den benachbarten Oberflächen des Tiegels. Wenn die Stromdichte ausreichend hoch ist, wird die Füllung von den benachbarten Tiegeloberflächen abge hoben. Das Nichtvorhandensein einer Berührung zwi schen der geschmolzenen Füllung und dem Tiegel ver mindert stark die Wärmeverluste der Füllung und schliesst auch sehr wirksam die Möglichkeit von Ver unreinigungen der Füllung durch das Tiegelmaterial aus.
Die in Fig. 5 gezeigte Vorrichtung zur Festkörper reinigung von Chrom, der das Ablasen der gereinigten Füllung am Boden folgt, besteht aus einem Tiegel 10, der so ausgebaut ist, wie es schon in Zusammenhang mit der Erläuterung der Fig. 1, 2 und 3 beschrieben wurde. Der Tiegel wird an seinem oberen Ende in einer mit einer Öffnung versehenen Plattform 11 gehal tert, von der aus sich eine Kammer 12 erstreckt, die ihrerseits eine zum Füllen des Tiegels entfernbare Deckplatte 13 besitzt. Es sind geeignete Gasdichtungen 14 und 15 zwischen der Kammer 12 und der Plattform 11 sowie zwischen der Kammer 12 und der Deckplatte 13 vorhanden.
Von der Kammer 12 geht ein Gaseinlass- (oder -auslass)-rohr 16 aus. Wasserleitungen 17 und 18 sind mit den Einlass- und Auslasskammern 19 und 20 des Kühlmittelverteilkopfs des Tiegels verbunden, so dass Wasser durch die Tiegelrohre und durch den Zentner ring zirkulieren kann.
Ein Quarzrohr 21 umgibt den Tiegel und erstreckt sich zwischen einer Gasdichtung 22 an der Plattform 11 und einer Gasdichtung 23 an der Grundplatte oder dem Tisch 24. Das Gaseinlass-(oder -auslass)-rohr 25 erstreckt sich in das Quarzrohr hinein. Ferner ist ein Behälter 25 aus geeignetem Material zur Aufnahme des geschmolzenen Füllmaterials aus dem Tiegel vor handen. Dieser Behälter 26 kann eine Form zum direkten Ablassen sein.
Das Quarzrohr wird von einer primären Induk tionsspule 27 umgeben, die mit einer Hochfrequenz stromquelle 28 verbunden ist. Ferner sind nicht ge zeigte Mittel vorhanden, um eine relative axiale Ver schiebung zwischen dem Tiegel und der Induktions spule 27 vornehmen zu können, entweder durch Bewe gung der Spule 27 in Bezug auf den Tiegel oder durch Bewegung des Tiegels in Bezug auf die Spule. Im spe ziellen Beispiel wird der Tiegel mit einer Füllung aus teilweise gereinigtem Chrom in Form einer verdichte ten Masse aus, irregulär geformten Stücken gefüllt. Durch die Rohre 16 und 25 der zusammengesetzten und abgedichteten Vorrichtung nach Fig.4 wird Was serstoff oder ein anderes geeignetes reduzierendes Gas bei geeignetem Druck hindurchgeleitet, um eine redu zierende Atmosphäre zu erhalten.
Die Primärspule 17 wird so erregt, dass die Temperatur des Chroms in einer der Spule benachbarten Zone bis auf eine Tem peratur von etwa 1400 C ansteigt, d. h. bis unter den Schmelzpunkt von Chrom.
Durch relative Verschiebung der Spule bezüglich des Tiegels wird diese Hochtemperaturzone entlang der genzen Länge der Chromfüllung verschoben, woraus sich ein Entfernen von jeglichen Spuren von Sauerstoff aus dem Chrom durch die reduzierende Atmosphäre ergibt.
Nach dieser Behandlung wird die Spule 27 am Konzentrationsring 6 angeornet und ausgerichtet, wodurch die Temperatur der Füllung in dieser Zone bis oberhalb des Schmelzpunktes. angehoben wird. Die geschmolzene Füllung läuft kontinuierlich aus dem Tiegelboden in den Behälter 26.