DE1120149B - Verfahren und Vorrichtung zur Vakuumschmelzung von Metallen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

St 13463 VIa/40a

ANMELDETAG: 19. F E B RUAR 1958

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 21. DEZEMBER 1961

Die Erfindung bezieht sich auf das Schmelzen und Reinigen von Metallen im Vakuum, die in zerkleinerter Form vorliegen, z. B. in Pulverform, stückig, granuliert oder in schwammiger Beschaffenheit. Größe und Form der einzelnen Teile können sich in weiten Grenzen ändern, und zwar von sehr feiner pulverförmiger Zerteilung bis zu Walnußgröße und noch größeren Stücken.

Eine Anzahl von Metallen, die verhältnismäßig hohe Schmelzpunkte haben und erst in neuerer Zeit in größerem Umfang verwendet werden, liegen nach der anfänglichen Behandlung im allgemeinen in der beschriebenen zerkleinerten Form vor, z. B. Titan und Zirkonium. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Behandlung dieser und ähnlicher schwer zu behandelnder Metalle, jedoch ist sie nicht auf diese beschränkt, sondern sie kann auch bei anderen Metallen mit Vorteil angewendet werden.

Die Anwendung der Vakuumschmelzung kann aus einer Reihe von Gründen zweckmäßig sein. So kann das Metall insbesondere eine so hohe chemische Affinität gegenüber den Gasen der Atmosphäre besitzen, insbesondere bei Schmelztemperatur, daß es nur durch Vakuumschmelzung mit hinreichender Reinheit im geschmolzenen Zustande gehalten werden kann. Eine Gasaustreibung und Schmelzung im Vakuum kann außerdem die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Metalle erheblich verbessern.

Außer den eingeschlossenen Gasen können auch noch andere Verunreinigungen durch Vakuumschmelzung entfernt werden. Von Bedeutung ist in diesem Zusammenhang vor allem das Wasser, das in vielen Fällen besondere Schwierigkeiten bereitet, insbesondere, wenn der Schmelzvorgang durch eine elektrische Entladung zur Oberfläche der Schmelze erfolgt. Weitere Verunreinigungen, die häufig in den Metallen der erwähnten Art auftreten, enthalten Stoffe, die bei gewöhnlichen Temperaturen fest sind, jedoch bei Schmelztemperatur oder unterhalb der Schmelztemperatur des behandelten Metalls verdampfen. Stoffe dieser Art sind meistens Halogenide der Alkalien oder alkalischen Erden, insbesondere die Chloride des Natriums und Magnesiums.

Bei der Vakuumschmelzung wird die Schmelzwärme im allgemeinen elektrisch zugeführt. Wenn die zu behandelnden Stoffe in massiver Form vorliegen, kann dies durch Induktionserhitzung geschehen. Wenn die zu behandelnden Stoffe jedoch in zerteilter Form vorliegen, ist der Widerstand des zerteilten Metalls so hoch, daß die Induktionserhitzung im allgemeinen unwirtschaftlich ist, und man kann dann so vorgehen, Verfahren und Vorrichtung zur Vakuumschmelzung von Metallen

Anmelder:

Stauffer Chemical Company, New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. F.B.Fischer, Patentanwalt, Düsseldorf, Herderstr. 62

daß das zu schmelzende Material der Einwirkung eines elektrischen Teilchenaufpralls, also eines elektrischen Entladungsvorganges ausgesetzt wird. Üblicherweise wird man dabei eine Lichtbogenentladung wählen, jedoch kann es wesentlich vorteilhafter sein, eine nahezu rein elektronische Entladung vorzusehen. Am wirtschaftlichsten ist es dabei, die Elektronenentladung durch eine Ionenwolke aufrechtzuerhalten, die teilweise die Raumladung neutralsiert, welche die Tendenz hat, den Elektronenstrom zu begrenzen. Dabei wird dann in dem Entladungsbereich eine Glimmentladung aufrechterhalten.

Die Erfindung bezweckt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bei dem, im Gegensatz zu bisher vorgeschlagenen Verfahren, eine eruptive, diskontinuierliche Freigabe von Gas oder Dampf in den Entladungsweg, in dem die Schmelzung des Materials stattfindet, verhindert wird, und zwar ohne Rücksicht darauf, ob die Verunreinigungen, die Störungen der erwähnten Art bewirken, bei normalen Temperaturen gasförmig oder fest sind.

Es ist bereits vorgeschlagen, jedoch nicht vorveröffentlicht, bei einem Verfahren zum Erschmelzen duktiler Metalle, insbesondere von hochschmelzenden Metallen der Nebenreihe der IV. bis VI. Gruppe des Periodischen Systems und ihrer Legierungen, tropfsteinförmige Metallelektroden aus den durch Induk-

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tionserhitzung von chemisch vorgereinigten, Vorzugs- .- eintretende-Metall gerichtet ist. Die zu schmelzenden

weise in Stabform verfestigten und der Induktions- Teile werden in die Schmelzzone gegen die Wirkung

zone zugeführten und darm abschmelzenden Metallen· einer Gegenkraft eingeführt, die z. B. durch eine Ein-

zu bilden und anschließend ein zweites Schmelzen der schnürung der Bewegungsbahn oder in manchen tropfsteinförmigen Elektroden im Lichtbogen vorzu- 5 Fällen auch nur durch Reibung erzeugt sein kann,

nehmen, wobei die Elektroden als selbstverzehrende· Auf diese Weise werden größere Teilchen oder Stücke

Abschmelzelektroden dienen. zwischen den umgebenden Teilen oder Stücken ein-

Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß es die geklemmt, so daß sie nicht durch die Schmelzzone

Bildung eines festen, frei tragenden Stabes aus dem hindurchgelangen können, bevor sie geschmolzen sind, zu behandelnden Material erfordert, wobei dieser io Außerdem bewirkt die Förderkraft zusammen mit der

Verfahrensschritt wegen der aufzuwendenden hohen durch Leitung und Strahlung in das vorwärts bewegte

Drücke einen erheblichen Aufwand an Kraft und Be- Material eingeführten Hitze ein Sintern der Teile

arbeitungseinrichtungen notwendig macht. Der Strang- unabhängig von der Form und der Größe der Teile,

preßvorgang findet außerhalb des Vakuumbehälters so daß eine feste, mehr oder weniger poröse Masse statt, so daß es notwendig ist, den stranggepreßten 15 gebildet wird, aus der das Metall nicht vor dem

Stab durch eine Reihe von Druckstufen in den Vaku- Schmelzen freigegeben werden kann. Es ist dabei im

umbehälter einzuführen, wobei in vielen Fällen noch allgemeinen vorteilhaft, das vorwärts bewegte Material

der Zusatz von Inertgasen notwendig ist. Die außer- unmittelbar hinter den Schmelz- und Sinterzonen

halb des Vakuumbehälters vorzunehmende Strang- abzukühlen, so daß sich ein steiler Temperaturpressung eines festen, frei tragenden Stabes und die 20 gradient einstellt.

Einführung dieses Stabes in den evakuierten Behänd- Von wesentlicher Bedeutung ist, daß in Anwendung

lungsraum stellt den Konstrukteur vor schwierige, des erfindungsgemäßen Verfahrens Metall von

nur mit erheblichem Kostenaufwand zu lösende schwammiger Beschaffenheit, das bis ungefähr 0,3 %

Probleme. kondensierbare Verunreinigungen enthält, ohne

Auch hat die vorgeschlagene Art der Schmelzung 25 Schwierigkeiten geschmolzen werden kann, während

innerhalb des Vakuumbehälters Nachteile, weil die demgegenüber selbst eine Spur einer solchen Ver-

Induktionserhitzung des Stabes in der ersten Behänd- unreinigung ein Verspritzen verursachen würde, wenn,

lungsstufe wegen des verhältnismäßig hohen ohmschen wie es bei anderen Verfahren der Fall sein kann, eine

Widerstandes des Stabes unwirtschaftlich ist, und die intakte Flüssigkeitsdichtung vorhanden wäre, weil

anschließend vorgenommene Lichtbogenschmelzung 30 dann die Anreicherung der Verunreinigungen gegen

bedingt, daß ein bestimmter Minimaldruck nicht unendlich geht und ein Punkt erreicht wird, in dem

unterschritten werden darf, damit der Lichtbogen eine explosionsartige Freigabe erfolgt,

erhalten bleibt. Bei der Erfindung wird das zu behandelnde Mate-

Bei Anwendung der Erfindung sind diese Nachteile rial von oben in ein am Ende offenes, abwärts gerich-

behoben. 35 tetes Zuführungsrohr eingeführt, dessen offenes Ende

Erfindungsgemäß vorgesehen ist ein Verfahren zur · nach unten gerichtet ist, so daß das geschmolzene

Vakuumschmelzung von Metallen, die in stückiger Metall sofort nach der Schmelzung aus der Öffnung

oder feinverteilter Form vorliegen und bei dem das abfließt oder abtropft. Gegenüber dem offenen Ende

zu behandelnde Material in einer in einem evakuier- des Zuführungsrohres sind Einrichtungen angeordnet,

ten Raum untergebrachten, abwärts gerichteten rohr- 40 durch die eine elektrische Entladung unmittelbar auf

förmigen Führung weiterbewegt und anschließend, die Mitte der Öffnung gerichtet wird, wobei vorzugs-

gegebenenfalls nach vorheriger Sinterung, abgeschmol- weise eine ringförmige Emissionskathode verwendet

zen wird, und welches dadurch gekennzeichnet ist, wird, die im wesentlichen koaxial mit der Öffnung

daß das Material in stückiger oder feinverteilter fester angeordnet ist, und wobei eine die Kathode teilweise

Form in die rohrförmige Führung eingebracht wird 45 umgebende Elektrode vorgesehen sein kann, so daß

und im Ausgangsende der Führung eine Material- die emittierten Elektronen auf die vorgesehene Stelle

Stauung durch eine Querschnittsverengung der Füh- gesammelt werden. Zweckmäßig weist das untere

rung aufrechterhalten wird und im Bereich der Mate- Ende des Zuführangsrohres eine Einschnürung auf,

rialstauung durch eine elektrische Glimmentladung die beispielsweise als kurzer, nach innen gerichteter

eine Schmelzzone gebildet wird, in der die Material- 50 Flansch ausgebildet sein kann. Am oberen Ende des

teile auf Schmelztemperatur erhitzt werden. Zuführangsrohres sind geeignete Vorrichtungen vor-

