DE10305053A1

DE10305053A1 - Vorrichtung für die Herstellung von Metallen und Metall-Legierungen hoher Reinheit

Info

Publication number: DE10305053A1
Application number: DE2003105053
Authority: DE
Inventors: Felix Müller; Stefan Dr. Pleier; Erich Zuckerstätter; Matthias Dr. Blum; Jinguo Dr. Ren
Original assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Current assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Priority date: 2003-02-07
Filing date: 2003-02-07
Publication date: 2004-08-26

Abstract

Bei einem gekühlten Schmelztiegel (1) und/oder einem gekühlten Trichter oder Strahlführungssystem sind Tiegel und/oder Trichter im wesentlichen aus mehreren, durch Schlitze oder Spalten (4, 4', ...) voneinander getrennten von einem Kühlmittel durchströmten palisadenförmigen Segmenten (2, 2', ...) gebildet, die von einer Induktionsspule (5) umschlungen sind, wobei die Wände der palisadenförmigen Segmente zumindest abschnittsweise doppelwandig ausgebildet sind und die inneren, dem Kühlmittelstrom zugewandten Partien oder Wandteile (13, 13', ...) aus einem Material mit hohem E-Modul, hoher Streckgrenze und niedriger elektrischer und thermischer Leitfähigkeit und die äußeren Partien oder Wandteile (14, 14', ...) aus einem Material mit niedrigem E-Modul, niedriger Streckgrenze und hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Herstellung von Metallen und Metall – Legierungen hoher Reinheit mit einem gekühlten Schmelztiegel und/oder einem gekühlten Trichter für Führung des Gießstrahls, wobei Tiegel und/oder Trichter im wesentlichen aus mehreren, durch Schlitze von einem der getrennten metallischen und palisadenförmig ausgebildeten von einem Kühlmittel durchströmten Segmenten bestehen und diese Segmente mittels einer sie umgreifenden Halterung fixiert und Trichter und/oder Tiegel von mindestens einer Induktionsspule umschlungen sind.
Verfahren und Vorrichtungen zum Schmelzen von Metallen oder Metall-Legierungen sind seit langem bekannt. Derartige Verfahren und Vorrichtungen werden zum schlackenfreien Schmelzen von reaktiven Metallen in einem quasi berührungsfreien Schwebezustand eingesetzt.

Bekannt ist eine Vorrichtung der infragestehenden Art, bei der Tiegel und Trichter aus mehreren metallischen palisadenförmigen Segmenten bestehen, die mittels einer sie umgreifenden Klemmvorrichtung an ihren äußeren Durchmesser gehalten werden, wobei die Segmente von Tiegel und Trichter gegen die Bauteile, die sie an den Einspannstellen umgreifen, elektrisch isoliert sind ( DE 42 09 964 C2 ). Die palisadenförmigen Segmente sind bei der bekannten Vorrichtung aus Kupfer hergestellt, wobei die scheiben- und/oder ringförmigen Bauteile aus elektrisch leitfähigem Werkstoff hergestellt sind und an den Kontaktstellen zwischen den Palisaden und der sie haltende Bauteilen ein elektrischer Isolator vorgesehen ist. Jede einzelne Palisade ist mit einem Kühlkörper ausgestattet, durch den während des Schmelzvorgangs Kühlwasser strömt.

Bekannt ist weiterhin eine Vorrichtung zur Formung eines Gießstrahls ( DE 40 11 392 A1 ) mittels eines Trichters an einem größeren Schmelzbehälter in dem sich Schmelze befindet, wobei der Trichter an den Schmelzenbehälter angeflanscht ist und aus Metall oder aus einer Metall – Legierung besteht und in fluidgekühlte Segmente unterteilt ist, wobei eine mit Wechselstrom beaufschlagte Spule den Trichter umgibt und die Schmelze im Trichter induktiv beheizt. Die Innenkontur des Trichters ist zweckmäßigerweise kegelförmig ausgeformt, wobei eine horizontale Verdüsungsvorrichtung unterhalb des Trichters und ein Überlauftrog aus dem die Schmelze in den Behälter fließt vorgesehen sind. Diese bekannte Vorrichtung ermöglicht es, einen dünnen Flüssigmetallstrahl unter Vermeidung des Risikos des Einfrierens zu erzeugen, sowie gezielt den Austritt des Flüssigmetallstrahls zufrieren zu lassen und wieder aufzuschmelzen.

In der Praxis hat sich gezeigt, daß die in der Regel aus Kupfer gefertigten palisadenförmigen Segmente aufgrund der physikalischen Randbedingungen, insbesondere der extremen Leistungsdichte für die Funktion eines Strahlführungssystems dazu neigen, sich zu verziehen bzw. so zu verformen, dass sich die Spalten zwischen den einzelnen Palisaden verändern. Durch die ungleichmäßige Energielast – an der Außenseite elektromagnetische Energie und an der Innenseite elektromagnetische Energie und Wärmeenergie von der Metallschmelze – kommt es zu unterschiedlichen Temperaturprofilen an der Innenwand und der Außenwand der Palisaden.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Palisaden so auszubilden, dass sie unter allen Bedingungen formstabil bleiben und sich Durchmesser und Position des Metallstrahls nicht ungewollt verändern können und auch ein unmittelbarer Kontakt zwischen dem geschmolzenen Metall und den Palisaden vermieden wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, dass die Wände der Kühlkanäle oder Kühltaschen aufweisenden Segmente oder Palisaden zumindest abschnittsweise doppelwandig ausgebildet sind, wobei die inneren, dem Kühlmittelstrom zugewandten Partien oder Wandteile aus einem Material mit hohem E-Modul, hoher Streckgrenze und niedriger elektrischer und thermischer Leitfähigkeit und die äußeren Partien oder Wandteile aus einem Material mit niedrigem E-Modul, niedriger Streckgrenze und hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit bestehen.

Weitere Einzelheiten und Merkmale sind in den Patentansprüchen näher beschrieben und gekennzeichnet.

Die Erfindung läßt, die verschiedensten Ausführungsmöglichkeiten zu; zwei davon sind in der anhängenden Zeichnung schematisch dargestellt die in 1 einen Tiegel in perspektivischer Ansicht und in 2 ein Strahlführungssystem im vertikalen Schnitt und im Teilschnitt zeigt.

Der im wesentlichen hohlzylindrische Schmelztiegel 1 besteht aus einer nicht näher dargestellten kreisscheibenförmigen Tiegel – Bodenplatte und einer Anzahl von einzelnen, sich lotrecht erstreckenden, auf der Tiegel-Bodenplatte abgestützten palisadenförmigen Wandsegmenten 2, 2',.... Diese sind jeweils mit einem Fußteil versehen und besitzen jeweils einen durch ein Trennblech aufgeteilten Kühlkanal 3, 3',... zur Führung von Kühlflüssigkeit. Die Zuführung der Kühlflüssigkeit erfolgt über separate Verbindungsleitungen, die der besseren Übersichtlichkeit wegen ebenfalls nicht dargestellt sind. Die Palisaden oder Wandsegmente 2, 2',... sind zueinander auf Lücke gesetzt, so dass zwischen zweier benachbarter Palisaden jeweils ein Längsspalt 4, 4',... entsteht. Die Spalten können entweder, wie in der Zeichnung 1 dargestellt, ausgeführt sein oder es kann auch ein zusätzlicher Isolator in die Spalte 4, 4',... eingelegt werden, so dass die Palisaden 2, 2',... elektrisch voneinander isoliert sind und der Tiegel 1 die Form eines geschlossenen Hohlzylinders einnimmt. Der durch die Palisaden 2,2',... gebildete Tiegel 1 ist auf seiner Außenseite von einer Induktionsspule 5 umgeben, so dass im Inneren des Tiegels ein Magnetfeld induzierbar ist. Zur Formung eines Gießstrahls aus flüssigem Metall wird das Metall durch ein Strahlführungssystem, wie in 2 gezeigt, abgegossen.

Das Strahlführungssystem gemäß 2 besteht aus einem trichterförmigen, geschlitzten Tiegel 6, der in etwa die Form eines Paraboloids hat und im wesentlichen, ähnlich dem Tiegel gemäß 1, aus mehreren einzelnen Palisaden 7, 7',... und einer Induktionsspule 8 besteht. Die Palisaden sind jeweils mit einem Kühlkanal 9, 9',... versehen und weisen in ihrer senkrechten Projektion die Form eines Kreissegmentes auf. Die Palisaden 7, 7',... sind mit der Oberseite ihres in Umfangrichtung äußeren, ebenen Randes durch einen Klemmring 10 gegen eine ebene Halterung 11 verschraubt, wobei der Klemmring 10 mittels Schraubverbindungen fixiert ist. Die Kontaktflächen zwischen Klemmring 10 und Palisaden 7, 7',... einerseits sowie zwischen Palisaden und Halterung andererseits sind durch einen Isolationsring 12 unterbrochen. Somit sind die Palisaden 7,7',... von der Halterung 11 und dadurch auch von den sie umgebenden Bauteilen elektrisch isoliert. Die Palisaden 2, 2',...;7, 7',... übertragen die elektromagnetische Energie der Induktionsspule 5, 8 (bzw. der Induktionsspulen) in die Schmelze. Beim keramikfreien Strahlführungssystem gemäß 2 bündeln sie die Metallschmelze zu einem Metallstrahl. Aufgrund der physikalischen Randbedingungen sind extreme Leistungsdichten, insbesondere für die Funktion eines Strahlführungssystems, notwendig. Die Oberflächen der Palisaden 2, 2',...; 7, 7',... müssen eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Um die Wärmezufuhr hoch und damit die Oberflächentemperaturen der Palisaden 2, 2',...; 7, 7',... gering zu halten, werden Palisaden in der Regel aus Kupfer gefertigt. Infolge der ungleichmäßigen Energielast, nämlich an der Außenseite elektromagnetische Energie und an der Innenseite elektromagnetische Energie zuzüglich extremer Wärmeenergie von der Metallschmelze, kommt es zu unterschiedlichen Temperaturprofilen an der Innen- und an der Außenwand der Palisaden 2, 2',...; 7, 7',....

Die höhere Temperatur an der Innenwand führt zu einem Aufbiegen der Palisaden beispielsweise mit der Folge, dass Durchmesser und Position des Metallstrahls sich in unkontrollierbarer Weise verändern.

Bei den vorstehend beschriebenen Palisaden 2,2',...; 7, 7',... wird der unerwünschte Effekt dadurch vermieden, dass sie aus unterschiedlichen Werkstoffen zusammengefügt sind. Die innen liegende Wand 13,13',... der Palisaden 2, 2',... bzw. 7, 7',... besteht zur Aufnahme der mechanischen Kräfte; die auf die Palisaden einwirken und von den Palisaden aufgrund der unterschiedlichen Oberflächentemperaturen selbst erzeugt werden, aus einem Werkstoff mit hohem E-Modul und hoher Streckgrenze mit niedriger elektrischer und thermischer Leitfähigkeit. Das äußere Material 14,14',... besitzt dagegen einen niedrigeren E-Modul und eine niedrigere Streckgrenze und hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit, d. h. reziproke Werkstoffeigenschaften. Um eine genügende Wärmeabfuhr aus dem äußeren Werkstoff 14,14',... zu erzielen, kann der Grundkörper der Palisaden mit Aussparungen oder einer Profilierung oder Aufrauhung versehen sein mit der Folge, dass sich der Wärmeabfluß gegenüber einem unprofilierten Körper praktisch nicht verändert. Durch Lage und Anordnung der Aussparungen bzw. durch die Oberflächengestaltung oder Oberflächenprofilierung des Palisadengrundkörpers kann außerdem eine Korrektur des Temperaturprofils des äußeren Körpers bzw. äußeren Wandteils 14, 14',... bewirkt werden. Bei den in den Zeichnungen 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen ist als Werkstoff für den Außenkörper 14, 14',... bzw. 15,... Kupfer (der Sorte SE oder SS) und für den Innenkörper 13, 13',... bzw. 16,... Edelstahl (z.B. der Sorte DIN 1.4571) gewählt, wobei die Metallschichten miteinander verlötet, verschweißt oder auf galvanischem Wege erzeugt sein können.

1: Schmelztiegel
2, 2',: palisadenförmige Wandsegmente
3, 3'...: Kühlkanal
4, 4',...: Längsspalt, Schlitz
5: Induktionsspule
6: trichterförmiger Tiegel
7, 7',...: Palisaden
8: Induktionsspule
9, 9',...: Kühlkanal
10: Klemmring
11: Haltering
12: Isolationsring
13, 13',...: innere Wand
14, 14': äußere Wand
15: äußere Wand
16: innere Wand

Claims

Vorrichtung für die Herstellung von Metallen und Metall-Legierungen hoher Reinheit mit einem gekühlten Schmelztiegel und/oder einem gekühlten Trichter zur Führung des Gießstrahls, wobei Tiegel und/oder Trichter im wesentlichen aus mehreren, durch Schlitze voneinander getrennten metallischen und palisadenförmig ausgebildeten, von einem Kühlmittel durchströmten Segmenten bestehen und diese Segmente mittels einer sie umgreifenden Halterung fixiert sind und Tiegel und/oder Trichter von mindestens einer Induktionsspule umschlungen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände der Kühlkanäle oder Kühltaschen aufweisenden Segmente zumindest abschnittsweise doppelwandig ausgebildet sind, wobei die inneren, dem Kühlmittelstrom zugewandten Partien aus einem Material mit hohem E-Modul, hoher Streckgrenze und niedriger elektrischer und thermischer Leitfähigkeit und die äußeren Partien aus einem Material mit niedrigem E-Modul, niedriger Streckgrenze und hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit bestehen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Wand (14, 14', ... bzw. 15) der palisadenförmigen Segmente (2, 2', ... bzw. 7, 7', ...) des Tiegels (1) oder des Strahlführungssystems (6) aus Kupfer und die innere, den Kühlmittelstrom leitende Wand (13, 13', ... bzw. 16), aus Edelstahl gebildet ist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Wand (14, 14',... bzw. 15) der palisadenförmigen Segmente (2, 2',... bzw. 7, 7', ...) mit der inneren Wand verlötet oder verschweißt ist oder auf galvanischem Wege oder durch thermisches Spritzen aufgebracht ist.
Vorrichtung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenfläche der inneren Wand (13, 13'... bzw. 16) mit Nuten, Vertiefungen oder Aussparungen (Gestaltsabweichungen) versehen ist und die Innenfläche der äußeren Wand (14, 14', ... bzw. 15) formschlüssig an der inneren Wand anliegt und mit dieser verbunden ist.