DE1152770B - Method for operating an electron beam melting plant and an electron beam melting plant - Google Patents

Method for operating an electron beam melting plant and an electron beam melting plant

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DE1152770B DEH42893A DEH0042893A DE1152770B DE 1152770 B DE1152770 B DE 1152770B DE H42893 A DEH42893 A DE H42893A DE H0042893 A DEH0042893 A DE H0042893A DE 1152770 B DE1152770 B DE 1152770B
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Description

Bei Elektronenstrahlschmelzanlagen mit absenkbarem Tiegelboden ist es aus schmelztechnischen Gesichtspunkten notwendig, den Metallschmelzspiegel während des Schmelzprozesses möglichst in gleicher Höhenlage zu halten. Der Tiegelboden muß daher in Abhängigkeit von dem Zuwachs des sich im Tiegel ansammelnden erschmolzenen Metalls abgesenkt werden.In the case of electron beam melting systems with a lowerable crucible bottom, this is important from a melting point of view necessary to keep the metal melt level as constant as possible during the melting process Maintain high altitude. The bottom of the crucible must therefore depend on the growth in the crucible accumulating molten metal can be lowered.

Es ist bekannt, bei Vakuum-Schmelzanlagen die Höhenlage des Metallschmelzspiegels im Schmelztiegel rein optisch zu ermitteln und dann die Absenkgeschwindigkeit des Tiegelbodens auf Grund dieser optischen Ermittlung einzustellen. Die zur rein optischen Ermittlung benutzten Geräte besitzen jedoch den Nachteil, daß ihre Bauelemente, wie z. B. Linsen, durch Bedampfen oder durch Bespritzen mit erschmolzenem Metall nur relativ kurze Zeit benutzt werden können. Darüber hinaus ist es mit solchen Geräten nicht möglich, eine selbsttätige Regeleinrichtung bzw. Regelung der Höhenlage des Metall-Schmelzspiegels aufzubauen bzw. durchzuführen.It is known that the height of the molten metal level in the melting crucible in vacuum melting systems to determine purely optically and then the lowering speed of the crucible bottom on the basis of this optical determination. However, the devices used for purely optical determination have the disadvantage that their components, such as. B. lenses, by steaming or by spraying with molten metal can only be used for a relatively short time. In addition, it is with such Devices not possible, an automatic control device or control of the height of the metal melting level to build or to carry out.

Diese Nachteile werden erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß mittels eines lichtempfindlichen Strahlungsempfängers, etwa einer Fotozelle oder eines Thermometers, dem mindestens eine Blende vorgeschaltet ist, ein vorgegebener, ausreichend kleiner Bereich der Innenwand des Schmelztiegels direkt oberhalb der gewünschten maximalen Höhenlage des Metallschmelzspiegels anvisiert wird, so daß bei Erreichen oder Überschreiten dieses Bereichs durch den Metallschmelzspiegel die von der Schmelze ausgehende, dann auf den Strahlungsempfänger fallende geänderte Strahlung in diesem eine Änderung des Stromes oder der Spannung bewirkt, die, vorzugsweise verstärkt, über eine an sich bekannte Regeleinrichtung wenigstens zeitweise zur Vergrößerung der Absenkgeschwindigkeit des Tiegelbodens benutzt wird. Der Strahlungsempfänger, beispielsweise eine Fotozelle oder ein Thermoelement, ist in einem einseitig offenen Rohr angeordnet. Das offene Rohrende ragt in das Innere der Schmelzanlage so weit hinein, daß von dem geschmolzenen Metall geradlinig sich ausbreitende Dämpfe nicht auf den Strahlungsempfänger selbst auftreffen können. In dem Rohr sind zum Abfangen von Metalldämpfen außerdem noch mindestens eine, vorzugsweise zwei bis drei Blenden angeordnet, die beispielsweise auch gekühlt werden können.These disadvantages are avoided according to the invention in that by means of a light-sensitive radiation receiver, for example a photocell or a thermometer, which is preceded by at least one aperture is, a predetermined, sufficiently small area of the inner wall of the crucible directly above the desired maximum height of the molten metal level is targeted, so that at Reaching or exceeding this area through the metal melt level the starting from the melt, then falling on the radiation receiver changed radiation in this a change in the Causes the current or the voltage, which is preferably amplified via a control device known per se at least temporarily used to increase the lowering speed of the crucible bottom will. The radiation receiver, for example a photocell or a thermocouple, is one-sided arranged open pipe. The open end of the pipe protrudes into the interior of the melting plant so far that vapors spreading in a straight line from the molten metal do not hit the radiation receiver can hit yourself. There are also metal vapors in the tube at least one, preferably two to three diaphragms are arranged, which are also cooled, for example can.

Zu Beginn des Schmelzprozesses wird die an sich bekannte Tiegelbodenabsenkeinrichtung auf eine der berechneten Schmelzgeschwindigkeit entsprechende, nicht so große vorgegebene Absenkgeschwindigkeit Verfahren zum Betreiben
einer Elektronenstrahlschmelzanlage
und ElektronenstrahlschmelzanlageAt the beginning of the melting process, the crucible bottom lowering device, known per se, is operated to a predetermined lowering speed that corresponds to the calculated melting speed and is not so great
an electron beam melting plant
and electron beam melting equipment

Anmelder:Applicant:

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

Dipl.-Phys. Helmut Gruber, Herbert StephanDipl.-Phys. Helmut Gruber, Herbert Stephan

und Helmut Scheidig, Hanau/M.,and Helmut Scheidig, Hanau / M.,

sind als Erfinder genannt wordenhave been named as inventors

eingestellt. Erreicht oder überschreitet der Metallschmelzspiegel während des Schmelzprozesses die vorgegebene maximale Höhenlage, so löst die von der Schmelze ausgehende, dann auf den Strahlungsempfänger auftreffende geänderte Strahlung in diesem eine Änderung, beispielsweise einen Strom, aus. Dieser Strom wird vorzugsweise in einem Verstärker verstärkt und dann auf eine an sich bekannte Regeleinrichtung gegeben und eventuell zur Anzeige gebracht (eventuell auch zur Signalgebung benutzt), die dann auf den Motor der Absenkeinrichtung einwirkt, so daß wenigstens zeitweise, nämlich so lange, bis der Metallschmelzspiegel wieder die gewünschte vorgegebene maximale Höhenlage unterschritten hat, die Absenkgeschwindigkeit vergrößert wird.set. The metal melt level reaches or exceeds the during the melting process given maximum altitude, then releases the one emanating from the melt, then onto the radiation receiver impinging changed radiation in this a change, for example a current. This current is preferably amplified in an amplifier and then to a control device known per se given and possibly brought to the display (possibly also used for signaling), the then acts on the motor of the lowering device, so that at least temporarily, namely until the molten metal level has again fallen below the desired predetermined maximum altitude, which Lowering speed is increased.

Es ist selbstverständlich, daß man noch einen weiteren Strahlungsempfänger vorsehen kann, der auf einen anderen, tiefer liegenden, vorgegebenen, ausreichend kleinen Bereich des Schmelztiegels ausgerichtet ist, so daß beispielsweise bei Erreichen oder Unterschreiten dieses anderen Bereiches mit dem weiteren Strahlungsempfänger eine Änderung im Stromkreis der lichtempfindlichen Elemente erfolgt, die, vorzugsweise wiederum verstärkt, über eine Regeleinrichtung den Motor der Absenkeinrichtung so beeinflußt, daß die Absenkbewegung des Tiegelbodens wenigstens zeitweise verkleinert, abgestoppt oder sogar eine Aufwärtsbewegung des Tiegelbodens ausgelöst wird. Die gleichzeitige Benutzung zweier Strahlungsempfänger ermöglicht es, den Metall-It goes without saying that one can still provide a further radiation receiver that on another, deeper, predetermined, sufficiently small area of the crucible is aligned is, so that for example when reaching or falling below this other range with the further radiation receiver there is a change in the circuit of the light-sensitive elements, which, in turn, preferably amplifies, the motor of the lowering device via a control device influenced so that the lowering movement of the crucible bottom is at least temporarily reduced, stopped or even an upward movement of the crucible bottom is triggered. The simultaneous use of two Radiation receiver enables the metal

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schmelzspiegel zwischen zwei vorgegebenen Höhenlagen zu halten.Melting level between two given altitudes to keep.

Weitere Merkmale sind der Beschreibung einer beispielsweisen Einrichtung der Erfindung zu entnehmen.Further features can be found in the description of an exemplary device of the invention.

An einer Haltestange (1), die über eine oder mehrere Druckstufen 2 vakuumdicht in den Schmelzraum 3 eingeführt wird, ist die Abschmelzelektrode 4 befestigt. Der Schmelzraum wird von einem Ofenteil 5 gebildet, der über den Stutzen 6 mittels eines Vakuumpumpenaggregates 7 evakuiert wird. An den Ofenteil 5 ist der Schmelztiegel 8 vakuumdicht angeflanscht. Der Schmelztiegel ist von einem Kühlmantel 9 umgeben. Als Kühlmittel wird beispielsweise Wasser benutzt. An den Ofenteil 5 sind im Ausführungsbeispiel zwei Elektronenkanonen 10 angesetzt. Die Erfindung ist aber nicht auf die Verwendung einer oder mehrerer Elektronenkanonen beschränkt. Die Elektronenstrahlen 11 sind im Ausführungsbeispiel auf das untere Ende der Abschmelzelektrode 4 und den Schmelzsee 12 gerichtet. Das abgeschmolzene Metall wird in dem Schmelztiegel gesammelt. Aus dem bereits abgekühlten geschmolzenen Metall bildet sich der Schmelzblock 13. Der Tiegelboden 14 ruht auf einem beispielsweise mit Außengewinde versehenen Schaft 15, der mittels einer an sich bekannten Absenkeinrichtung, die aus einem Kegelradgetriebe 16,17 und dem Motor 18 besteht, auf- und abwärts bewegt werden kann. An den Ofenteil sind im Ausführungsbeispiel zwei in Rohren 19 a und 19 b angeordnete Strahlungsempfänger angesetzt. Es können selbstverständlich auch mehrere Strahlungsempfänger je in einem Rohr angeordnet sein. Die Rohre 19 a, 19 b sind in Richtung des Schmelzraumes 3 offen. Innerhalb der Rohre sind Blenden 21, die vorzugsweise gekühlt werden können, angeordnet. Die Strahlungsempfänger sind je einer auf die Schmelztiegelbereiche 22 a, 22 b gerichtet, und zwar der Strahlungsempfänger 20 a auf den Schmelztiegelbereich 22a, der Strahlungsempfänger 20 b auf den Schmelztiegelbereich 22 b. Die elektrischen An-Schlußleitungen 23 α und 23 b sind im Ausführungsbeispiel direkt mit dem Anzeigegerät 24 a verbunden, an dessen Stelle auch eine Signalanlage benutzt werden kann, und dieses mit einer Regeleinrichtung 25. Die Anschlußleitungen 23 b sind zunächst mit einem Verstärker 26 verbunden. Bei Verwendung eines Wechselstromverstärkers wird in an sich bekannter Weise der von dem Strahlungsempfänger gelieferte Strom zerhackt, entweder durch Vorschalten einer rotierenden Schlitzblende vor den Strahlungsempfänger oder durch Einbauen eines üblichen Zerhackers in den Stromkreis zwischen Strahlungsempfänger und Verstärker. Von dem Verstärker führen die elektrischen Leitungen weiter zu einem Anzeigegerät 24 b und zu der Regeleinrichtung 25. Die Regeleinrichtung ist ihrerseits wieder mit einem Motor 18 der Absenkeinrichtung für den Tiegelboden 14 verbunden.The consumable electrode 4 is attached to a holding rod (1), which is introduced vacuum-tight into the melting chamber 3 via one or more pressure stages 2. The melting space is formed by a furnace part 5 which is evacuated via the connection 6 by means of a vacuum pump unit 7. The crucible 8 is flanged to the furnace part 5 in a vacuum-tight manner. The crucible is surrounded by a cooling jacket 9. For example, water is used as the coolant. In the exemplary embodiment, two electron guns 10 are attached to the furnace part 5. However, the invention is not restricted to the use of one or more electron guns. In the exemplary embodiment, the electron beams 11 are directed onto the lower end of the consumable electrode 4 and the melt pool 12. The melted metal is collected in the crucible. The melt block 13 is formed from the molten metal that has already cooled down. The crucible bottom 14 rests on a shaft 15, for example provided with an external thread, which moves up and down by means of a lowering device known per se, consisting of a bevel gear 16, 17 and the motor 18 can be moved. In the exemplary embodiment, two radiation receivers arranged in tubes 19 a and 19 b are attached to the furnace part. It goes without saying that several radiation receivers can each be arranged in a tube. The tubes 19 a, 19 b are open in the direction of the melting chamber 3. Orifices 21, which can preferably be cooled, are arranged within the tubes. The radiation receivers are each directed one at the crucible areas 22 a, 22 b , namely the radiation receiver 20 a at the crucible area 22 a, and the radiation receiver 20 b at the crucible area 22 b. In the exemplary embodiment, the electrical connection lines 23 a and 23 b are connected directly to the display device 24 a, instead of which a signal system can be used, and this with a control device 25. The connection lines 23 b are initially connected to an amplifier 26. When using an AC amplifier, the current supplied by the radiation receiver is chopped up in a manner known per se, either by connecting a rotating slotted diaphragm in front of the radiation receiver or by installing a conventional chopper in the circuit between the radiation receiver and the amplifier. The electrical lines lead from the amplifier to a display device 24 b and to the control device 25. The control device is in turn connected to a motor 18 of the lowering device for the crucible bottom 14.

Überschreitet der Metallschmelzspiegel 12 den Schmelztiegelbereich 22 b, so wird in dem Strahlungsempfänger 20 b eine Änderung ausgelöst, die mittels des Verstärkers 26 verstärkt auf das Anzeigegerät 24 & und/oder auf die Regeleinrichtung 25 gegeben wird. Diese verstärkte Störung wirkt in der Regeleinrichtung so, daß der mit ihr verbundene Motor 18 schneller in der Umlaufrichtung angetrieben wird, die eine größere Absenkgeschwindigkeit des Tiegelbodens bewirkt. Dadurch sinkt der Metallschmelzspiegel in erhöhtem Maße ab. Unterschreitet er dabei den Schmelztiegelbereich 22 a, so wird in dem Strahlungsempfänger 20 a eine Änderung ausgelöst. Diese Änderung kann ihrerseits mittels des Anzeigegerätes 24 a zur Anzeige gebracht werden. Andererseits beeinflußt sie die Regeleinrichtung 25 derart, daß die Umlaufgeschwindigkeit des mit ihr verbundenen Motors 18 in der Umlaufrichtung, mit der eine Absenkbewegung des Tiegelbodens einhergeht, zeitweise verkleinert wird oder daß die Umlaufbewegung zeitweise abgestoppt wird. Die Regeleinrichtung kann auch so ausgelegt sein, daß die durch die Unterschreitung des Schmelztiegelbereiches 22 a ausgelöste Änderung die Regeleinrichtung so beeinflußt, daß der Motor 18 momentan abgestoppt und sofort zeitweise in eine solche Umlaufbewegung versetzt wird, daß sich eine Aufwärtsbewegung des Tiegelbodens ergibt. Überschreitet der Schmelzseespiegel dabei wieder den Schmelztiegelbereich 22 b, so wird die Regeleinrichtung durch die im Strahlungsempfänger 20 b ausgelöste Änderung wieder so beeinflußt, daß der Tiegelboden wieder eine Abwärtsbewegung ausführt.If the molten metal level 12 exceeds the crucible region 22 b, a change is triggered in the radiation receiver 20 b , which is amplified by the amplifier 26 and transmitted to the display device 24 and / or to the control device 25. This increased disturbance acts in the control device in such a way that the motor 18 connected to it is driven faster in the direction of rotation, which causes a greater lowering speed of the crucible bottom. As a result, the molten metal level drops to an increased extent. If it falls below the crucible area 22 a, a change is triggered in the radiation receiver 20 a. This change can in turn be brought to the display by means of the display device 24 a. On the other hand, it influences the control device 25 in such a way that the rotational speed of the motor 18 connected to it is temporarily reduced in the direction of rotation with which a lowering movement of the crucible bottom is associated, or that the rotational movement is temporarily stopped. The control device can also be designed so that the change triggered by falling below the crucible area 22a influences the control device so that the motor 18 is stopped momentarily and immediately and temporarily set into such a rotational movement that there is an upward movement of the crucible bottom. If the melting lake level again exceeds the melting crucible region 22 b, the control device is again influenced by the change triggered in the radiation receiver 20 b in such a way that the crucible bottom moves downwards again.

Claims (7)

PATENTANSPRÜCHE:PATENT CLAIMS: 1. Verfahren zum Betreiben einer Elektronenstrahlschmelzanlage, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines lichtempfindlichen Strahlungsempfängers, etwa einer Fotozelle oder eines Thermoelementes, dem mindestens eine Blende vorgeschaltet ist, ein vorgegebener, ausreichend kleiner Bereich der Innenwand des Schmelztiegels direkt oberhalb der gewünschten maximalen Höhenlage des Metallschmelzspiegels anvisiert wird, so daß bei Erreichen oder Überschreiten dieses Bereiches durch den Metallschmelzspiegel die von der Schmelze ausgehende, dann auf den Strahlungsempfänger fallende geänderte Strahlung in diesem eine Änderung des Stromes oder der Spannung bewirkt, die, vorzugsweise verstärkt, über eine an sich bekannte Regeleinrichtung wenigstens zeitweise zur Vergrößerung der Absenkgeschwindigkeit des Tiegelbodens benutzt wird.1. A method for operating an electron beam melting plant, characterized in that a predetermined, sufficiently small area of the inner wall of the crucible is aimed directly above the desired maximum height of the molten metal by means of a light-sensitive radiation receiver, such as a photocell or a thermocouple, which is preceded by at least one aperture is so that when this area is reached or exceeded by the molten metal level, the changed radiation emanating from the melt and then falling on the radiation receiver causes a change in the current or voltage in the latter, which, preferably amplified, at least temporarily via a control device known per se is used to increase the lowering speed of the crucible bottom. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich noch mittels eines weiteren lichtempfindlichen Strahlungsempfängers, dem mindestens eine Blende vorgeschaltet ist, ein vorgegebener, ausreichend kleiner, aber tiefer als die gewünschte maximale Höhenlage des Metallschmelzspiegels liegender Bereich der Innenwand des Schmelztiegels anvisiert wird, so daß bei Erreichen oder Unterschreiten dieses Bereiches durch den Metallschmelzspiegel in dem weiteren Strahlungsempfänger eine Änderung des Stromes oder der Spannung bewirkt wird, die, vorzugsweise verstärkt, über eine an sich bekannte Regeleinrichtung den Antriebsmotor der Absenkeinrichtung so beeinflußt, daß die Absenkbewegung des Tiegelbodens wenigstens zeitweise verkleinert, abgestoppt oder sogar eine Aufwärtsbewegung des Tiegelbodens bewirkt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that additionally by means of a further light-sensitive radiation receiver, which is preceded by at least one diaphragm is, a given, sufficiently smaller, but deeper than the desired maximum altitude the area of the inner wall of the crucible lying on the molten metal level is targeted, so that when reaching or falling below this range through the molten metal level in the further radiation receiver causes a change in the current or voltage, which, preferably reinforced, the drive motor of the control device known per se Lowering device influenced so that the lowering movement of the crucible bottom at least temporarily reduced in size, stopped or even an upward movement of the crucible bottom is caused. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in den beiden Strahlungsempfängern bewirkten Änderungen des Stromes oder der Spannung auf die gleiche Regeleinrichtung gegeben werden.3. The method according to claims 1 and 2, characterized in that in the two Radiation receivers caused changes in the current or the voltage to the same Control device are given. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Schmelzseespiegels zur Anzeige gebracht wird.4. Process according to claims 1 to 3, characterized in that the height of the Melting lake level is displayed. 5. Elektronenstrahlschmelzanlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in einem oder mehreren in zum Schmelzraum offenen Rohren mindestens ein lichtempfindlicher Strahlungsempfänger angeordnet ist, dem mindestens eine vorzugsweise gekühlte Blende vorgeschaltet ist, und die Rohre so an einem oberhalb des Schmelztiegels angeordneten Ofenteil der Elektronenstrahlschmelzanlage angesetzt sind, daß jeder Strahlungsempfänger auf einen vorgegebenen, ausreichend kleinen Bereich der Innenwand des Schmelztiegels ausgerichtet ist, und daß jeder Strahlungsempfänger vorzugsweise über einen Verstärker mit einer an sich bekannten Regeleinrichtung verbunden ist, die ihrerseits mit dem Antriebsmotor der an sich bekannten Tiegelbodenabsenkeinrichtung verbunden ist.5. Electron beam melting system for carrying out the method according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that in one or more in to the melting chamber open tubes at least one light-sensitive radiation receiver is arranged, the at least one preferably cooled Aperture is connected upstream, and the tubes are arranged on one above the crucible Furnace part of the electron beam melting system are set that each radiation receiver on a predetermined, sufficiently small area of the inner wall of the crucible is aligned, and that each radiation receiver preferably has an amplifier with a known per se Control device is connected, in turn with the drive motor of the known per se Crucible bottom lowering device is connected. 6. Elektronenstrahlschmelzanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Schmelzraum offenen Rohre der Strahlungsempfänger so an den Ofenteil angesetzt sind, daß von dem geschmolzenen Metall geradlinig sich ausbreitende Dämpfe nicht auf den Strahlungsempfänger selbst auftreffen können.6. electron beam melting system according to claim 5, characterized in that the for Melting chamber open tubes of the radiation receiver are attached to the furnace part that Vapors propagating in a straight line from the molten metal do not reach the radiation receiver can hit yourself. 7. Elektronenstrahlschmelzanlage nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß den Strahlungsempfängern eine rotierende Schlitzblende vorgeschaltet ist.7. Electron beam melting plant according to claims 5 and 6, characterized in that that the radiation receiver is preceded by a rotating slit diaphragm. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings © 309 667/228 8.© 309 667/228 8.
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