Vorzugsweise wird das Material kurz vor oder in gesehen, um das Material in dem Rohr zu verdichten

der Zone der Materialstauung zusammengesintert, oder zusammenzudrücken, z. B. eine hin- und her-

bevor es nach weiterer Bewegung die Schmelzzone gehende Stoßeinrichtung. Diese kann z. B. in Form

erreicht, derart, daß das Material beim Übergang in 55 eines Rohres ausgebildet sein, das mit einer geeigne-

den freien Fall bereits Schmelztemperatur besitzt. ten Passung innerhalb der Zuführungsröhre gleitet,

Die Metallteilchen werden dabei kontinuierlich in oder sie kann als massive Stoßstange ausgebildet sein, eine Schmelzzone eingeführt, deren Ebene so ange- die sich in Richtung der Achse des Zuführangsrohres ordnet ist, daß das in ihr geschmolzene Metall sofort hin- und herbewegt. Alle beschriebenen Teile sind abtropfen kann; die Normale der Schmelzzone ist also 60 innerhalb eines Vakuumbehälters od. dgl. unterentweder im wesentlichen senkrecht abwärts gerichtet, gebracht, der mit einem Pumpensystem verbunden ist, oder sie schließt mit der Senkrechten einen so kleinen dessen Kapazität so bemessen ist, daß der Druck Winkel ein, daß die Oberflächenspannung des ge- innerhalb des Vakuumbehälters auf einem Wert von schmolzenen Metalls nicht in der Lage ist, eine un- ungefähr 1 Mikron Quecksilbersäule oder weniger unterbrochene Flüssigkeitsschicht aufrechtzuerhalten, 65 gehalten werden kann, und zwar unter Berücksichdie als Dichtung wirken könnte. Der Schmelzvorgang tigung der maximal zu erwartenden Gasfreigabe bei wird durch einen elektrischen Entladungsvorgang dem zu behandelnden Material. Es ist ferner zweckherbeigeführt, der gegen das in die Schmelzzone mäßig, Einrichtungen zum Kühlen des unteren Endes

Die Teilchen des zu behandelnden Materials, die in der Zeichnung mit dem Bezugszeichen 23 dargestellt sind und die kein freises Gas mehr enthalten, fallen von dem Ende der Zuführungsrinne 25 des 5 Förderers 19 von oben in ein Zuführungsrohr 27. Das Zuführungsrohr ist vorzugsweise in aufrechter Lage, und zwar im wesentlichen senkrecht angeordnet, obwohl es nicht unbedingt diese Lage einzunehmen braucht; es kann z. B. auch in geeigneter

halten kann, und zwar vorzugsweise auf einem Druck von ungefähr 0,5 Mikron Quecksilbersäule oder weniger, wobei dieser Druck trotz der zu erwartenden Gasfreigabe einzuhalten ist.

Oberhalb des Behälters 1 ist eine Vakuumschleuse 7 angeordnet, die vorzugsweise eine eigene Absaugleitung 9 mit Pumpe 11 besitzt; die Vakuumschleuse 7 kann jedoch auch an das allgemeine Va-

des Zuführungsrohres vorzusehen, und zwar in der Nähe der Auslaßöffnung an der Stelle, in der die elektrische Entladung vor sich geht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung näher beschrieben.
In der Zeichnung ist überwiegend schematisch ein
Vakuumbehälter 1 dargestellt, der in üblicher Weise
aufgebaut sein kann. Der Vakuumbehälter 1 ist über
eine Absaugleitung 3 mit einer oder mehreren Absaugpumpen 5 verbunden. Da das Material in dem io Weise geneigt angeordnet sein, wobei sichergestellt Behälter 1 während der Behandlung Gase freigibt, ist sein muß, daß kein geschmolzenes Metall in das die lichte Weite der Absaugleitung im Vergleich zu Rohr zurücklaufen kann. Das untere Ende des Rohden Abmessungen des Behälters verhältnismäßig groß res ist offen, jedoch weist es vorzugsweise eine Querbemessen, und die Pumpe 5 muß eine solche Kapa- schnittsverengung oder Einschnürung auf, die durch zität besitzen, daß sie daß Vakuum innerhalb des 15 einen nach innen gerichteten Flansch 29 gebildet sein Behälters im wesentlichen auf den vorgesehenen Wert kann, der die untere Öffnung umgibt. Ob es notwendig ist, einen Flansch vorzusehen oder nicht, hängt von dem Reibungskoeffizienten des Materials in dem Zuführungsrohr gegenüber der Wandung des Rohres 2Q ab. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der verwendeten Vorrichtung besteht das Zuführungsrohr selbst aus Kupfer, und es ist von einem Kupfermantel 31 umgeben, in dem ein Kühlmittel umlaufen kann. Das Kühlmittel wird über Leitung 33 zugeführt und

kuumsystem angeschlossen sein. Innerhalb der Va- 25 kann über Leitung 35 abfließen, wobei der Umlauf kuumschleuse ist ein Einfülltrichter 13 angeordnet, durch eine geeignete Pumpe 37 bewirkt wird. Wenn dessen unterer Teil durch eine von außen betätigte Wasser als Kühlmittel verwendet wird, kann die Abschlußeinrichtung 15 zum Hauptvakuumbehälter 1 Pumpe auch fortfallen, wenn das Wasser kontigeöffnet werden kann. Eine ähnliche Abschlußein- nuierlich aus einem geeigneten Versorgungsnetz entrichtung 17 ist oberhalb der Vakuumschleuse über 30 nommen wird.

dem Einfülltrichter angeordnet, so daß der Einfüll- Ein Kühlmantel der beschriebenen Art, dessen An-

trichter periodisch gefüllt werden kann, ohne daß das Wendung in vielen Fällen zweckmäßig sein kann, ist Vakuum innerhalb des Behälters 1 gestört wird. Da- jedoch zur Ausführung des Verfahrens gemäß der bei wird so vorgegangen, daß zunächst die Abschluß- Erfindung nicht unbedingt notwendig, insbesondere einrichtung 17 geöffnet und der Einfülltrichter gefüllt 35 wenn das Zuführungsrohr aus einem Werkstoff bewird; anschließend wird die Abschlußeinrichtung 17 steht, der erheblich hitzebeständiger als das zu

schmelzende Metall ist. Das Zuführungsrohr kann auch aus isolierendem Werkstoff bestehen, und in diesem Fall kann der Reibungskoeffizient zwischen

wird die Abschlußeinrichtung 15 geöffnet, und es 40 dem zugeführten Material und dem Zuführungsrohr wird das Material aus dem Einfülltrichter 13 in einen so hoch sein, daß das Material durch das Rohr nicht Vibrationsförderer 19 üblicher Bauart eingeführt, mit derjenigen Geschwindigkeit hindurchfallen kann, wobei der Förderer 19 mit Hilfe geeigneter Halte- in der es zugeführt wird, und zwar selbst dann, wenn rangen 21 unmittelbar unterhalb des Einfülltrichters kein Flansch 29 vorgesehen ist; allgemein wird es je-13 angeordnet ist. 45 doch zweckmäßig sein, einen Flansch vorzusehen,

Wie bereits erwähnt, liegt das zu behandelnde Ma- und sei es auch nur aus Sicherheitsgründen.

Eine Elektronen emittierende Kathode ist unmittelbar unterhalb des offenen Endes des Zuführungsrohres angeordnet und von einer Abschirmung um-

die Stücke entweder fest und massiv sein können, 50 geben, die die emittierten Elektronen auf das Material oder sie können auch bei Stoffen, bei denen die Er- im unteren Ende des Rohres fokussiert. Nach einer findung mit besonderem Vorteil anzuwenden ist, z. B. bevorzugten Ausführungsform ist die Kathode ringbei Titan, als Metallschwamm gegeben sein. Unab- förmig ausgebildet, und sie ist koaxial mit der Öffhängig von der Form, in der das Material im einzel- nung des Zuführungsrohres angeordnet. Wie aus der nen vorliegt, wird jedoch die in den Einfülltrichter 13 55 Zeichnung hervorgeht, besteht die Kathode aus einer eingebrachte Chargierung verhältnismäßig hohe An- einzelnen Windung eines kräfigen Wolframdrahtes

oder einer Wolframstange 39, und die zur Fokussierung dienende Abschirmung ist als ringförmiger Kanal ausgebildet, welcher einen Flansch 41 besitzt, der die Chargierung in den Förderer 19 entleert wird, 60 oberhalb der Kathode nach innen gerichtet ist, und wird jedoch die Luft in den Zwischenräumen zwi- es kann auch ein Flansch 43 vorgesehen sein, der in

ähnlicher Art unterhalb der Kathode nach innen gezogen ist, wobei eine Mittelöffnung frei gelassen ist, durch die das in dem Entladungsbereich geschmol-

adsorbiert, gelöst oder in anderer Weise in den festen 65 zene Material hindurchtropfen kann. Die Abschir-Teilen des Metalls derart verteilt sind, daß sie nicht mung kann aus Metall bestehen, und sie ist in diesem durch die Evakuierung in der Vakuumschleuse ent- Fall mit dem Kathodenkreis derart verbunden, daß fernt werden können. sie im wesentlichen auf Kathodenpotential gehalten

geschlossen und die Vakuumschleuse evakuiert, bis der Druck innerhalb der Schleuse im wesentlichen auf den Druck im Behälter 1 herabgesetzt ist. Dann

terial in zerteilter Form vor. Es kann also beispielsweise in Pulverform, granuliert, oder in stückiger Form vorliegen, z. B. in Form von »Pellets«, wobei

teile an Luft enthalten, und zwar teilweise in adsorbierter Form und teilweise in den Zwischenräumen zwischen den einzelnen Teilchen des Gutes. Bevor

sehen den Teilchen durch Pumpe 11 entfernt sein, so daß das von dem Förderer ausgebrachte Material nur solche Gase oder Verunreinigungen enthält, die z. B.

ist. In vorliegendem Fall ist angenommen, daß die Abschirmung aus einem hitzebeständigen Isoliermaterial, z. B. aus Elektroporzellan, Sillimanit oder gesintertem Steatit besteht, wobei die Kathode durch die Abschirmung mit Hilfe von Auflagerungen 45 gehalten ist, die am Umfang der Abschirmung angeordnet und nach innen vorgezogen sind. Es ist dabei technisch ohne wesentliche Bedeutung, ob die Abschirmung aus leitendem oder isolierendem Material besteht, da eine aus Isoliermaterial bestehende Abschirmung fast sofort eine Ladung von den von der Kathode emittierten Elektronen aufnimmt, so daß die Oberfläche der Abschirmung auf Kathodenpotential oder ein etwas stärker negatives Potential gebracht wird, wobei die Differenz gegenüber dem Kathodenpotential der in Elektronenvolts ausgedrückten maximalen Geschwindigkeit, mit der die Thermoemission von der Kathode erfolgt, hinzugerechnet werden kann.

Im Betrieb arbeitet die Kathode auf einem Potential, das zwischen einigen hundert und einigen tausend Volt gegenüber dem in dem Zuführungsrohr enthaltenen Material negativ ist, wobei Spannungen in der Größenordnung über 1000 Volt bevorzugt werden. Zweckmäßig sind das Zuführungsrohr und das darin vorhandene Material elektrisch unmittelbar mit dem geerdeten Behälter 1 verbunden. Die negative Spannung für die Kathode wird in diesem Fall durch eine Gleichstromversorgung 47 üblicher Bauart geliefert, in der eine Transformatorwicklung vorhanden ist, die Wechselstrom für die Heizung der Kathode liefert. Es ist möglich, den Entladungsvorgang mit Wechselstrom aufrechtzuerhalten, wobei eine Entladung nur dann erfolgt, wenn die Kathode gegenüber dem in dem Zuführungsrohr enthaltenen Material negativ ist. Die letztere Ausführungsform ist jedoch nur dann möglich, wenn das zu behandelnde Material bei Schmelztemperatur nur in geringem Umfange Elektronen emittiert. Bei dem Material, auf das sich die Erfindung insbesondere bezieht, ist dies nicht allgemein der Fall. Ein Elektronen- oder Teilchenaufprall in entgegengesetzter Richtung kann zur schnellen Zerstörung der Kathode führen, und aus diesem Grunde ist es wirtschaftlichen Gründen fast immer erforderlich, eine Quelle einer hohen Gleichspannung zu verwenden.

In das Zuführungsrohr ist von oben her eine hin- und herbewegbare Stoßeinrichtung 49 eingeführt. Bei der in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsform weist die Stoßeinrichtung ein Stück Stahlrohr verhältnismäßig kräftiger Wandstärke auf, das auch in seiner oberen Stellung bei der Hin- und Herbewegung noch mit einem entsprechenden Teil innerhalb des Zuführungsrohres liegt. Eine Öffnung 51, die z. B. schlitzförmig ausgebildet sein kann, ist in der Wandung des Rohrstückes ausgespart und nimmt die Zuführungsrinne 25 des Vibrationsförderers auf, so daß das geförderte Material innerhalb der Stoßeinrichtung in das Zuführungsrohr fallen kann. Das obere Ende des Rohrstückes der Stoßeinrichtung ist in geeigneter Weise abgeschlossen, und es greift an diesem Ende eine Stange 53 an. Die Stange 53 ist durch eine geeignete Dichtung 55 in der oberen Wandung des Behälters 1 hindurchgeführt. Außerhalb des Behälters ist eine kürzere Stange 57 vorgesehen, die mit einer Kurbel 59 verbunden ist. Die Kurbel wird durch einen Motor 61 angetrieben, so daß der Stange 53 der Stoßeinrichtung 59 eine hin- und hergehende Stoßbewegung erteilt wird. Die Stoßeinrichtung arbeitet während des Betriebes der Vorrichtung ununterbrochen. Sie kann auch in anderer zweckmäßiger Weise ausgebildet sein; so kann z. B. ein mittig angeordneter massiver Stößel vorgesehen sein, jedoch wird die vorbeschriebene Ausführungsform im allgemeinen zweckmäßiger sein, da sie eine gleichmäßigere Betriebsweise ermöglicht.
Wenn die Vorrichtung in Betrieb genommen werden soll, wird man im allgemeinen zunächst das untere Ende des Zuführungsrohres mit einer Scheibe absperren müssen, die vorzugsweise ein Stück aus gereinigtem Material der zu schmelzenden Art ist. Diese Scheibe verhindert, daß die Materialteile bei Beginn des Behandlungsvorganges frei durch das Zuführungsrohr hindurchfallen können. Wenn dann der erforderliche Grad der Evakuierung innerhalb des Behälters erreicht ist, werden die Stromkreise zur Einführung der zum Schmelzen benötigten Energie geschlossen, und es kann der Entladungsvorgang einsetzen, der auf die Mitte der zur zeitweiligen Schließung dienenden Scheibe gerichtet ist. Dadurch wird die Scheibe zunächst in der Mitte geschmolzen werden, und das geschmolzene Material fällt in Form von Tropfen 63 in eine geeignete Aufnahme, die z. B. der Eingangsteil einer Form zur kontinuierlichen Ausbildung eines Blocks od. dgl. sein kann; da eine solche Einrichtung jedoch nicht in unmittelbarem Zusammenhang mit der Erfindung steht, ist die Aufnähme im vorliegenden Fall als Tiegel 65 dargestellt. Der Schmelzvorgang wird in der Mitte der abschließenden Scheibe eingeleitet, weil die Elektronen des Entladungsvorganges im wesentlichen auf diesen Punkt gerichtet sind und auch, weil die weiter außen gelegenen Teile der Scheibe durch die Berührung mit der Wandung des Zuführungsrohres gekühlt sind. Oberhalb und seitlich der Zone, in der das Material im Bereich der Öffnung flüssig ist, befindet sich eine Zone, die als Sinterzone bezeichnet werden kann und in der das Material sich mehr oder weniger plastisch verhält, da die Temperatur in diesem Bereich durch Wärmeleitung und Strahlung aus der Schmelzzone auf die Sintertemperatur erhöht ist. Oberhalb der Sinterzone stellt sich ein fallender Temperaturgradient ein, bis im oberen Teil der Materialsäule innerhalb des Zuführungsrohres die Temperatur des Materials im wesentlichen gleich der Umgebungstemperatur ist.

Durch die in kontinuierlicher Folge aufgebrachten

Stöße wird das Material von oben in die Sinterzone gedrückt. Bei jeder Aufwärtsbewegung der Stoßeinrichtung wird ein Teil des zunächst innerhalb des Rohrstückes der Stoßeinrichtung befindlichen Materials nach außen zur Wandung des Zuführungsrohres fallen, und beim Niederdrücken der Stoßeinrichtung wird das neu hinzugetretene Material dann in Abwärtsrichtung zur Sinterzone gedrückt. Bereits in einem verhältnismäßig kurzen Abstand unterhalb des Endes der Abwärtsbewegung der Stoßeinrichtung wird die von der Stoßeinrichtung ausgeübte Kraft nahezu gleichmäßig über den gesamten Querschnitt des Zuführungsrohres verteilt und, da die heißeste Stelle bei der Materialsäule in der Mitte liegt, stellt sich in der Mitte der Säule in der Sinterzone die festeste Packung ein, wobei das Material hier am stärksten plastisch ist. Oberhalb dieses Bereiches wird durch die konstante Stampfbewegung eine Verfestigung erreicht, und es werden die einzelnen Teilchen des Materials etwa nach Art eines Pfropfens derart

zusammengedrückt, daß die Auslaßöffnung gesperrt wird und eine Vorwärtsbewegung nur entsprechend dem Fortschreiten des Schmelzvorganges möglich ist. Nicht kondensierbare, adsorbierte Gase werden freigegeben, bevor die Sintertemperatur erreicht ist, und wenn die Teilchen verhältnismäßig fein sind, kann der in der erwähnten Weise gebildete Pfropfen praktisch homogen sein. Wenn Material schwammiger Beschaffenheit als Ausgangsmaterial verwendet wird, bleibt der Pfropfen im allgemeinen porös. Bei Metall von schwammiger Beschaffenheit und einem Zuführungsrohr von ungefähr 6 cm Durchmesser, das im wesentlichen entsprechend der Zeichnung ausgebildet ist, wird sich eine Sinterzone von etwa linsenartiger Form einstellen, die in der Mitte etwa 1 bis 2 cm stark ist und deren Stärke zum Rand hin abfällt. Diese gesinterte pfropfenartige Zone wird in einem kontinuierlichen Vorgang durch die Öffnung gepreßt, und der Vorgang wird im wesentlichen in gleicher Art wie zu Beginn fortgesetzt, wobei die gasförmigen Verunreinigungen hauptsächlich oberhalb der Sinterzone freigegeben und durch die Vakuumeinrichtung über Öffnung 51 abgeführt werden, so daß sie nicht in den Entladungsweg gelangen können.

Die normalerweise festen, jedoch verdampfbaren Verunreinigungen, die Schwierigkeiten verursachen können, wenn sie in einem nach dem beschriebenen Verfahren behandelten Material auftreten, können nicht in dieser Weise nach rückwärts abgeführt werden, wobei eine kumulative Wiederkondensation, eine Rückführung und entsprechende Konzentration erfolgen würde. Die Chloride des Natrium und Magnesium, aus denen die Verunreinigungen in der Hauptsache bestehen, sind ziemlich gleichmäßig über das feste Material verteilt, und sie treten in einem außerordentlich niedrigen Prozentsatz auf. Sie können aus dem Material, in dem sie eingeschlossen sind, nicht entweichen, bevor tatsächlich der Schmelzvorgang stattfindet. Im vorliegenden Zusammenhang sei der Vorgang der Sinterung definiert als eine Verschweißung der Teilchen durch Hitze und Druck, und es ist bekannt, daß sich dieser Vorgang bei Temperaturen einstellen kann, die unter derjenigen Temperatur liegen, bei der das gesinterte Material geschmolzen wird. Es werden daher die festen Verunreinigungen in dem Material zunächst eingeschlossen und verhältnismäßig gleichförmig verteilt bleiben, bis sie die Zone erreichen, in der schließlich die Schmelzung stattfindet. Die Schmelzzone dehnt sich immer mehr zum Rand des Zuführungsrohres aus, je mehr der Pfropfen weiterbewegt wird, und es stellt sich dann eine verhältnismäßig große Flüssigkeitsoberfläche ein, aus der die erwähnten Stoffe nunmehr verdampfen können. Die Oberflächenspannung der Metalle ist hoch, und sie fällt nicht ab, bevor das Material in die Gegend der unteren festen Teile der behandelten Fläche gelangt, und es sammelt sich dann in verhältnismäßig großen Tropfen, wobei sich eine neue frei werdende Oberfläche bildet. Wenn nun aus dieser Fläche irgendwelche flüssigen oder festen Teile herausragen, so treten Feldkonzentrationen auf, die die Tendenz haben, Elektronen anzuziehen und eine örtliche Energiekonzentration und Schmelzung zu verursachen, wobei beim Fallen eines Tropfens im allgemeinen eine Aussparung oder Mulde entsteht, welche bewirkt, daß sich der Entladungsvorgang auf andere vorstehende Teile konzentriert. Es werden nun dauernd neue Flächen frei, von denen die verdampften Verunreinigungen freigegeben werden, ohne das ein Verspritzen von Material stattfindet. Dieser Vorgang ist verhältnismäßig ausgeglichen, so daß der Druck innerhalb des elektrischen Entladungsweges im wesentlichen konstant bleibt und etwas oberhalb des Durchschnittsdruckes innerhalb des Behälters 1 liegt. Die verdampften Verunreinigungen dissoziieren in dem Entladungsbereich und bilden ein Ionenplasma, das die Raumladung teilweise neutralisiert und den

ίο ganzen Entladungsvorgang in eine Glimmentladung überführt, die bei der beschriebenen Verfahrensweise besonders vorteilhaft ist und nicht zur Ausbildung eines unstabilen Lichtbogens mit »hartem Kern« führen kann.

Bei dem vorgesehenen Verfahren ist auch sichergestellt, daß keine explosive Freigabe von Wasserdampf in dem Entladungsweg erfolgen kann; hierfür sind jedoch im wesentlichen andere Gründe maßgebend.

Wenn in Metallpulver oder Metallschwamm Wasser vorhanden ist, so ist dieses nicht wie die erwähnten festen Verunreinigungen normalerweise in den Stücken oder Teilchen selbst verteilt, sondern es ist durch Adsorbtionserscheinungen auf den Oberflächen gehalten. Wenn das behandelte Material Zirkoniumpulver ist, das in der Atmosphäre naß behandelt werden muß, wird der größte Teil des Wassers bei der vorangehenden Evakuierung in der Vakuumschleuse oder durch sonstige Trockenverfahren entfernt, bevor es in den Hauptvakuumbehälter eingeführt wird. Zurück bleibt lediglich eine adsorbierte Schicht an der Oberfläche der Teilchen. Da sich diese Schicht an der Oberfläche befindet und der Dampfdruck des Wassers bei allen Temperaturen wesentlich höher ist als der der festen Verunreinigungen, wird das Wasser von den behandelten Teilchen entfernt, bevor diese die zur Sinterung erforderliche Temperatur erreichen. Bei den Temperaturen und Drücken, die innerhalb der Materialsäule in dem Zuführungsrohr herrschen, besteht keine Veranlassung zur Wiederkondensierung und Konzentrierung, so daß unter den Bedingungen des vorgesehenen Verfahrens das Wasser als eines der »nichtkondensierbaren Gase« angesehen werden kann. Der in den Entladungsweg freigegebene Anteil an Wasserdampf, falls ein solcher überhaupt vorhanden sein sollte, ist so vernachlässigbar gering, daß er praktisch nicht in Erscheinung tritt und kein Verspritzen des Materials usw. verursachen kann.
Wie sich aus den vorangegangenen Betrachtungen ergibt, ist die in der Zeichnung dargesteEte Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung besonders vorteilhaft anwendbar, jedoch kann das Verfahren grundsätzlich auch mit anderen, entsprechend arbeitenden Vorrichtungen ausgeführt werden. Bei der Erfindung ist von besonderer Bedeutung, daß die dem Schmelzvorgang ausgesetzte Fläche so angeordnet ist, daß das Metall mit der gleichen Geschwindigkeit abtropfen kann wie es schmilzt, und daß das zu behandelnde, mehr oder weniger feinzerteilte Material verhältnismäßig geschlossen durch einen Bereich mit kontinuierlich ansteigendem Temperaturgradienten vorwärts bewegt wird und daß es dabei unier der Einwirkung von Kräften steht, die stark genug sind, um es zusammenzudrücken und vorzugsweise derart zu sintern, daß die einzelnen Teile nicht durch die Austragsöffnung gelangen können, ohne zu schmelzen. Das zweckmäßige Verfahren zur Herstellung des ansteigenden Tempe-

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raturgradienten im Hinblick auf die Freigabe der in dem zerteilten Material enthaltenen Gase ist die Wärmeleitung, die sich von der Ausflußöffnung her einstellt, in der die abschließende Schmelzung erfolgt, und das zweckmäßigste Mittel zum Aufbringen des erforderlichen Drucks zur Verfestigung und Sinterung des vorwärts bewegten Materials ist die Kühlung und eine Verengung der Öffnung, durch die das Material austritt, so daß die Peripherie der Materialsäure in diesem Punkt nicht flüssig, sondern plastisch ist und eine Art Extrusionsvorgang (im Unterschied zu einem freien Flüssigkeitsfluß) am Austrittspunkt eintritt. Es ist eine bekannte Erscheinung, daß Materialstücke, die man durch eine Öffnung zu drücken versucht, bei entsprechenden Abmessungen zwar ohne weiteres einzeln durch die Öffnung gelangen könnten, sich aber verklemmen, wenn man versucht, sie unter Druck durch die öffnung zu bringen, insbesondere wenn die Materialstücke unregelmäßig geformt sind und die Wände der Führung einen hohen Reibungskoeffizienten haben, so daß schon ohnehin eine entsprechende Gegenkraft vorhanden ist. Bei einigen Arten von Ausgangsmaterialien, z. B. bei gebrochenen Teilen von schwammiger Beschaffenheit, wird weder eine Kühlung des Zuführungsrohres noch eine Einschnürung am Ausgangsende oder selbst der Sintervorgang als solcher unbedingt notwendig sein. Ein nichtglasiertes keramisches Zuführungsrohr ohne kühlende Querschnittsverminderung kann in ausreichendem Umfang einer verzögernde Reibung verursachen und ein entsprechendes Zusammendrücken der Stücke bewirken, jedoch ist in einem solchen Zuführungsrohr der Temperaturgradient so niedrig, daß die gesinterte Zone erheblich stärker sein wird, als es bei einer gekühlten Metallzuführungsröhre der Fall ist. Andererseits wird bei einem gekühlten Zuführungsrohr und einem stark porösen Material von schwammiger Beschaffenheit und bei geringer Wärmeleitfähigkeit die Sinterzone praktisch mit der Schmelzzone zusammenfallen oder sich mit ihr überschneiden. Bei bestimmten Materialarten werden daher nicht alle beschriebenen Verfahrensschritte notwendig sein, und es können auch bei der Vorrichtung zur Behandlung der Materialarten entsprechende Vereinfachungen vorgenommen werden. Die Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens kann auch gegenüber der dargestellten und beschriebenen Vorrichtung in zweckmäßiger Weise geändert werden. So ist es z. B. möglich, das Verfestigen und Zusammendrücken des Materials nicht mit Hilfe einer Stoßeinrichtung, sondern z. B. mit Hilfe eines Schraubenförderers vorzunehmen, der nach dem Fleischwolfprinzip arbeitet. Die Zuführung des Materials braucht nicht in vertikaler Richtung zu erfolgen, sondern es kann auch eine im wesentlichen horizontale Zuführung vorgesehen sein, und es kann auch die Schmelzzone im wesentlichen vertikal angeordnet und nicht unmittelbar nach unten gerichtet sein. Auch kann die Einschnürung zum Aufbringen des Druckes, der zum Zusammendrücken oder Sintern des Materials im allgemeinen notwendig ist, in anderer geeigneter Weise ausgeführt werden. Bei der Behandlung von Materialarten, die nur gasförmige Verunreinigungen enthalten, kann es zweckmäßig sein, das frühere Verfahren einzusetzen, da dies weniger Leistung bei der Zuführungseinrichtung erfordert, um das nicht verfestigte Material durch das freie Ende der Materialsäule zu drücken, und es ist auch ein weniger starkes Vakuumsystem notwendig, um den Grad des Vakuums im elektrischen Entladungsweg auf der erforderlichen Höhe zu halten. Die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung hat den Vorteil, daß man mit ihr Ausgangsmaterialien behandeln kann, die kondensierbare Verunreinigungen enthalten oder nicht enthalten, und zwar weitgehend unabhängig von dem Grad der Zerteilung. Das Material kann also sowohl in großen Stücken als

ίο auch in sehr feiner pulverförmiger Verteilung vorliegen. Im Hinblick auf bestimmte Aufgabenstellungen haben beide Verfahren ihre Vorteile. Die vorliegende Erfindung ermöglicht jedoch die Lösung von Aufgaben, die bisher nicht oder nur unter großen Schwierigkeiten gelöst werden konnten.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Vakuumschmelzung von Metallen, die in stückiger oder feinverteilter Form gegeben sind, bei dem das zu behandelnde Mateas rial in einer in einem evakuierten Raum untergebrachten abwärts gerichteten rohrförmigen Führung weiterbewegt und anschließend, gegebenenfalls nach vorheriger Sinterung, abgeschmolzen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Material in stückiger oder feinverteilter fester Form in die rohrförmige Führung eingebracht wird und am Ausgangsende der Führung durch eine Querschnittsverengung der Führung an der Weiterbewegung gehemmt und gegen die hemmende Wirkung durch die Ausgangsöffnung gedrückt wird und eine elektrische Glimmentladung auf die aus der Öffnung austretenden Teile gerichtet ist, um diese im Augenblick des Austritts zu schmelzen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material kurz vor oder in der Zone der Materialstauung zusammengesintert wird, bevor es nach weiterer Bewegung die Schmelzzone erreicht, derart, daß das Material beim Übergang in den freien Fall bereits Schmelztemperatur besitzt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das abwärts bewegte Material unmittelbar hinter der Schmelz- und Sinterzone gekühlt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zu Beginn des Behandlungsvorganges ein massives Metallstück an derjenigen Stelle der rohrförmigen Führung angeordnet wird, an der die Glimmentladung die Abschmelzung bewirkt.

5. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein in einem evakuierten Behälter (1) angeordnetes Zuführungsrohr (27) mit einer Einführungsöffnung und einer im wesentlichen abwärts gerichteten Ausgangsöffnung, eine Einrichtung (39, 41) zur Erzeugung einer Glimmentladung sowie einen rohrförmigen Kolben (49) mit Antrieb (53, 57, 59, 61) zur Verdichtung und Fortbewegung des Materials (23).

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgangsende des Zu-

führungsrohres (27) ein Ringflansch (29) angeordnet ist, der die AusgangsöfiEnung umgibt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch eine Kühleinrichtung (31), durch die das Zuführungsrohr (27) gekühlt wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kolben (49) eine Öff-

nung (51) vorgesehen ist, durch welche die zu schmelzenden Materialteile zugeführt werden können.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1041255.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen