DE1121281B

DE1121281B - Schmelzanlage zum Schmelzen von Metallen unter reduziertem Druck

Info

Publication number: DE1121281B
Application number: DEH37824A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Helmut Gruber
Original assignee: WC Heraus GmbH and Co KG
Current assignee: WC Heraus GmbH and Co KG
Priority date: 1959-11-07
Filing date: 1959-11-07
Publication date: 1962-01-04

Description

Die Erfindung betrifft einen Schmelzofen für Metalle, der unter reduziertem Druck arbeitet. Der Vorteil des Schmelzens unter reduziertem Druck besteht darin, daß man die Qualität des Metalls erheblich verbessern kann, denn durch das Schmelzen unter reduziertem Druck wird das erschmolzene Metall entgast. Zur Durchführung solcher Schmelzen wurden bereits eine Reihe von Schmelzanlagen vorgeschlagen, die hauptsächlich auf drei grundlegenden Verfahren aufbauen und als Erweiterungen bzw. Verbesserungen dieser Schmelzverfahren anzusprechen sind. Zu den grundlegenden Schmelzverfahren wird das induktive, das Lichtbogen- und das Elektronen-Schmelzverfahren gerechnet. Entsprechend dieser Einteilung werden Metalle unter reduziertem Druck auf induktive Weise, mittels Lichtbogen oder mittels Elektronenbombardement auf Schmelztemperatur erhitzt. Bei Anwendung eines der beiden letztgenannten Verfahren besitzt das zu erschmelzende Metall meist die Form einer stabförmigen Elektrode, die abgeschmolzen wird.

Je nach der gewünschten Qualität des Endproduktes wird das Metall beispielsweise in einem Induktions-Schmelzofen, in einem Lichtbogen-Schmelzofen oder in einem Elektronen-Schmelzofen unter reduziertem Druck erschmolzen. Dabei ist für jeden genannten Schmelzprozeß cine getrennte Ofenanlage erforderlich. Zur Gewinnung sehr reiner Metalle hat man auch bereits vorgeschlagen, zwei Schmelzprozesse hintereinanderzuschalten, d. h. das Metall entweder zweimal dem gleichen Schmelzverfahren oder zwei verschiedenartigen Schmelzverfahren zu unterwerfen. Die bekannten Schmelzanlagen zur Durchführung der letztgenannten verschiedenartigen Schmelzverfahren bestehen dabei aus zwei Ofeneinheiten, die zweckmäßigerweise übereinander angeordnet werden, so daß der nach dem ersten Schmelzverfahren gewonnene Schmelzblock sofort in einer zweiten Ofeneinheit mittels des anderen Schmelzverfahrens erschmolzen werden konnte. Solche unter reduziertem Druck arbeitenden Schmelzanlagen sind nicht nur sehr aufwendig, sondern bedingen auch erhebliche Bedienungs- und Wartungsschwierigkeiten.

Demgegenüber bezieht sich die Erfindung auf eine solche unter reduziertem Druck arbeitende Schmelzanlage, die durch die eine Ofeneinheit bildende Kombination eines an sich bekannten, unter reduziertem Druck arbeitenden Lichtbogen-Schmelzofens mit einem an sich bekannten, unter reduziertem Druck arbeitenden Elektronen-Schmelzofen gekennzeichnet ist. Diese Schmelzanlage bietet gegenüber der bekannten Doppelanlage den Vorteil, daß sich ihre Wartung und Bedienung sehr vereinfacht, da wesent-Schmelzanlage zum Schmelzen von Metallen unter reduziertem Druck

Anmelder:

W. C. Heraeus G. m. b. H.,
Hanau/M., Heraeusstr. 12-14

Dipl.-Phys. Helmut Gruber, Hanau/M,
ist als Erfinder genannt worden

liehe Steuerungs- und Bedienungsapparaturen unabhängig von der Art des Schmelzverfahrens benutzt werden können, d. h. daß wesentliche Steuerungs- und Bedienungsapparaturen sowohl für das Lichtbogen- als auch für das Elektronen-Schmelzverfahren die gleichen Aufgaben erfüllen. Hierdurch werden selbstverständlich auch die Kosten gegenüber einer Doppelanlage sehr herabgesetzt. Darüber hinaus ist es mit der erfindungsgemäßen Vakuum-Schmelzanlage möglich, die beiden Schmelzverfahren, also das Lichtbogen- und das Elektronen-Schmelzverfahren, in jeder gewünschten Weise miteinander zu kombinieren, beispielsweise zunächst die Metallelektrode mittels Lichtbogenerhitzung abzuschmelzen und den so gewonnenen Schmelzblock als Abschmelzelektrode für das Erschmelzen mittels Elektronenstrahlen zu verwenden.

An Hand der Figur wird eine Schmelzanlage nach der Erfindung und die Durchführung eines hintereinandergeschalteten Lichtbogen-Elektronen-Schmelzprozesses beschrieben.

In die Ofenkammer 1 ist über Druckstufen 2 — der Übersicht wegen wurde nur eine Druckstufe schematisch dargestellt — die Elektrodenhaltestange 3, an der die Abschmelzelektrode 4 befestigt ist, eingeführt. Über Isolierstücke 5 ist der Tiegel 6 an die Ofenkammer angeflanscht. Die Tiegel ist von einem Kühlmantel 7 umschlossen, auf dessen Zwischenwand 8 eine Magnetspule 9 angeordnet ist. Der Boden 10 des Tiegels 6 ist ebenfalls gekühlt und absenkbar eingerichtet. Die Absenkvorrichtung kann aus einer an sich bekannten mechanischen oder hydraulischen Hebeoder Senkvorrichtung bestehen. Der den Tiegelboden 10 tragende Stempel 11 befindet sich vorteilhafterweise noch innerhalb der Tiegelverlängerung 12 unter reduziertem Druck. Die Ofenkammer 1 ist über den

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Pumpstutzen 13 an ein Pumpenaggregat 14 angeschlossen, das so dimensioniert ist, daß in der Ofenkammer stets der erforderliche reduzierte Druck während des Schmelzprozesses aufrechterhalten werden kann. Innerhalb der Ofenkammer 1 ist eine Elektronenquelle, beispielsweise in Form eines Heizringes 15, angeordnet, an dessen Stelle selbstverständlich auch mehrere Elektronengeneratoren treten können, die vorzugsweise in etwa gleicher Höhe wie der Heizring 15 um die Abschmelzelektrode 4 herum verteilt sind. Sowohl der Heizring 15 als auch die Elektronengeneratoren sind in so großem Abstand von der Abschmelzelektrode angeordnet, daß Glimmentladungen zwischen beiden mit Sicherheit vermieden werden.

Mit der beschriebenen Schmelzanlage kann ein beispielsweise hintereinandergeschalteter Lichtbogen-Elektronen-Schmelzprozeß in folgender Weise durchgeführt werden:

Nach Evakuieren der Ofenkammer 1 wird die an der Elektrodenhaltestange 3 befestigte Abschmelzelektrode 4 in den Tiegel 6 eingeführt. Der Tiegelboden 10 ist so weit nach unten abgesenkt, daß während des ersten Schmelzprozesses der zwischen Abschmelzelektrode 4 und Schmelzsee 16 brennende Lichtbogen 17 sich innerhalb des Tiegels 6 befindet. Die für den Lichtbogen-Schmelzprozeß notwendige Energie wird von einem Hochstromaggregat 18 geliefert und über die beiden Leitungen 19 und 20 zugeführt. Entsprechend der erschmolzenen Metallmenge wird die Elektrodenhaltestange 3 kontinuierlich in die Ofenkammer 1 und damit die Abschmelzelektrode 4 in die Schmelzzone eingeführt. Während der Dauer des Schmelzprozesses kann die Magnetspule 9 an die Stromquelle 21 angeschlossen werden. Das Magnetfeld der Spule 9 hat die Aufgabe, den Lichtbogen 17 zu stabilisieren und gleichzeitig den Schmelzsee 16 umzurühren.

Nach Beendigung des Lichtbogen-Schmelzprozesses wird das an der Elektrodenhaltestange 3 befestigte Endstück 22 in die Metallschmelze eingetaucht. Nach dem Erkalten wird der mittels Lichtbogenerhitzung gewonnene Schmelzblock, der jetzt mit dem Endstück 22 fest verbunden ist, in die Ofenkammer hineingezogen, und zwar so weit, daß sein unteres Ende in den als Beispiel angeführten Heizring 15 hineinragt. Der Schmelzblock wird beim nachfolgenden Elektronenschmelzen wieder als Abschmelzelektrode verwendet. Der Heizring 15, der beispielsweise als Wolframkathode mit oder ohne Thorierung oder als Oxyd- bzw. Borid-Glühkathode ausgebildet ist, ist an die Stromquelle 23 angeschlossen. Durch entsprechende Spannungsverteilung werden die aus der Glühkathode austretenden fokussierten Elektronen auf das untere Ende der Abschmelzelektrode beschleunigt und schmelzen es ab. Das geschmolzene Metall tropft in den gekühlten Tiegel 6 und bildet dort wiederum einen Schmelzsee. Dieser wird von denjenigen Elektronen, die aus dem heruntertropfenden Metall oder dem Ende der Abschmelzelektrode emittiert werden, flüssig gehalten. Der Tiegelboden 10 wird jetzt entsprechend der geschmolzenen Metallmenge kontinuierlich abgesenkt, wodurch der Schmelzsee sich stets in etwa gleicher Höhe befindet. Die Absenkgeschwindigkeit der Abschmelzelektrode wird in bekannter Weise so geregelt, daß das untere Ende der Abschmelzelektrode während des Schmelzvorganges ständig von der Glühkathode umschlossen wird. Bei Verwendung von Elektronengeneratoren befindet sich das untere Ende der Abschmelzelektrode während des Schmelzprozesses stets im Schnittpunkt der auf die Abschmelzelektrode gerichteten Elektronenstrahlenbündel, deren Mittelachse nur sehr gering nach unten geneigt ist. Zur Beschleunigung der Elektronen liegen Abschmelzelektrode und Tiegel während des ganzen Elektronen-SchmelzprttäKses

auf hohem positivem Potential, und zwar der Tiegel auf einem höheren als die Abschmelzelektrode, die Glühkathode auf einem negativen Potential.

Die beschriebene Schmelzanlage gestattet also folgende Schmelzprozesse durchzuführen:

1. Lichtbogenschmelzen unter reduziertem Druck,

2. Elektronenschmelzen unter reduziertem Druck,

3. Lichtbogen- und nachfolgendes Elektronenschmelzen unter reduziertem Druck, und umgekehrt.

Durch die erfindungsgemäße vorteilhafte Konstruktion können also die genannten drei Schmelzprozesse mit einer einzigen Schmelzanlage durchgeführt werden, wofür seither zwei Schmelzofen erforderlich waren. Hierdurch ist also ein erheblicher technischer Fortschritt gegeben.

Die dargestellte Schmelzanlage ist lediglich ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, sie soll aber nicht hierauf beschränkt werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Schmelzanlage zum Schmelzen von Metallen unter reduziertem Druck, gekennzeichnet durch die eine Ofeneinheit bildende Kombination eines an sich bekannten, unter reduziertem Druck arbeitenden Lichtbogen-Schmelzofens mit einem an sich bekannten, unter reduziertem Druck arbeitenden Elektronen-Schmelzofen.

2. Schmelzanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektronenquelle in an sich bekannter Weise ein Heizring, beispielsweise eine ringförmige Wolframkathode mit oder ohne Thorierung oder eine Oxyd- oder Borid-Glühkathode, vorgesehen ist.

3. Schmelzanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektronenquelle in an sich bekannter Weise Elektronengeneratoren vorgesehen sind.

4. Schmelzanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei, vorzugsweise vier oder mehr Elektronengeneratoren ringförmig um die Abschmelzelektrode verteilt sind.

5. Schmelzanlage nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Abschmelzelektrode und Elektronenquelle so groß gewählt ist, daß Glimmentladungen zwischen beiden mit Sicherheit vermieden werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen