DE1025631B

DE1025631B - Verfahren zur Raffination eines laenglichen Metallkoerpers nach dem Zonenschmelzverfahren

Info

Publication number: DE1025631B
Application number: DEW18694A
Authority: DE
Inventors: Frederick Charles Hull; Porter Hiscock Brace; George Comenetz; Alexander Waldemar Cochardt
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1955-03-30
Filing date: 1956-03-20
Publication date: 1958-03-06
Also published as: US2743199A; FR1148962A; GB818179A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Raffination und insbesondere auf die Raffination von Metallen nach dem Zonenschmelzverfahren.

Es ist bereits bekannt, Metalle zonenartig in der Weise zu raffinieren, daß sie in einem Schiff oder in einem anderen Behälter aus feuerfestem Material langsam durch eine Induktionsspule geführt werden, die einen schmalen Abschnitt des Metalls schmilzt. Bei einem Problem, das bei vielen Metallen, die auf diese Weise nach dem Zonenschmelzverfahren raffinert werden, besteht die Gefahr, daß das geschmolzene Metall durch seine Berührung mit dem feuerfesten Werkstoff des Schiffes, der ein keramisches Material, Graphit oder ein Metall sein kann, verunreinigt wird. Manche Metalle sind im geschmolzenen Zustand außerordentlich reaktionsfähig und reagieren mit bzw. lösen fast jedes bekannte Material, das als feuerfester Behälter zur Aufnahme des geschmolzenen Metalls verwendet werden kann. Teilchen des feuerfesten Behälters werden daher manchmal mechanisch in der Schmelze eingeschlossen, was sich nachteilig auf bestimmte Verwendungszwecke des Metalls auswirkt.

Ein weiteres Problem besteht darin, daß die Raffination nach dem Zonenschmelzverfahren in der bisher geübten Art auf verhältnismäßig kleine Metallkörper angewandt worden ist. Gewöhnlich ist ein Metallkörper, der in der bisherigen Weise im Zonenschmelzverfahren raffiniert wird, nicht größer als 2,5 cm im Durchmesser und oft noch kleiner. Für viele Zwecke ist es jedoch wünschenswert, daß die zu raffinierenden Metallkörper einen wesentlich größeren Durchmesser von etwa 5 bis 15 cm oder entsprechende Ouerschnittsabmessungen haben, wenn ihr Querschnitt nicht kreisförmig ist. Bisher ist kein zufriedenstellendes Verfahren für die Behandlung verhältnismäßig großer Metallmassen von solchen Abmessungen bekannt.

Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zum Raffinieren eines länglichen festen Körpers aus Metall nach dem Zonenschmelzverfahren, ohne daß irgendein Teil des geschmolzenen Metalls während der Behandlung mit einem festen Körper in Berührung kommt, und das im wesentlichen darin besteht, daß der längliche Körper erhitzt wird, um eine Zone im Inneren des länglichen Körpers an einem gegebenen Querschnitt zu schmelzen, wobei die Schmelzzone in ihre Länge einen kleinen Bruchteil der Gesamtlänge des länglichen Körpers beträgt, während die Außenschicht des länglichen Körpers auf einer Temperatur unter dem Schmelzpunkt des Metalls gehalten wird, so daß die feste Außenschicht die geschmolzene Innenzone begrenzt, und die Erhitzung des länglichen Körpers fortschreitend so verändert wird, daß das Innere des Körpers an einem nachfolgenden, dem einen Ende der Zone benachbarten Teil geschmolzen wird und ein Teil des geschmolzenen Metalls am entgegengesetzten Ende der Zone erstarrt, so daß sich die Schmelzzone allmählich den länglichen Körper entlangbewegt unddadurch Verfahren zur Raffination

eines länglichen Metallkörpers

nach dem Zonenschmelzverfahren

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation,
East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. G. Weinhausen, Patentanwalt,
München 22, Widenmayerstr. 46

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 30. März 1955

Frederick Charles Hull, Porter Hiscock Brace,
George Comenetz und Alexander Waldemar Cochardt,

Pittsburgh, Pa. (V. St. Α.),
sind als Erfinder genannt worden

ein Raffinieren des inneren Teils des länglichen Körpers stattfindet.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese in Verbindung mit der Zeichnung an Hand beispielsweiser Ausführungsformen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch einen in der Raffination nach dem Zonenschmelzverfahren befindlichen Stab,

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform der Vorrichtung zur Raffination nach dem Zonenschmelzverfahren,

Fig. 3 eine Ansicht im Schnitt nach der Linie III-III der Fig. 2,

Fig. 4 einen senkrechten Schnitt durch eine andere Ausführungsform der Vorrichtung zur Raffination nach dem Zonenschmelzverfahren,

Fig. 5 einen senkrechten Schnitt durch einen Käfigapparat zur Raffination nach dem Zonenschmelzverfahren,

Fig. 6 eine Endansicht des nach dem Zonenschmelzverfahren raffinierten Körpers der Fig. 5,

Fig. 7 eine Endansicht einer anderen Stabform,

Fig. 8 einen Aufriß, teilweise im Schnitt, einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung zur Raffination nach dem Zonenschmelzverfahren gemäß der Erfindung und Fig. 9 eine teilweise Seitenansicht eines Getriebes.

Das Zonenschmelzverfahren gemäß der Erfindung kann auf verschiedene Metalle angewendet werden. Nach-

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folgend sollen unter "Metall« außer jeglichen Metallen Verlagerung der Zufuhrstelle des elektrischen Stroms, auch Metalloide, wie Silicium und Germanium, und daß die Schmelzzone im Innern des länglichen Körpers besondere Arten von Metallegierungen verstanden werden. fortschreitend bewegt wird, um mehr vom Innern des Metalle, die nach dem Zonenschmelzverf ahren gemäß der Körpers an dem einen Ende der Schmelzzone zu schmelzen. Erfindung raffiniert werden können, sind beispielsweise 5 Am entgegengesetzten Ende der Schmelzzone erstarrt das Titan, Zirkon, Molybdän, Uran, Chrom, Eisen und Vana- geschmolzene Metall. Die Schmelzzone bewegt sich daher dium. Der Ausdruck »Verunreinigungu bezeichnet einen im Innern fortschreitend längs des Metallkörpers. Beim geringfügigen Bestandteil, der aus dem Hauptkörper des Wandern durch das Innere des länglichen Körpers nimmt Metalls entfernt oder ausgeschieden werden soll. die Schmelzzone Verunreinigungen auf, die im geschmol-

Das Zonenschmelzverfahren zur Raffination eines i° zenen Metall leichter löslich sind als im festen Metall, und Metalls hat die Konzentration und Ausscheidung von hält diese fest. Ein einziger Durchgang der Schmelzzone Verunreinigungen zum Ziel. Wenn C₈ die Löslichkeit durch den länglichen Körper ergibt dahei ein Inneres, das einer Verunreinigung in festem Stoff und C₁ die Löslich- hinsichtlich der ursprünglichen Mengen der Bestandteile, keit in flüssigem Stoff ist, bestimmt das Verhältnis dieser welche in der geschmolzenen Phase stärker löslich sind, Löslichkeiten den Verteilungskoeffizienten 15 gereinigt ist. Am einen Ende des länglichen Körpers ergibt

Q sich ein kleiner Innenteil, der zuletzt erstarrt und daher

A' = ~- ' die konzentrierten Verunreinigungen enthält.

¹ Das Raffinieren nach dem Zonenschmelzverfahren

der zur Beschreibung von Zonenschmelzverfahren ver- kann, beginnend mitJdemjenigen Ende des länglichen wendbar ist. Für die meisten Verunreinigungen ist K 2° Körpers, das dem zuletzt erstarrten Teil der vorankleiner als 1, und die Verunreinigungen werden im gehenden Raffinationsbehandlung am weitesten abgelegen flüssigen Stoff konzentriert und zum Abschlußende des ist, wiederholt werden. Beim zweiten Wandern der zu raffinierenden Körpers verdrängt. Wenn K größer als 1 Schmelzzone im Innern des länglichen Körpers werden ist, ist die Verunreinigung in festem Stoff löslicher und die Verunreinigungen in ihrer Menge weiter herabgesetzt, wird am Anfangsende des Stabes konzentriert. In einem 25 Die Wiederholung des Verfahrens ermöglicht eine Reinigegebenen Material können natürlich beide Arten von gung des Innenteils des länglichen Körpers bis zu einem Verunreinigungen vorhanden sein. Je weiter K nach oben Grad, der um so höher ist, je weiter K von 1 abweicht, oder unten von 1 abweicht, desto wirksamer ist die bis eine berechenbare Grenzverteilung erreicht ist. Bei Reinigung je Behandlungsdurchgang und desto geringer handelsüblich gereinigtem Silicium und Germanium z. B. ist die Grenzverteilung. In der folgenden Beschreibung 30 kann das Metall nach fünf- bis zehnmaliger Schmelzbewird nur der Fall behandelt, bei welchem K kleiner als 1 handlung eine solche Reinheit erhalten, daß weniger als ist, doch soll der Fall, daß K größer als 1 ist, oder eine 1 Teil Verunreinigung je 100 000 000 Teile Silicium oder Kombination beider Fälle nicht ausgeschlossen sein. Bei Germanium vorhanden ist.

Vorliegen der letztgenannten Fälle können die raffinierten Nachdem das Zonenschmelzverfahren für das Erzielen

Stäbe durch entsprechendes Zuschneiden und Abtrennen 35 des gewünschten Reinigungsgrads des Innern des längder Enden, in welchen sich die Verunreinigungen ausge- liehen Körpers durchgeführt worden ist, kann der Körper schieden haben, behandelt werden. einer mechanischen Bearbeitung oder einem anderen Ver-

Kleine Mengen von Verunreinigungen von der Größen- fahren zur Entfernung seiner äußeren Teile unterzogen Ordnung von weniger als 0,1 % können zu einem ver- werden, die nicht der Behandlung ausgesetzt waren. Derschwindenden Bruchteil eines Prozents durch öfteres, 40 jenige innere Schmelzteil, in welchem die Verunreinigungen z. B. fünf- oder sechsmaliges Raffinieren nach dem Zonen- durch die zuletzt erstarrte Schmelzzone des Metalls in schmelzverfahren eines gegebenen länglichen Körpers des konzentrierter Form abgelagert wurden, wird ebenfalls Metalls herabgesetzt werden. In vielen Fällen können von dem übrigen Teil des Körpers entfernt. Der auf diese bestimmte Legierungsbestandteile, die in beträchtlichen Weise erhaltene verbleibende Stab aus raffiniertem Metall Mengen bei nahe bei 1 liegenden Werten von K vorhanden 45 ist für viele Gebrauchszwecke und Anwendungsformen sind, durch mehrmaliges Raffinieren nach dem Zonen- geeignet.

schmelzverfahren geringfügig verringert werden, sie Der ungeschmolzene äußere Teil des raffinierten längwerden jedoch nicht so stark verringert wie die Verun- liehen Körpers wird als Begrenzungs- oder Haltemittel reinigungen, deren Ä'-Werte im allgemeinen viel kleiner für das geschmolzene Metall verwendet. Eine wichtige als 1 sind. 5° Funktion des festen äußeren Teiles des länglichen Körpers

Beim Raffinieren nach dem Zonenschmelzverfahren besteht jedoch darin, daß er dazu dient, eine Reaktion besteht die Neigung, die Verunreinigungen an dem einen zwischen dem geschmolzenen Metall und einem fremden oder dem anderen Ende des länglichen Körpers auszu- Schmelztiegelmaterial zu verhindern, für die bei hochscheiden oder zu konzentrieren, je nachdem, ob K größer reaktionsfähigen Metallen, wie z. B. Titan, Silicium, oder kleiner als 1 ist. Nach Abschluß des Verfahrens 55 Zirkon und Uran, eine besonders hohe Neigung besteht, werden daher das oder die Enden des Körpers, in welchen Ein weiteres Anwendungsgebiet besteht für das Schmelzen sich die Verunreinigungen konzentriert haben, von dem und Reinigen von Metallen, die einen außerordentlich raffinierten Hauptkörper des Metalls abgetrennt. hohen Schmelzpunkt haben, wie Molybdän und Wolfram,

Gemäß einer Ausführungsfoim der Erfindung wird der für welche keramische Schmelztiegel nicht geeignet sind, zu raffinierende längliche Metallkörper durch Einleiten ^6o Bekanntlich besteht eines der Hauptprobleme bei der von elektrischem Strom erhitzt, wobei der elektrische Herstellung von Körpern aus diesen reaktionsfähigen Strom in einem gegebenen Querschnitt des länglichen Metallen darin, die Verunreinigung solcher Metalle im Körpers eine solche Stromdichte erreicht, daß das Metall geschmolzenen Zustand zu verhindern, welche durch im Innern dieses Querschnitts dadurch über den Schmelz- Berührung mit einem festen Stoff, ja sogar mit einer Gaspunkt erhitzt wird, während der äußere Teil des Metall- ⁶S atmosphäre verursacht werden kann. Die erwähnten körpers wegen der Wärmeverluste durch Strahlung und Metalle reagieren mit Sauerstoff, Stickstoff, Wasser und Kühlung ungeschmolzen bleibt und das feste Äußere einen anderen Bestandteilen der Luft und nehmen sie auf. Auch begrenzenden, stützenden und schützenden Mantel für Wasserstoff wird oft in diesen Metallen gelöst und reagiert das geschmolzene Metall im Innern bildet. Die Erhitzung leicht mit ihnen. Spuren von Verunreinigungen in einem wird dann fortschreitend so verändert, gewöhnlich durch 7° indifferenten Gas werden durch die genannten Metalle

leicht absorbiert. Daher sind die im Handel erhältlichen üblichen Gase für den Kontakt mit diesen Metallen im geschmolzenen Zustand nicht befriedigend. Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung dient das feste äußere Metall zur Abschirmung des geschmolzenen Metalls gegen jedes Gas, das um die Körper herum während des Zonenschmelzverfahrens vorhanden sein kann. Das Verfahren kann daher in vielen Fällen in der gewöhnlichen Atmosphäre durchgeführt Statt der gezeigten Rollen 12 und 14 können natürlich auch Backen oder andere Gleitkontaktelemente verwendet werden. Die Kontaktrollen oder -backen können aus Kupfer, Silber oder anderen geeigneten Kontaktmaterialien bestehen. Die Rollen 12 und 14 können mit Wasserkühlung versehen sein, um sie auf einer geeigneten Temperatur zu halten. Der elektrische Strom kann je nach Wunsch Wechselstrom oder Gleichstrom sein.
Der in Fig. 1 gezeigte längliche Körper 10 kann einen

werden, schlimmstenfalls jedoch in einem Mantel eines im io kreisförmigen, rechteckigen, sechseckigen oder einen anderen geeigneten Querschnitt haben. Es können auch mehr als ein einziges Paar Kontaktglieder verwendet werden. Wenn der längliche Körper 10 einen viereckigen Querschnitt hat, können an einem gegebenen Querschnitt zwei 15 Paare von Kontaktrollen aufgesetzt werden, und zwar das eine Paar in Kontakt mit der Oberseite und der Unterseite und das andere Paar in Kontakt mit den Seiten des viereckigen Körpers.
In Fig. 2 ist eine andere Ausführungsform der Wider

Handel erhältlichen und billigen Gases, das nicht von außerordentlich hoher Reinheit zu sein braucht.

In Fig. 1 ist eine Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des Zonenschmelzverfahrens gemäß der Erfindung dargestellt, bei welchem eine Widerstandserhitzung angewendet wird. Der im Zonenschmelzverfahren zu raffinierende längliche Körper 10 des Metalls wird nach links zwischen Kontaktrollen 12 und 14 hmdurchgeführt, die durch Leitungen 16 mit einer Stromquelle 18 verbun

den sind. Zwischen den Rollen 12 und 14 wird ein elek- 20 standsheizvorrichtung zur Durchführung des Zonentrischer Strom hindurchgeleitet, der ausreicht, das Innere Schmelzverfahrens auf einem runden Stab dargestellt.

des Stabes zu erhitzen, so daß an demjenigen Querschnitt ■des länglichen Stabes, der sich unmittelbar zwischen den Kontaktteilen der Rollen 12 und 14 befindet, eine Temperatur erzeugt wird, die ausreicht, den Innenteil des Körpers zum Schmelzen zu bringen, so daß sich

Der längliche Körper 30 von kreisförmigem Querschnitt ist zwischen einem ersten Paar von Kontaktrollen 32, 34 angeordnet, die sich vor einem weiteren Paar Kontaktrollen 36 und 38 befinden. Die Rollen 32 und 34 sind mit der einen Klemme einer geeigneten elektrischen Stromquelle 40 verbunden, während die Kontaktrollen 36 und 38 mit der anderen Klemme der Stromquelle 40 verbunden sind. Der elektrische Strom nimmt daher seinen Weg von

so daß sich eme

Schmelzzone 20 bildet. Es wird nur eine solche Strommenge aufgewendet, die ausreicht, lediglich das Schmelzen des inneren Teils 20 zu gewährleisten, während die

Außenschicht des Körpers gekühlt wird, beispielsweise 30 den Kontaktrollen 32 und 34 über den länglichen Kördurch Strahlung oder durch Anblasen mit Luft oder Gasen per 30 zu dem zweiten Paar Kontaktrollen 36 und 38. Der oder in manchen Fällen sogar durch Abschreckmittel, wie Fluß des elektrischen Stroms ist auf ein Volumen zwischen durch wassergekühlte Backen oder durch wassergekühlte den Rollen konzentriert und führt zur Erhitzung des Innen-Stromkontaktrollen, um die Temperatur der Außen- teils des Körpers 30, so daß sich eine Schmelzzone 42 bildet, schicht wesentlich unter dem Schmelzpunkt des Metalls 35 welche durch die feste Außenschicht des Körpers begrenzt zu halten. Durch Bewegen des länglichen Körpers 10 nach ist. Um die Außenschicht in festem Zustand zu halten, links wird durch den elektrischen Strom der innere Teil
des rechten Endes der Schmelzzone 20 geschmolzen,
während das linke Ende der Schmelzzone 20 erstarrt und
einen Mittelkern 26 aus gereinigtem Metall bildet. Die 40
Verunreinigungen werden in der Schmelzzone 20 in einem
Ausmaß ausgeschieden, das von ihren Ausscheidungs

koeffizienten abhängt. Daher wird bei der langsamen und fortschreitenden Bewegung des länglichen Gliedes nach links die Schmelzzone 20 immer mehr durch Verunreinigungen angereichert. An einem Punkt 28 in der Nähe des rechten Endes des Körpers 10 kann schließlich die Stromzufuhr zu den Rollen 12 und 14 abgeschaltet werden, so daß die Schmelzzone erstarren kann. Der bei 28 befind-

45 kann die normale Wärmestrahlung dienen oder Anblasen mit Gas vorgesehen werden. Bei der Abwärtsbewegung des Körpers 30 bewegt sich, wie in Fig. 2 gezeigt, die Schmelzzone 42 nach oben, um an ihrem oberen Ende einen weiteren Innenabschnitt einzuschmelzen, während das gereinigte Metall an ihrem unteren Ende erstarrt, so daß sich im Innenteil des Körpers 30 ein gereinigter Kern 44 ergibt. Die Kontaktrollen 32, 34 und 36, 38 sind auf Achsen 46 angeordnet, die mit Innenleitungen 48 für das Hindurchleiten von Wasser oder einer anderen Kühlflüssigkeit zur Kühlung der Kontaktrollen dienen und um zu verhindern, daß diese durch die hohe Temperatur Schaden leiden. Ein Vorteil dieser Ausführungs-

liche Teil ist daher durch die Verunreinigungen ange- 50 form der Erfindung gegenüber der in Fig. 1 gezeigten

reichert, die sich während der Zonenschmelzbehandlung angesammelt haben. Der längliche Körper 10 kann dann einer erneuten Raffination im Zonenschmelzverfahren in der Weise unterzogen werden, daß das linke Ende des Körpers 10 zwischen die Kontaktrollen 12 und 14 eingesetzt, ein elektrischer Strom angelegt und die Behandlung fortgesetzt wird. Nach einer bestimmten Anzahl von Durchgängen ist der Mittelkernteil 24 auf den gewünschten Grad gereinigt. Der Körper 10 kann dann für das

55 besteht darin, daß der Kontaktdruck nicht unmittelbar an der Schmelzzone ausgeübt wird. Auf diese Weise werden die Kontaktrollen weniger stark erhitzt, und die Möglichkeit, daß der Körper eingedrückt wird, ist gering.

In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist der längliche Köiper 50 an seinem unteren Ende mit einer elek

trischen Klemme 52 verbunden, die mit Kühlwasser-Wegnehmen der äußeren Teile 22 sowie der beiden Enden 60 leitungen 54 versehen ist, während das obere Ende des und des Teils 28, in dem sich die Verunreinigungen kon- Körpers 50 mit einer zweiten elektrischen Klemme 56 zentriert haben, bearbeitet werden. Auf diese Weise wird
ein zonenraffinierter Körper von besonders hoher Reinheit
erhalten, der den Kernteil 24 umfaßt.

Es können natürlich mehrere Sätze von Kontaktgliedern, beispielsweise Kontaktrollen der bei 12 und 14 gezeigten Art, auf dem länglichen Körper 10 zur gleichzeitigen Durchführung einer Reihe von Zonenschmelzbehandlungen bei einem einzigen Durchgang des längverbunden ist, die in ähnlicher Weise mit Kühlwasserleitungen 58 versehen ist. Der elektrische Strom wird von einer geeigneten Quelle, beispielsweise von einem Transformator, einer Batterie oder einem Generator, den Klemmen 52 und 56 zugeführt, um das Erhitzen des länglichen Körpers 50 so zu bewirken, daß der innere, der Achse benachbarte Teil nahezu bis zum Schmelzpunkt des Metalls erhitzt wird, ohne daß dieser jedoch erreicht wird.

liehen Körpers zwischen diesen Rollen aufgesetzt werden. 70 Gewöhnlich werden die Außenflächen des länglichen

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Körpers 50 durch natürliche Strahlung gekühlt oder in geführt, das in Form einer Induktionsheizspule, wie bei manchen Fällen dadurch, daß Ströme von kühlenden 100 gezeigt, eine schmale Zone des länglichen verrippten Gasen auf den Körper gerichtet werden, um zu verhindern, Körpers 94 umgibt. Das Rohr 98 ist in an sich bekannter daß dessen Außenflächenteile den Schmelzpunkt er- Weise wassergekühlt. Durch die Induktionsspule 100 wird reichen. 5 ein elektrischer Hochfrequenzstrom, beispielsweise von

Um den länglichen Körper 50 ist ein diesen umgebendes 10 000 Hz, geleitet, so daß im Metallkörper 94 ein Feld Glied 64 angeordnet, das Mittel zur Erhöhung der Tem- induziert wird und dadurch eine schmale Zone des peratur an dem von ihm umgebenen Querschnitt des länglichen Körpers 94 erhitzt wird, so daß eine Innenlänglichen Körpers aufweist. Das Glied 64 kann aus zone 102 des Körpers schmilzt, ohne daß dabei jedoch die Wärmeschutzmaterial bestehen, z. B. aus keramischen io Rippen 96 auf den Schmelzpunkt erhitzt werden. Die oder metallischen Strahlungsabschirmungen aus rost- Rippen 96 bilden daher einen Käfig, innerhalb dessen freiem Stahl, Silber, Molybdän od. dgl. Die Wärmeab- die Schmelzzone 102 gehalten und am Austreten verschirmung 64 dient dazu, daß in einem Teil des Innern hindert wird. Durch das Drehen des Zahnrades 90 wird eine Schmelzzone 66 gebildet wird. Gegebenenfalls kann der Schaft 86 nach oben bewegt, so daß der längliche das Glied 64 mit Heizmitteln versehen sein, z. B. mit 15 Körper 94 angehoben wird und die Schmelzzone alleinem Widerstandsheizelement, das ausreicht, die Tem- mählich nach unten wandert. Dieses Verfahren führt zu peratur des Gliedes so zu erhöhen, daß dessen Wärme einer in einzelnen Schmelzzonen durchgefühtten Raffiauf den eingeschlossenen Körper gestrahlt wird und das nation des Innern des Körpers 94 mit Ausnahme der Schmelzen des Innern des Körpers verursacht, ohne daß Rippen und der oberen und unteren Enden des Körpers. dabei die Außenschicht schmilzt. In manchen Fällen kann 20 Ein einziger Raffinationsdurchgang ergibt bereits eine für das Glied 64 eine Induktionsheizspule verwendet wer- Verbesserung im Metall durch Entgasung und Reinigung, den, die so ausgebildet ist, daß sie einen zusätzlichen Das Verfahren kann mehrere Male wiederholt werden, elektrischen Strom in einem engen Bereich des länglichen um einen geeigneten Reinheitsgrad im Innern des Körpers Körpers erzeugt, den sie umgibt, so daß dessen Tempera- zu gewährleisten.

tür für das Schmelzen der inneren Teile ausreichend weit 25 In manchen Fällen kann ein bestimmtes Gas in die ansteigt. Das Glied 64 ist auf einem Arm 68 angeordnet, Kammer innerhalb der Haube 82 eingeleitet werden, um der im Gewindeeingriff mit einer drehbaren Schnecke 70 dem geschmolzenen Metall den Sauerstoff zu entziehen steht und der mit einer gegabelten Zunge 72 ausgebildet oder ein gewünschtes Reaktionsprodukt oder metallisches ist, die eine senkrechte Stange 74 umgreift. Durch Drehen Material zu erzeugen.

der Schnecke 70 kann das Glied 64 je nach Wunsch an- 30 Die Verwendung von Wechselstrom in der Spule 100 gehoben oder abgesenkt werden, wobei die gegabelte verursacht eine Bewegung des geschmolzenen Metalls, Zunge 72 dazu dient, die Stellung des Gliedes 64 aufrecht- wodurch der Wirkungsgrad des Verfahrens verbessert zuerhalten und dieses zu führen. wird. Die Verwendung einer durch Wechselstrom erregten

Wie in Fig. 4 gezeigt, wird die Schnecke 70 so gedreht, Induktionsspule am Glied 64 bei der Ausführungsform daß das Glied 64 sich langsam nach oben bewegt, so daß 35 nach Fig. 4 hat ebenfalls zur Folge, daß das geschmolzene die Schmelzzone 66 im inneren Teil 60 des Körpers 50 Metall 66 in Bewegung gerät. Auch bei den anderen nach oben wandert. Der Teil 60 ist durch die Außen- beschriebenen Ausführungsformen ergibt die Verwendung schicht 62 des Körpers begrenzt. Wenn das obere Ende von Wechselstrom eine Rüttelwirkung im geschmolzenen des Körpers 50 durch das Glied 64 erreicht worden ist, Metall.

läßt man die Zone 66 erstarren, so daß ein Teil 74 bleibt, 40 Für die Raffination nach dem Zonenschmelzverfahren der die konzentrierten Verunreinigungen enthält. Hierauf in der Vorrichtung nach Fig. 5 geeignete längliche Körper kann das Glied 64 zum unteren Ende des Körpers 50 können aus einem beliebigen Körper von nicht kreisbewegt und das Zonenraffinationsverfahren sooft wie ge- förmigem Querschnitt bestehen, z. B. in der Weise, daß wünscht wiederholt werden. ein um den Mittelpunkt des Querschnitts zur nächsten

Bei den Ausführungsformen nach Fig. 1 bis 4 war die 45 Außenfläche gezogener Kreis Irmenteile einschließt, Schmelzzone nahezu vollständig von der ungeschmolzenen während außerhalb des Kreises befindliche Teile Rippen Außenschicht des behandelten länglichen Körpers be- bilden, die als Käfig für das geschmolzene Metall dienen, grenzt und eingeschlossen. In manchen Fällen kann es Wie Fig. 6 zeigt, hat der längliche Körper 94 der Fig. 5, jedoch wünschenswert sein, die Schmelzzone abzustützen gesehen von dessen einem Ende oder im Querschnitt, und gleichzeitig kleine Flächen derselben zur Entgasung 50 eine Mitte 104, von der aus der Halbmesser 106 zur oder anderweitigen Behandlung des Metalls der Schmelz- nächstenAußenflächeeinenKreiserzeugt.außerhalbdessen zone frei liegen zu lassen. Ein solches Verfahren ist in sich die Rippen 96 befinden. Die Rippen bilden einen Fig. 5 der Zeichnung dargestellt, welche einen Sockel 80 Käfig, um das geschmolzene Metall zu halten, das das zeigt, auf dem eine Haube 82 aus einem geeigneten durch- gesamte Metall innerhalb des eingeschriebenen Kreises sichtigen Material, wie Glas od. dgl., angeordnet ist, die 55 mit dem Halbmesser 106 umfassen kann, eine hermetisch abgedichtete Kammer begrenzt. Durch Für die Raffination nach dem Zonenschmelzverfahren

den Sockel ist eine Leitung 84 geführt, die an eine Vakuum- innerhalb eines Käfigs sind zahlreiche geometrische pumpe angeschlossen sein kann und mit dem Innern der Formen geeignet, beispielsweise ein quadratischer Querdurch die Haube 82 begrenzten Kammer in Verbindung schnitt des länglichen Körpers, wie in Fig. 7 gezeigt. Die steht. In das Innere der Kammer erstreckt sich ein senk- 60 Mitte 104 des Querschnitts ist durch den Halbmesser 106 recht beweglicher Schaft 86, der in einer hermetischen mit der nächsten Außenfläche verbunden. Der durch den Abdichtung im Sockel 80 gleitbar angeordnet ist. Der Halbmesser 106 erzeugte Kreis bildet Ecken 108, die untere Teil des Schaftes 86 ist als Zahnstange 88 aus- geeignet sind, als Käfig für das geschmolzene Metall zu gebildet, die mit einem Zahnrad im Eingriff steht, das dienen. In der Praxis wurden mit Körpern von quadrafür das Heben oder Senken des Schaftes 86 gedreht wer- 65 tischem Querschnitt aus Titan, Zirkon oder anderen den kann. Das obere sich in der Kammer befindende Ende Metallen bei der Käfigzonenraffination in einer Vordes Schaftes 86 ist mit einer Halterung 92 versehen, auf richtung der in Fig. 5 gezeigten Art ausgezeichnete die ein mit Außenrippen 96 versehener länglicher Körper Ergebnisse erzielt.

aufgesetzt ist. Der Schaft 86 und die Halterung 92 können Beispielsweise wurde ein quadratischer Stab aus Titan

wassergekühlt sein. Durch den Sockel 80 ist ein Rohr 98 70 von einer Länge von annähernd 30,5 cm in einer In-

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duktionsspule angeordnet, die mit einer Frequenz von nung des Thermoelements eine Abweichung von einer 10000 Hz erregt wurde. Das Titan enthielt etwa 0,5 % gewünschten Temperatur anzeigt, die Drehzahl des das Eisen als Verunreinigung. Nach mehreren Durchgängen Zahnrad 90 antreibenden Motors beschleunigt, um den in einer Vorrichtung der in Fig. 5 gezeigten Art wurde der Körper 94 schneller anzuheben, wenn die Temperatur zu Stab zur Wegnahme der ungeschmolzenen Ecken be- 5 hoch war, oder verlangsamt, wenn die Temperatur zu arbeitet. Längs der Stablänge wurden in Abständen von niedrig war. Die Ausgangsspannung des Thermoelements etwa 5 cm Analysen vorgenommen. Der Eisengehalt hatte wurde an eine Wheatstonsche Brücke gelegt und jede sich sich über 90°/₀ der Länge des Titanstabes um 20°/₀ in dieser Brückenschaltung ergebende Veränderung ververringert, während an demjenigen Ende, in dem sich stärkt und zur Betätigung eines Spannungsreglers zur nach der Zonenschmelzbehandlung die Verunreinigungen io Veränderung der Stromzufuhr zu dem mit dem Zahnrad90 sammeln, der Eisengehalt beträchtlich erhöht war. Eine gekuppelten Antriebsmotor verwendet. Hierdurch wurde sehr wesentliche Verbesserung kann bei Verunreinigungen ein außerordentlich gleichmäßiger Schmelzvorgang erzielt, erwartet werden, die ursprünglich in geringen Anteilen Wennder Körper 94 außerordentlich große Abmessungen

vorhanden sind und niedrige K-Werte haben, insofern, hat, so daß sein Gewicht hoch oder seine Länge so groß ist, als diese bis auf Spuren entfernt werden können. 15 daß die Rippen 96 verformt werden können, besonders

Ein Titanstab von einer Länge von 30,5 cm mit einem wenn die Schmelzzone sich am unteren Ende des Körpers zylindrischen Kernteil von einem Durchmesser von 2,5 cm 94 befindet, kann am oberen Ende des Körpers 94 ein und zehn in gleichen Abständen voneinander um den Gegengewicht oder eine Feder angebracht werden, die Längsumfang angeordneten Rippen von einer Breite von einen beträchtlichen Teil dieses Gewichts aufnimmt. Auf 1,6 mm und einer Höhe von 3,2 mm wurde in einer Vor- 20 diese Weise kann verhindert werden, daß die Rippen 96 richtung der in Fig. 5 gezeigten Art in einer Helium- in sich zusammenbrechen.

atmosphäre unter Verwendung eines Stroms von 10000 Hz Fig. 8 zeigt eine von der Ausführungsform nach Fig. 4

in der Induktionsspule einer Raffination imZonenschmelz- abweichende Ausführungsform der Erfindung, bei welcher verfahren unterzogen. Nach der Behandlung wurde durch statt der Widerstandskontakte 52 und 56 Induktionsheiz-Analyse eine wesentliche Verbesserung der Reinheit des 25 spulen vorgesehen sind. In diesem Falle wird ein gegebezylindrischen Körpers festgestellt. Die für die Zonen- ner länglicher Körper gleichzeitig mehreren Zonenschmelzschmelzbehandlung der beiden vorangehend beschriebenen behandlungen unterzogen. Der Körper 110 des Metalls Titanstäbe verwendete Spule hatte 10 ¹J₂ Windungen und ist an einem unteren Halter 112 und an einem oberen eine Höhe von 7 cm. Durch die Spule wurde ein Strom Halter 114 befestigt. Um den Körper 110 herum ist eine von 460 Ampere geleitet, wobei die Gesamtzeit für einen 30 erste Induktionsheizspule 116 angeordnet, die durch Raffinationsdurchgang 37 Minuten betrug. Die Rippen einen elektrischen Strom von solcher Stromdichte erregt oder Käfigstäbe begrenzten das geschmolzene Titan und wird, daß die durch die Mitte der Induktionsspule verhinderten dessen Austreten. Ein zusätzlicher Faktor, induzierte Stromstärke eine völlig eingeschlossene der das Austreten verhinderte, war die elektromagnetische Schmelzzone 118 erzeugt, die sich innerhalb einer unge-Levitationskraft des Induktionsspulenstroms auf die 35 schmolzenen Außenschicht befindet. Geringfügig ober-Schmelze, in der die Wirbelströme auftreten. Die Levi- halb der Induktionsspule 116 ist eine zweite Induktionstation wurde noch begünstigt durch die Ausbildung der spule 120 angeordnet, die ebenfalls durch einen elek-Induktionsspule in Form eines umgekehrten Kegels. irischen Strom von ausreichender Stärke und Frequenz

Zirkonstäbe mit einem ähnlichen Querschnitt wie in erregt wird, so daß eine Stromdichte induziert wird, Fig. 6 wurden in einer Vorrichtung der in Fig. 5 gezeigten 40 durch die der innere Teil des länglichen Körpers 110 Art ebenfalls einer Zonenschmelzung unterzogen. zur Bildung einer Schmelzzone 122 geschmolzen wird.

In bestimmten Fällen hat es sich als zweckmäßig Natürlich kann auch nur eine einzige Induktionsspule erwiesen, bei der in Fig. 5 gezeigten Vorrichtung ein 116 verwendet werden, oder es können, wenn gewünscht, Getriebe zum Drehen des Schaftes 86 und des Metall- zusätzliche Induktionsspulen um den Körper 110 herum körpers 94 um eine senkrechte Achse vorzusehen. Ein 45 angeordnet werden, so daß gleichzeitig mehrere Schmelzsolches Getriebe ist in Fig. 9 dargestellt, in welcher der vorgänge stattfinden.

dem Schaft 86 entsprechende Schaft 186 mit einem Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, der ersten Induk-

Flansch 184 versehen ist, so daß er auf einer als Zahn- tionsspule 116 einen geringfügig stärkeren Strom zuzustange ausgebildeten Halterung 188 aufruhen und sich in führen als der Spule 120, so daß die Schmelzzone 122 dieser drehen kann. Mit der Zahnstange 188 steht ein 5° eine geringfügig kleinere Ouerschnittsfläche senkrecht Zahnrad 190 im Eingriff, durch dessen Drehung die als zur Längsachse des Körpers 110 hat. Der Grund hierfür Zahnstange ausgebildete Halterung 188 und der Schaft 186 besteht darin, daß, wenn die Spulen 116 und 120 nach angehoben oder abgesenkt werden kann. Das untere unten bewegt werden, die nachfolgende Schmelzzone 122 Ende des Schaftes 186 ist mit einer Keilverzahnung 192 nur das vorher gereinigte Metall im Innern des Körpers versehen, welche mit einem Zahnrad 194 in Eingriff 55 durchläuft und nicht wesentlich mit dem vorher nicht gebracht werden kann, das in Drehung versetzt werden geschmolzenen und ungereinigten Metall in der Außenkann, so daß sich der Schaft 186 dreht. Das in Fig. 9 schicht in Berührung kommt. Das gereinigte, aus der gezeigte Getriebe zum Drehen des Schaftes 186 gewähr- ersten Zone 118 erstarrte Metall bildet eine im wesentleistet eine gleichmäßige Erhitzung des Metallkörpers 94, liehen zylindrische Säule 124, die einen geringfügig selbst wenn dieser in der Spule 100 nicht gleichmäßig ⁶° größeren Durchmesser als die Schmelzzone 122 hat. zentriert ist oder wenn die letztere nicht symmetrisch ist Wenn zusätzliche Induktionsspulen oberhalb der Spule oder aus einem anderen Grunde das Metall sich nicht 120 angeordnet sind, ist es zweckmäßig, daß diese ihrergleichmäßig erhitzt. seits aus dem erwähnten Grunde entsprechend kleinere

Beim Käfigschmelzverfahren konnten ferner verbesserte Schmelzzonen haben.

Ergebnisse durch die Verwendung einer Wärmemeß vor- 65 Bei der Wiederholung der in Fig. 1, 2, 4 und 5 dargerichtung zur Regelung der Bewegungsgeschwindigkeit der stellten Vorgänge kann es bei der Wiederholung des Zahnräder 90 und 190 in Abhängigkeit von der Tempera- Zonenschmelzverfahrens für das Erzielen einer besttur der Schmelzzone erzielt werden. Für diesen Zweck möglichen Reinigung zweckmäßig sein, jeden nachfolgenwurde die Wärme aus der Mitte der Schmelzzone auf ein den Durchgang mit einem geringfügig schwächeren Strom Thermoelement fokussiert und, wenn die Ausgangsspan- 70 durchzuführen, so daß der Durchmesser der Schmelzzone

geringfügig kleiner ist als der Durchmesser der Schmelzzone beim vorhergehenden Durchgang, um eine Verunreinigung der nachfolgenden Schmelzzonen durch vorher ungereinigtes Metall zu verhindern. Auf diese Weise läßt sich ein größtmöglicher Nutzen aus dem Zonenschmelzverfahren erzielen.

Bei der Durchführung der in Fig. 5 gezeigten Raffination im Zonenschmelzverfahren innerhalb eines Käfigs lassen sich ungewöhnlich gute Ergebnisse erreichen, wenn der durch die Haube 82 eingeschlossene Raum unter einem hohen Vakuum steht. Das geschmolzene Metall in derjenigen Zone, welche durch die Fenster des durch die Stäbe 96 gebildeten Käfigs frei liegt, wird entgast, wodurch Gase, wie Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, und allgemein flüchtige Verunreinigungen entfernt werden. *5 Auf diese Weise wird der durch das Schmelzen unter Vakuum erreichbare Vorteil mit den Vorteilen kombiniert, die sich aus dem Zonenschmelzverfahren ergeben, so daß Erzeugnisse höchster Reinheit gewonnen werden können.

Das Zonenschmelzverfahren gemäß der Erfindung kann mit Vorteil zum Raffinieren von Metallkörpern angewendet werden, die aus verschiedenen Metallpulvern hergestellt sind. Beim Zonenschmelzverfahren wird nur das Innere dieser Körper geschmolzen, während die Außenschicht in Form einer gesinterten Hülle fest bleibt. Das Verfahren nach Fig. 5 kann auf Sintermetallkörper der erwähnten Art auch unter hohem Vakuum angewendet werden, durch das gasförmige oder andere flüchtige Verunreinigungen durch die Zwischenräume der gesinterten Wandschichten solcher Sinterkörper ausgetrieben werden können.

Obwohl das Verfahren nach Fig. 1 und 2 in Anwendung auf gerade Körper dargestellt ist, kann es auch auf kreisförmige Teile, Bänder sowie auf andere Formen Anwendung finden.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Raffinieren eines länglichen festen Metallkörpers nach dem Zonenschmelzverfahren, ohne daß dabei das geschmolzene Metall während der Behandlung mit einem fremden Körper in Berührung kommt, dadurch gekennzeichnet, daß der längliche Körper derart erhitzt wird, daß eine Zone im Innern des länglichen Körpers an einem gegebenen Querschnitt schmilzt, die Schmelzzone in ihrer Länge dabei nur einen kleinen Bruchteil der Gesamtlänge des länglichen Körpers umfaßt, die Außenschicht des länglichen Körpers auf einer Temperatur unter dem Schmelzpunkt des Metalls gehalten wird, so daß die feste Außenschicht die geschmolzene Innenzone begrenzt, und die Erhitzung des länglichen Körpers fortschreitend so verändert wird, daß das Innere des Körpers an einem nachfolgenden, dem einen Ende der Zone benachbarten Teil geschmolzen wird und ein Teil des geschmolzenen Metalls am entgegengesetzten Ende der Zone erstarrt, so daß sich die Schmelzzone fortschreitend den länglichen Körper entlang bewegt und dadurch ein zonenweises Raffinieren des inneren Teils des längliehen Körpers bewirkt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrischer Strom durch einen Teil des länglichen Körpers mit einer Stromdichte geleitet wird, die ausreicht, die Temperatur im Innern des Körpers innerhalb des erwähnten Teils über den Schmelzpunkt des Metalls zu erhöhen, Wärme von der Außenschicht des Körpers abgeleitet wird, um diese auf einer Temperatur unter dem Schmelzpunkt des Körpers zu halten, und der Stromfluß den länglichen Körper entlang fortschreitend verändert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrischer Strom durch die gesamte Länge des Körpers in Richtung seiner Längsachse mit einer Stromdichte geleitet wird, die ausreicht, die innersten Teile des Körpers auf eine Temperatur von annähernd dem Schmelzpunkt des Metalls zu erhitzen, ein Abschnitt des Körpers mit Mitteln umgeben wird, die dazu dienen, die Temperatur an dem erwähnten Abschnitt wesentlich höher zu halten, so daß der Kern des Körpers innerhalb des erwähnten Abschnitts schmilzt, und diese Mittel fortschreitend den länglichen Körper entlang bewegt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel durch ein wärmeisolierendes Glied gebildet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel durch ein Heizelement gebildet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Heizelement eine Induktionsheizspule verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der längliche Körper mit einer Induktionsheizspule umgeben wird, die Spule erregt wird, um einen gegebenen Abschnitt des länglichen Körpers auf eine Temperatur zu erhitzen in der Weise, daß nur der innere Teil des Körpers an dem erwähnten Querschnitt eine Temperatur über dem Schmelzpunkt des Metalls hat, und die Induktionsheizspule fortschreitend den Körper entlang bewegt wird.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem länglichen Körper ein Querschnitt gegeben wird, derart, daß der nicht von einem Kreis, der von der geometrischen Symmetrieachse des Querschnitts als Mittelpunkt zur nächsten Außenfläche gezogen wird, eingeschlossene Teil eine Vielzahl von Rippen bildet und das nur der innere Teil, der sich bis zu dem Kreisumfang erstreckt und von diesem eingeschlossen wird, auf eine Temperatur über den Schmelzpunkt des Metalls erhitzt wird, während die Rippen fest bleiben und als Begrenzungskäfig für das geschmolzene Metall dienen.

9. Verfahren nach Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der längliche Körper einem Vakuum ausgesetzt wird, so daß die Schmelzzone während der zonenweisen Raffination entgast wird.

10. - Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Maßnahmen zur Raffination nach dem Zonenschmelzverfahren mindestens einmal wiederholt werden, wobei die Heizenergie beim nachfolgenden Raffinationsdurchgang so weit herabgesetzt wird, daß die Schmelzzone eine geringfügig kleinere Querschnittsfläche des länglichen Körpers im Vergleich zur Querschnittsfläche der Schmelzzone beim vorangehenden Raffinationsdurchgang umfaßt.

11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenteile des länglichen Körpers, die nicht der zonenweisen Raffinationsbehandlung unterzogen worden sind, für das Erzielen eines völlig nach dem Zonenschmelzverfahren raffinierten Körpers weggenommen werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen