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Elektronenschmelzanlage Die Erfindung bezieht sich auf Schmelzanlagen,
bei denen eine Elektrode im Hochvakuum mittels Elektronenstrahlen abgeschmolzen
wird.
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Es ist bekannt, Elektroden aus Stahl oder schwerschmelzbaren Stoffen,
wie Titan, Zirkonium, Wolfram, Niob, Molybdän und Tantal, mittels Elektronenstrahlen
zu schmelzen. Hierfür haben sich besonders zwei Verfahren bewährt. Bei dem einen
Verfahren ist die Abschmelzelektrode von einer ringförmigen Glühkathode umgeben.
Die aus ihr austretenden Elektronen werden auf Grund der zwischen der Abschmelzelektrode
und Glühkathode angelegten Spannung in Richtung auf die Abschmelzelektrode beschleunigt
und werden in ihr unter Abgabe der Energie abgebremst. Die kinetische Energie der
Elektronen geht über in die thermische Energie der Elektrode, die dann bis zum Schmelzpunkt
erwärmt wird und in den flüssigen Aggregatzustand übergeht. Das andere Verfahren
besteht darin, daß die Elektronen in einem Elektronenstrahlgenerator erzeugt und
gebündelte Elektronenstrahlen auf die Abschrnelzelektrode gerichtet werden. Das
nach einem dieser Verfahren erschmolzene Metall tropft in einen gekühlten Tiegel
und bildet darin einen Schmelzsee, der bei gleichzeitiger Zufuhr von weiterem geschmolzenem
Material nach unten abgezogen wird und dabei erstarrt.
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Bei beiden Anordnungen gelangt durch entsprechende Spannungsverteilung
bzw. entsprechende Bündelung der Elektronenstrahlen ein Teil der Elektronen auf
das Ende der Abschmelzelektrode und schmilzt sie ab. Ein nicht unwesentlicher Teil
der Elektronen wird aber in beiden Fällen außerdem dazu benutzt, den Schmelzsee
flüssig zu halten. Für den Fall des Abschmelzens mit ringförmiger Glühkathode bedingt
dies eine komplizierte Blendenanordnung, für den Fall des Abschmelzens mittels gebündelter
Elektronenstrahlen ziemlich divergente Bündel.
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Diese bekannten Einrichtungen haben aber den Nachteil, daß den Elektronenquellen
zur Flüssighaltung des Schmelzsees Energie entzogen wird, die für den eigentlichen
Schmelzprozeß verloren ist. Die Elektronenquellen müssen infolgedessen stärker belastet
werden, damit noch genügend Elektronen für den Schmelzvorgang zur Verfügung stehen.
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Überraschenderweise läßt sich dieser Nachteil erfindungsgemäß dadurch
vermeiden, daß die aus der Abschmelzelektrode und dem erschmolzenen, in den Tiegel
tropfenden Metall austretenden Elektronen dazu benutzt werden, den Schmelzsee flüssig
zu halten. Hierzu ist erforderlich, zwischen Abschmelzelektrode und Schmelzbad eine
entsprechende Spannung anzulegen, so daß durch diese Spannungsverteilung die aus
der Abschmelzelektrode und dem erschmolzenen Metall abdampfenden Elektronen in Richtung
auf den Schmelzsee beschleunigt werden, dort ihre Energie abgeben und so den Schmelzsee
flüssig halten. Es muß nur durch genügendes Abpumpen der sich in der Nähe des Abschmelzortes
der Elektrode entwickelnden Gase und durch geeignete Abstandswahl zwischen dem Ende
der Abschmelzelektrode und dem Schmelzsee dafür gesorgt werden, daß sich möglichst
keine Glimmentladungen und als Folge davon Lichtbogenentladungen ausbilden können.
Zur Konzentrierung der in Richtung auf den Schmelzsee beschleunigten Elektronen
ist zwischen Tiegel und Abschmelzelektrode eine Fokussiereinrichtung angeordnet.
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An Hand der Fig.1 und 2 werden Elektronenschmelzanlagen zur Durchführung
des Verfahrens beschrieben.
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In Fig.1 ist eine Elektronenschmelzanlage dargestellt, bei der eine
Glühkathode als Elektronenquelle benutzt wird.
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Die Schmelzanlage besteht aus einem Ofenteil 1 mit Pumpstutzen 2 und
einem Deckelteil 3. Durch diesen Deckelteil 3 wird durch die Dichtung 4, über Druckstufen
- übersichtshalber ist nur eine Druckstufe dargestellt - die Elektrodenstange 5
eingeführt, an der die Abschmelzelektrode 6 befestigt ist. Das untere Ende der Abschmelzelektrode
6 ist von einem Heizring 7, der beispielsweise als Oxyd- bzw. Borid-Glühkathode
ausgebildet ist, umgeben. Durch entsprechende Spannungsverteilung werden die aus
der Glühkathode austretenden Elektronen auf das untere Ende der Abschmelzelektrode
gerichtet und schmelzen es ab. Das abschmelzende Metall tropft in den gekühlten
Tiegel 8, bildet dort den Schmelzsee 9, der wiederum den Schmelzblock 10 aufbaut.
Der Boden 11 des Tiegels 8 ist gekühlt und absenkbar eingerichtet, um den Schmelzsee
9 ständig in gleicher Höhe zu halten. Die Absenkvorrichtung des Tiegelbodens 11
kann aus
einer mechanischen oder hydraulischen Heb- oder Senkvorrichtung
bestehen, die sich vorteilhafterweise noch innerhalb der Tiegelverlängerung 12 unter
Vakuum befindet. Zwischen Abschmelzelektrode 6 und Tiegel 8 befindet sich eine Fokussiereinrichtung
13, die auf einem geeigneten negativen Potential liegt. Bei der beschriebenen Schmelzanlage
liegt die Abschmelzelektrode 6 auf einem höheren Potential als die Glühkathode 7,
der Schmelzsee 9 wiederum auf einem höheren als die Abschmelzelektrode 6. Geeignete
Spannungen werden über die Leitungen 14, 15 und 16 den entsprechenden Teilen der
Schmelzanlage zugeführt. Die ringförmige Glühkathode wird über die Leitungen 17
mit Energie versorgt.
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Mit der beschriebenen Einrichtung kann der Schmelzvorgang in folgender
Weise durchgeführt werden Zunächst wird die Abschmelzelektrode 6 an der Elektrodenstange
5 befestigt und diese so weit aufwärts gezogen, bis sich das untere Ende der Abschmelzelektrode
6 oberhalb der ringförmigen Glühkathode 7 befindet. Die Schmelzanlage wird dann
verschlossen und evakuiert. Dann wird die Glühkathode 7 mit Strom versorgt, an die
Abschmelzelektrode 6 und den Tiegel 8 entsprechende Spannungen angelegt und die
Abschmelzelektrode so weit abgesenkt, bis die aus der Glühkathode 7 austretenden
und in Richtung auf die Abschmelzelektrode 6 beschleunigten Elektronen das untere
Ende der Elektrode schmelzen. Durch das heruntertropfende Metall bildet sich dann
der Schmelzsee 9. Er wird von den Elektronen, die aus dem heruntertropfenden Metall
oder dem Ende der Abschmelzelektrode abdampfen und in Richtung auf den Schmelzsee
beschleunigt werden, flüssig gehalten. Der Tiegelboden 11 wird entsprechend der
abgeschmolzenen Metallmenge abgesenkt, wodurch der Schmelzsee 9 sich stets etwa
in gleicher Höhe befindet. Die Absenkgeschwindigkeit der Abschmelzelektrode 6 wird
bekannter- und vorteilhafterweise automatisch so geregelt, daß das untere Ende der
Abschmelzelektrode während des Schmelzvorganges von der Glühkathode umschlossen
wird.
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In Fig.2 ist eine ähnliche Schmelzanlage dargestellt wie in Fig. 1.
Sie unterscheidet sich von dieser nur dadurch, daß als Elektronenquelle keine ringförmige
Glühkathode benutzt wird, sondern Elektronengeneratoren 20. Diese bestehen aus der
Elektrode 21, den Fokussierungsmitteln 22 und einer Blende 23. Es können weiterhin
noch Ablenkvorrichtungen, beispielsweise magnetische Spulen 24, vorgesehen sein.
Die Elektronengeneratoren 20 besitzen getrennte Evakuierungsleitungen 25, die sich
zu einem Rohr 26 vereinigen, das zweckmäßigerweise zu einem getrennten Pumpensatz
führt. Die übrigen Bezugszeichen in Fig.2 entsprechen denen der Fig.1.
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Mit dieser Einrichtung kann der Schmelzprozeß analog dem vorher für
die Schmelzanlage gemäß Fig. 1 beschriebenen durchgeführt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Flüssighalten des Schmelzsees hat
den Vorteil, daß praktisch alle von der Elektronenquelle ausgesandten Elektronen
für den Schmelzprozeß zur Verfügung stehen. Die Elektronenquellen können also im
Vergleich mit den bisher für den Schmelzprozeß benutzten wesentlich schwächer belastet
werden, da der Anteil an Elektronen, der bei den bekannten Verfahren zur Flüssighaltung
des Schmelzsees diente, bei Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung wegfällt.
Die geringere Belastung bringt nicht nur eine Energieersparnis mit sich, sondern
die Lebensdauer der Elektronenquelle wird dadurch ebenfalls verlängert. Belastet
man umgekehrt die erfindungsgemäßen Elektronenquellen in gleicher Höhe wie die bei
den bekannten Schmelzöfen, so steht für den eigentlichen Schmelzprozeß mehr Energie
zur Verfügung als bei dem bekannten Verfahren.
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Die beschriebenen Schmelzanlagen stellen lediglich Ausführungsbeispiele
für das erfindungsgemäße Verfahren dar. Das Verfahren soll jedoch nicht nur auf
diese Beispiele beschränkt bleiben.