DE1172385B - Elektronenstrahlofen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. KL: H 05 b

Deutsche Kl.: 21h-16/60

Nummer: 1172 385

Aktenzeichen: St 17262 VIII d / 21 h

Anmeldetag: 21. Dezember 1960

Auslegetag: 18. Juni 1964

Die Erfindung bezieht sich auf Elektronenstrahlofen zum Schmelzen und Gießen von Materialien im Hochvakuum.

Hochvakuumschmelz- und -gießvorgänge werden vorzugsweise mittels Erhitzung durch Elektronenbeschuß durchgeführt, um erstens das untere Ende einer Verbrauchselektrode aus dem Schmelzgut abzuschmelzen und um zweitens einen Schmelzsumpf des Materials innerhalb des oberen Teils einer Gußform aufrechtzuerhalten.

Zu diesem Zweck sind Elektronenstrahlofen mit einer Elektronenemissionsvorrichtung (Strahlerzeuger) bekannt, bei denen das untere Ende der Verbrauchselektrode nahe oberhalb des offenen Oberteils der Schmelzform angebracht ist. Der aus einer ringförmigen Kathode und einer Fokussierungseinrichtung bestehende Strahlerzeuger liefert dabei die Elektronen zur Beschießung sowohl der Verbrauchselektrode als auch des Schmelzsumpfes in der Gußform.

Ferner sind Elektronenstrahlofen mit zwei Elektronenemissionsvorrichtungen bzw. Strahlerzeugern bekannt, bei denen ein größerer Zwischenraum zwischen der Verbrauchselektrode und der Gußform vorgesehen ist und bei denen der eine Strahlerzeuger zur Beschießung und Abschmelzung der Verbrauchselektrode und der zweite Strahlerzeuger zur Beschießung und Aufrechterhaltung des Schmelzsumpfes im oberen Teil der Gußform dient.

Bei einer bekannten Ausführungsform dieser Bauart findet zur Konzentrierung des Elektronenstrahls auf die geschmolzene Oberfläche des Schmelzgutes ein Strahlerzeuger mit einer scheibenförmigen, indirekt geheizten Kathode Verwendung, die von einem rohrförmigen Abschirmmantel mit am Boden einwärts gerichtetem Ringflansch umgeben ist, der als Fokussierungselektrode wirkt.

Die Elektronenstrahlofen-Bauart mit einem Strahlerzeuger hat sich gegenüber der Bauart mit zwei Strahlerzeugern als günstiger erwiesen, da bei letzterer durch den größeren Zwischenraum zwischen den beiden erhitzten Körpern Wärmeverluste auftreten, die zum Schmelzen und Gießen der gleichen Materialmenge bis zu 25% an elektrischer Mehrenergie erfordern. Der wesentlich geringere Abstand zwischen der Verbrauchselektrode und dem Schmelzsumpf bei der Bauart mit einem Strahlerzeuger vermindert jedoch nicht nur die Wärmeverluste, sondern setzt auch das durch Eintropfen von geschmolzenem Material in dem Schmelzsumpf verursachte Verspritzen beträchtlich herab. Bei dieser Bauart treten jedoch Schwierigkeiten auf, wenn die Elektronenstrahlofen

Anmelder:

Stauffer Chemical Company, New York, N.Y.

(V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. Dr. V. Busse, Patentanwalt,

Osnabrück, Möserstr. 20/24

Als Erfinder benannt:

Charles W. Hanks, Orinda, Calif.,

Hugh R. Smith jun., Piedmont, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. ν. Amerika vom 28. Dezember 1959

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Abmessungen und die Schmelzgeschwindigkeiten erhöht werden und insbesondere dann, wenn als Schmelzgut unreines, beim Schmelzen große Mengen an gasförmigen Stoffen entwickelndes Material verwendet wird. Die entwickelten Gase werden ionisiert, und die Gasfokussierung des Elektronenstrahls verursacht eine bevorzugte Beschießung der heißesten Anodenzone, welche die größte Gasmenge entwickelt. Dies kann zu einer Überhitzung und einer übermäßigen Beschießung des Schmelzgutes gegenüber dem Schmelzsumpf führen; der Strahl kann in das Schmelzgut Kanäle einschneiden oder an den Seiten der Verbrauchselektrode aufsteigen. In extremen Fällen kann die Ablenkung des Strahls vom Schmelzsumpf in der Gußform ein Erstarren des Sumpfes verursachen. Diese Schwierigkeiten machten es bislang im allgemeinen erforderlich, zum erstmaligen Schmelzen von stark verunreinigten Materialien die Anordnung mit zwei Strahlerzeugern anzuwenden, und beschränkten bis zu einem gewissen Grad die maximalen praktischen Schmelzgeschwindigkeiten und die Durchmesser der Verbrauchselektrode und des Gußblocks.

Die Erfindung schafft hier Abhilfe und zeichnet sich ausgehend von einem Elektronenstrahlofen mit einer innerhalb einer Vakuumkammer angeordneten ringförmigen, Elektronen emittierenden Kathode zum Erhitzen und Abschmelzen eines Körpers aus Schmelzgut, dessen abzuschmelzendes Ende in un-

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gefähr zentrischer Lage innerhalb der ringförmigen Kathode angeordnet ist, und mit einer ringförmigen Fokussierungselektrode dadurch aus, daß zwecks Vermeidung jedes geradlinigen Elektronenflusses von dieser Kathode nach innen zu einem beliebigen Teil des Schmelzgutes oberhalb der Unterkante der Fokussierungselektrode zumindest ein Teil der ringförmigen Fokussierungselektrode zwischen der Kathode und dem Schmelzgut angeordnet ist und mit

einem Rand von geringerem Durchmesser als die io verform vorliegt,

welches sich oberhalb des Schmelzsumpfes bildet, durch +-Zeichen angedeutet ist,

F i g. 5 eine Modifikation der Strahlerzeugungseinrichtung, wie sie beim Schmelzen von Stoffen, welche verhältnismäßig wenig gasförmige Substanzen entwickelt, verwendet wird,

F i g. 6 einen teilweisen Vertikalschnitt eines verbesserten Ofens mit zwei Strahlerzeugern, geeignet zur Erstschmelzung eines Materials, welches in PuI-

Kathode in ungefähr gleicher Ebene mit der Kathode liegt.

Die Fokussierungselektrode beschränkt den Elektronenstrahl auf eine Seite der Kathodenfläche, und

F i g. 7 einen teilweisen Vertikalschnitt eines anderen Ofens mit zwei Strahlerzeugern, geeignet zur Erstschmelzung von gepulvertem Material.

In Fig. 1 ist ein evakuierbares, geschlossenes

förmige, wassergekühlte Kupferschmelzform 3 mit ihrer Achse in vertikaler Stellung (wie gezeigt) angeordnet. Durch die Zuleitungsrohre 4 und 5 und den

geschmolzenes Material kontinuierlich in das offene obere Ende der Form 3 eingebracht und in dem Maß, wie die Schmelze erstarrt, der Gußblock 6

da die Verbrauchselektrode aus Schmelzgut mit 15 Gehäuse 1 mit einem weiten Auslaßkanal 2 versehen, ihrem frei stehenden, abzuschmelzenden Ende an die welcher zu Vakuumpumpen entsprechender Lei-Kathodenfläche angrenzend von der anderen Seite stungsfähigkeit zur Aufrechterhaltung eines Hochher eingebracht wird, ist eine übermäßige Ablenkung Vakuums (vorzugsweise weniger als 1 Mikron Hg abdes Elektronenstrahls zum Schmelzgut hin verhin- soluten Drucks) innerhalb des Gehäuses 1 während dert. Unter gewissen, nachfolgend beschriebenen 20 der gesamten Betriebszeit des Ofens führt. In dem Arbeitsbedingungen kann sogar das Schmelzgut voll- Vakuumgehäuse ist eine an den Enden offene ringständig aus dem primären Elektronenstrahl zurückgezogen werden, während das Schmelzen infolge
der Erhitzung des Schmelzgutes durch den nahe

gelegenen heißen Schmelzsumpf und durch das 25 Wassermantel der Form 3 wird kontinuierlich Kühl-Ionenplasma, das sich über diesem bildet, weiter- wasser geleitet. Wie nachfolgend erklärt wird, wird gehen kann. Durch diese Mittel kann die Verwendung von Elektronenstrahlofen mit einem Strahlerzeuger auf Vorgänge größeren Maßstabes und auf
Erstschmelzungen von stärker verunreinigten Ma- 30 kontinuierlich durch den offenen Boden der Form terialien ausgedehnt werden. herausgezogen. Eine übliche Vakuumdichtung 7

Elektronenstrahlofen mit zwei Strahlerzeugern kann vorgesehen werden und vorzugsweise wird der sind noch für gewisse Arbeiten vorzuziehen, so z. B. Block 6 in eine Vakuumschleuse, welche gleichfalls zum Schmelzen von Stoffen, welche ungewöhnlich auf Hochvakuum gehalten werden kann, herausgegroße Mengen gasförmiger Substanzen entwickeln 35 zogen. Ein Teil der Vakuumschleuse ist bei 8 ge- oder welche unter starkem Verspritzen ungleichmäßig zeigt; da sie von üblicher Form ist, erscheint eine schmelzen, sowie für eine Erstschmelzung von Ma- weitere Darstellung oder Beschreibung hiervon nicht terialien, welche in Pulver- oder Stückform vorliegen. erforderlich.

Die Fokussierung nach der Erfindung ist auch in Die Herstellung dichter, lunkerfreier Güsse erfor-

diesem Falle außerordentlich vorteilhaft, da sie es 40 dert, daß ein geeigneter Schmelzsumpf des Gußermöglicht, die Kathode in nicht fluchtender Lage materials an der Spitze des Gußblockes 6 aufrechtmit der Schmelzoberfläche anzuordnen. erhalten wird. Dieser Sumpf wird durch kontinuier-

Dadurch wird eine mehr offene Anordnung für liehen Elektronenbeschuß, wie nachfolgend bedas Abströmen der sich entwickelnden Gase ge- schrieben, im Schmelzzustand erhalten; er wird in schaffen und die Lebensdauer der Kathode infolge 45 einer Pfanne, die sich an der Spitze des Gußblockes Verminderung der Ablagerung von zerstäubten und bildet, gehalten. Die Begrenzung zwischen dem flüsverspritzten Stoffen auf der Kathode und an der Fokussierungseinrichtung erhöht.

Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus den Ansprüchen und der Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung, in der mehrere Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung dargestellt sind. Es zeigt

F i g. 1 einen etwas schematischen vertikalen

Schnitt eines verbesserten Ofens mit einem Strahl- 55 dem gleichen Durchmesser wie der Gußblock; sie erzeuger, kann nach einem ähnlichen vorangegangenen Gieß-

F i g. 2 einen detaillierten horizontalen Querschnitt prozeß gebildet worden sein und wird nun aus Grünentlang der Linie 2-2 von Fig. 1, den einer weiteren Reinigung oder um in anderer

Fig. 3 einen Teil des gleichen Ofens wie in F ig. 1, Weise die Qualität des Barrens zu verbessern, umgedargestellt in einem etwas größeren Maßstab und 60 schmolzen und neuerlich gegossen. Die Verbrauchseine typische Anordnung der verwendeten Teile zu- elektrode 10 hat ihr frei stehendes abzuschmelzendes

unteres Ende in vertikaler Fluchtlinie mit dem offenen oberen Ende der Gußform 3, so daß das geschmolzene Material beim Abschmelzen der Verbrauchselektrode in die Gußform tropft. Die Elektrode 10 wird vorzugsweise über eine übliche Luftschleuse 11 eingeführt und, wenn gewünscht, kann auch eine übliche Vakuumdichtung 12 vorgesehen

sigen Sumpf und dem erstarrten Gußmaterial ist in der Zeichnung durch die gestrichelte Linie 9 dargestellt.

Durch Abschmelzen des unteren Endes einer Verbrauchselektrode 10 aus Schmelzgut wird geschmolzenes Material kontinuierlich in das offene obere Ende der Schmelzform zugeführt. In diesem speziellen Fall ist das Schmelzgut eine Stange von ungefähr

einander gemäß einem bevorzugten Staltverfahren, worin die Elektronenwege durch Pfeile und die elektrischen Äquipotentialflächen durch gestrichelte Linien dargestellt sind,

F i g. 4 eine typische Anordnung der Teile zueinander während des Betriebes und worin der Mantel aus positiven Ionen an der Begrenzung des Plasmas,

werden. Die Verbrauchselektrode wird in der mit der
Schmelzform vertikal fluchtenden Lage mittels eines
ringförmigen Führungsringes 13 gehalten, welcher
vorteilhafterweise durch kontinuierliches Zirkulieren von Kühlwasser über die Leitungen 14 und 15
und durch den Wassermantel des Führungsringes
wassergekühlt sein kann.

Der Strahlerzeuger besteht in der Hauptsache aus
einer ringförmigen Kathode 16 und einer diese im

platte 23, eine untere horizontale Fokussierungsplatte 24 und einen mit der Kathode koaxialen und sie

richtung sind elektrisch leitend und miteinander verbunden — tatsächlich können sie aus einem einzigen Metallstück oder aus mehreren miteinander ver-

Das untere Ende der Verbrauchselektrode 10 und der Schmelzsumpf im oberen Teil der Gußform 3 sind beide auf einem mäßig hohen positiven Potential gegenüber der Kathode 16, so daß die von der Kathode emittierten Elektronen in Richtung des unteren Endes der Elektrode 10 und des Schmelzsumpfes zur Beschießung und Erhitzung derselben angezogen werden. Der Fokussierungszylinder 22 verhindert eine übermäßige Ablenkung des Elekwesentlichen umgebenden Fokussierungskonstruk- io tronenstrahls zur Verbrauchselektrode hin und getion. Wie es am besten in Fig. 2 gezeigt wird, ist währleistet, daß zumindest der Großteil des Strahls die Kathode 16 vorzugsweise eine kreisförmige den Schmelzsumpf in der Gußform beschießt und Drahtschleife, gewöhnlich aus Wolfram, verbunden erhitzt.

mit den beiden Leitungen 17 und 18 zur Zuleitung In der dargestellten Ausführungsform befindet sich

der Heiz- und Emissionsströme. Die Kathode wird 15 auch das evakuierbare Gehäuse 1 auf einem gegenmittels Wechselstromes auf die Emissionstemperatur über der Kathode hohen positiven Potential; es ist erhitzt, z. B. mittels eines zwischen den Leitungen deshalb wünschenswert, daß Mittel vorgesehen 17 und 18 mit einer Sekundärwindung 19 angeschlos- werden, um eine nutzlose und unökonomische Besenen Transformators, welcher eine Primärwindung schießung der Ofenwände durch emittierte Elek-20 hat, die an jede geeignete Wechselstromquelle an- 20 tronen auf ein Mindestmaß herabzusetzen. Zu geschlossen ist. Die Gußform 3 und die Verbrauchs- diesem Zweck hat die Fokussierungseinrichtung elektrode 10 werden vorzugsweise durch Verbinden andere Teile, welche sich vom oberen Ende des mit dem geerdeten Vakuumgehäuse auf Erdpotential Fokussierungszylinders 22 über, rundherum und gehalten und die Kathode mittels des Gleichstrom- unter die Kathode 16 (wie gezeigt) erstrecken und versorgungsteiles 21 auf einem Potential von mehre- 25 einen Ring von innen offenem kanalartigen Querren 1000 V negativ gegen Erde gehalten. schnitt bilden. Diese anderen Teile können zweck-Die Fokussierungskonstruktion kann am leich- mäßigerweise eine horizontale obere Fokussierungstesten durch gesondertes Betrachten ihrer einzelnen
Teile verstanden werden, auch wenn in der Praxis
diese Teile verschweißt oder anderweitig dauernd 30 umgebenden äußeren Zylinder 25 umfassen. Alle verbunden sind oder aus einem einzigen Metallstück diese Teile 22, 23, 24 und 25 der Fokussierungseinhergestellt werden können. Der am meisten kennzeichnende Teil der Fokussierungskonstruktion im
Hinblick auf die vorliegende Erfindung ist der Fokussierungszylinder 22, welcher, wie gezeigt, von 35 schweißten Stücken hergestellt sein — und befinden etwas geringerem Durchmesser als die ringförmige sich deshalb auf gleichem elektrischem Potential. Kathode 16 ist. Der Zylinder 22 ist koaxial mit der Eine Metallstange oder ein Bügel 26 dient zweierlei Kathode 16, und das untere Ende des Fokussierungs- Zwecken: zur Unterstützung der Kathodenhalterung Zylinders liegt angenähert in gleicher Ebene mit der und zur Herstellung einer elektrischen Verbindung Kathode. Die genaue Lage vom unteren Ende des 40 zwischen der Kathode und der Fokussierungseinrich-Fokussierungszylinders und der Kathodenfläche zu- tung, so daß die Fokussierungseinrichtung auf Kaeinander hängt bis zu einem gewissen Ausmaß von thodenpotential gehalten wird. Weitere Träger (nicht der zu schmelzenden Materialsorte ab. Bei Materia- gezeigt) können in Abständen rund um die ringförlien, welche verhältnismäßig wenig gasförmige Stoffe mige Kathode angeordnet sein, um ein übermäßiges entwickeln, ist es vorzuziehen, daß das Ende des 45 Durchhängen derselben in heißem Zustand zu ver-Fokussierungszylinders etwas über der Kathoden- hindern. Diese weiteren Stützen müssen jedoch von fläche liegt, so daß sich die Kathode in einer etwas der Fokussierungseinrichtung isoliert sein, um ein freieren Stellung befindet, wodurch das elektrische Kurzschließen des Kathodenheizstroms zu vermeiden. Feld leichter Elektronen aus der Kathodenoberfläche Zusätzlich mag es wünschenswert sein, die Fokusabsaugen kann. Mit Materialien, welche große Men- 50 sierungseinrichtung zu kühlen, da ein elektrisches gen an gasförmigen Stoffen entwickeln, kann das Durchschlagen leichter erfolgt, wenn heiße Bereiche Ende des Fokussierungszylinders etwas unterhalb die vorliegen. Zu diesem Zweck ist eine Kühlleitung 27 Kathodenfläche gebracht werden; dies schirmt die vorgesehen und an der Fokussierungseinrichtung Kathode in einem beträchtlichen Ausmaß gegen hartgelötet oder angeschweißt, um eine gute ther-Dämpfe, verspritztes und zerstäubtes Material ab 55 mische Leitung mit derselben herzustellen. Da die und erhöht außerordentlich die Lebensdauer der Metalleitung 27 auf einem mittelmäßig hohen nega-Kathode. Das verhältnismäßig ausgedehnte Plasma tiven Potential gegen Erde steht, ist sie mit einer und die reichliche Ionisation, welche eine heftige Kühlwasserquelle über die Leitungen 28 und 29 aus Gasentwicklung begleiten, modifizieren die elek- Isoliermaterial verbunden, und durch diese Leituntrischen Felder derart, daß von der abgeschirmten 60 gen wird ein Kühlwasser geringer elektrischer Leit-Kathode starke Ströme erhalten werden. Im allge- fähigkeit geleitet.

meinen werden vom unteren Ende des Fokussie- Strahlerzeuger der hier beschriebenen Konstruk-

rungszylinders zur Kathode gezogene Linien die tion sind ziemlich langlebig; nichtsdestoweniger ist Kathodenfläche unter einem Winkel von nicht über es gelegentlich erforderlich, die Strahlerzeuger aus-45° schneiden. Zum besseren Verständnis werden 65 zuwechseln, entweder wegen einer übermäßigen Anzunächst das untere Ende des Fokussierungszylinders Sammlung von darauf abgelagerten Stoffen oder um und die Kathode als innerhalb dieses Bereiches unge- auf einen Strahlerzeuger anderer Konstruktion überfähr in gleicher Ebene liegend betrachtet. zugehen, wenn eine andere Art von Material zu

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schmelzen und gießen ist. Zur Erleichterung des Fall wird das untere Ende der Verbrauchselektrode

Auswechselns des Strahlerzeugers ist dieser und die 10 bald zum Schmelzen erhitzt, und wenn das Metall

dazu führenden Verbindungen in das Vakuumge- schmilzt, tropft es in den im oberen Teil der Guß-

häuse über eine Luftschleuse 30 eingebracht, welche form befindlichen Schmelzsumpf. Darüber hinaus

(mit einer Dichtung 31 versehen, die die Aufrecht- 5 werden nun in beträchtlichem Maß gasförmige

erhaltung des Vakuums im evakuierten Gehäuse Stoffe entwickelt, welche ionisieren und über dem

unterstützt) schematisch dargestellt ist. Schmelzsumpf ein Plasma bilden.

Man kann bemerken, daß die Fokussierungsein- Wenn die Vorgänge wie oben beschrieben in richtung mit Ausnahme eines ringförmigen Spaltes Gang gesetzt worden sind, kann der Block 6 etwas zwischen dem unteren Ende des Fokussierungszylin- 10 zurückgezogen werden und der Spiegel des Schmelzders 22 und dem inneren Ende der Fokussierungs- sumpfes, wenn gewünscht, bis zu etwa 15 mm unter platte 24 die ringförmige Kathode vollständig um- den oberen Rand der Gußform gesenkt werden, gibt. Dies schafft einen konischen Elektronenstrahl, Während des tatsächlichen Betriebes ist es in Wirkweicher einwärts und abwärts gegen das offene Ende lichkeit erwünscht, den Block 6 geringfügig in Interder Gußform gerichtet ist. Nicht nur, daß der Strahl 15 vallen auf und ab schwingen zu lassen und so den gut fokussiert ist, ist auch die Kathode weitgehend Schmelzsumpf auf und ab zu bewegen. Dies bringt von den während des Schmelzprozesses entstehen- jedes verspritzte Material, welches sich an den Wanden Dämpfen und verspritztem Material geschützt. düngen der Form angesammelt haben mag, in den Gleichfalls ist die Kathode in beträchtlichem Maß Sumpf und erleichtert die Bildung von Blöcken mit gegen das zwischen Anode und Fokussierungsein- 20 glatterer Oberfläche. Die Verbrauchselektrode 10 richtung bestehende elektrische Feld abgeschirmt; kann nun gehoben werden, so daß ihr unteres Ende der Anfangsstrom hat daher die Neigung, infolge über dem unteren Ende des Fokussierungszylinders der elektronischen Raumladung auf geringe Werte ist und gänzlich oberhalb des scheinbaren oberen beschränkt zu werden, und man kann eine gewisse Randes des Primärelektronenstrahls. Das Ionen-Schwierigkeit bei der Einführung eines genügend 25 plasma kann den Raum zwischen dem Schmelzsumpf großen Stromflusses zur Ingangsetzung der Schmelz- und dem unteren Ende der Verbrauchselektrode ausoperation und zur Bildung des Ionenplasmas, wel- füllen. Dieses Plasma wird umgeben von einem posiches die Raumladungsbehinderung während des tiven Ionenschirm, dargestellt durch die +-Zeichen Vollastarbeitens überwindet, erwarten. 38, und indem es ein guter Leiter ist, ist das gesamte Das Startproblem kann durch die in F i g. 3 dar- 30 Plasma angenähert auf Anodenpotential. Hiervon gestellte Anlaßmethode gelöst werden. Ein Stutzen werden die Äquipotentialflächen des elektrischen oder Gußblock 6 von festem Material wird in die Hochspannungsfeldes durch das Plasma in Richtung Gußform mit seinem oberen Ende ungefähr bis zum der Kathode nach auswärts gedrückt; zusätzlich oberen Ende der Form eingeführt. Die Verbrauchs- wandern positive Ionen vom Ionenschirm gegen die elektrode 10 wird gesenkt, bis ihr frei stehendes 35 Kathode und Fokussierungseinheit, und diese Ionen unteres Ende sich im wesentlichen unter dem unte- neutralisieren zumindest teilweise die elektronische ren Ende des Fokussierungszylinders 22 erstreckt. Raumladung. Als Folge davon dauert ein kräftiger Das untere Ende der Elektrode 10 wirkt dann als Stromfluß zwischen der Kathode und dem Schmelz-Hilfsanode, die das elektrische Feld in der Nähe der sumpf an. Das untere Ende der Verbrauchselektrode Kathode 16 intensiviert und einen wesentlich stärke- 40 schmilzt weiter ab, offensichtlich mehr infolge seiner ren Strom von der Kathode wegzufließen gestattet. Nähe zum Schmelzsumpf als infolge direkten Elek-Die tatsächliche Form des Feldes indessen ist derart, tronenbeschusses. Die Schmelzgeschwindigkeit kann daß wenige der Primärelektronen wirklich die Elek- durch Heben und Senken der Elektrode 10 von Zeit trode 10 treffen; die meisten davon beschießen das zu Zeit wie erforderlich reguliert werden, obere Ende des Blockes 6, und die Hitze genügt, um 45 Beim Schmelzen von Materialien, welche verhälteinen Schmelzsumpf im Oberteil der Gußform zu nismäßig wenig flüchtige Stoffe entwickeln, wurde bilden. Dies ist durch Betrachtung der gestrichelten gefunden, daß eine andauernde Beschießung des Linien 32, 33 und 34, die die Äquipotentialflächen Schmelzgutes mit primären Elektronen erforderlich im elektrischen Hochspannungsfeld darstellen, leich- ist, um den Schmelzprozeß aufrechtzuerhalten. In ter verständlich. Man wird feststellen, daß das Sen- 50 diesem Fall wird die Kathodenfläche, wie in F i g. 5 ken der Elektrode 10 diese Äquipotentialflächen nach gezeigt ist, gegenüber den Fokussierungszylinder geauswärts gegen die Kathode 16 drückt und dadurch ringfügig gesenkt, so daß das untere Ende des Foden Spannungsgradienten an der Kathode verstärkt kussierungszylinders 22 oberhalb der Kathodenfläche und die Voraussetzung für den Fluß eines größeren 16 liegt. Wie in F i g. 5 dargestellt ist, schneidet eine Emissionsstroms trotz der bestehenden Raumla- 55 vom unteren Ende des Fokussierungszylinders zur dungsbegrenzung schafft. Andererseits ist das Feld Kathode gezogene Linie die Kathodenebene unter in der Nähe der Kathode, wie gezeigt, stark ge- einem Winkel von ungefähr 45°. Dies begrenzt die krümmt, und dies bündelt die Elektronenwege, dar- Oberkante des Elektronenstrahls im wesentlichen auf gestellt durch die Pfeile 35, 36 und 37, auf das obere die Kathodenfläche; mit anderen Worten, der Strahl Ende des Blockstutzens 6. 60 ist etwas breiter als bei der vorstehenden Ausführung Wenn einmal ein Schmelzsumpf am oberen Ende und erstreckt sich von einer ungefähr horizontalen des Blockes 6 sich gebildet hat, findet ein beträcht- oberen Begrenzungsfläche zu einer konischen unteren licher Wärmeübergang auf das untere Ende der Ver- Begrenzungsfläche, so daß der Großteil des Strahls brauchselektrode 10 statt. Dieser Wärmeübergang noch nach abwärts in den Schmelzsumpf in der Gußkann infolge der Wirkung verschiedener Vorgänge 65 form gerichtet ist. Die obere Begrenzungsfläche des stattfinden: Strahlung, Sekundärelektronenbeschuß, Strahls bleibt scharf, und das Schmelzen der Ver-Gaskonvektion und Konduktion, Ablenkung des brauchselektrode 10 kann sehr genau durch Regeln Primärstrahls durch Gasfokussierung u. a. In jedem der Geschwindigkeit, mit der die Verbrauchselek-

trade gesenkt wird, kontrolliert werden. Wird die Verbrauchselektrode während einer Zeit ruhig gehalten, schmilzt der Strahl ihr unteres Ende auf ungefähr gleiche Höhe mit der Kathodenebene ab. Das Schmelzen hört dann auf, bis die Elektrode abermals gesenkt wird. Vorzugsweise wird die Verbrauchselektrode 10 mit ziemlich gleichförmiger Geschwindigkeit gesenkt, um ein gleichförmiges Abschmelzen des Schmelzgutes zu erreichen.

F i g. 6 ist eine teilweise Darstellung eines Ofens mit zwei Strahlerzeugern. Da das Vakuumgehäuse und das System identisch mit dem für einen Ofen mit einem Strahlerzeuger sind, sind die Kühlsysteme im Prinzip gleichartig und die elektrischen Stromkreise identisch, jedoch verdoppelt, indem eine getrennte Stromversorgung für jeden Strahlerzeuger besteht. Diese Teile sind in F i g. 6 nicht gezeigt. Die Gußform 40 ist im wesentlichen identisch mit der oben beschriebenen Form 3, und in ihr wird ein Schmelzsumpf am oberen Ende des erstarrten Blockes 41 aufrechterhalten. Dieser Schmelzsumpf wird durch Elektronenbeschuß von einem Strahlerzeuger 42 aufrechterhalten, welcher im wesentlichen identisch mit dem beim Ofen mit einem Strahlerzeuger verwendeten sein kann. Der Fokussierungszylinder begrenzt den Elektronenstrahl auf die Unterseite der Kathodenfläche, und dies hilft mit, eine Wechselwirkung zwischen den beiden Strahlerzeugern zu vermeiden.

Das Schmelzgut 43 wird in Form eines Pulvers durch ein vertikales Zufuhrrohr 44 zugeführt, welches ein mit einem Wassermantel versehenes offenes unteres Ende 45 besitzt. Ein röhrenförmiger Stampfer 46 komprimiert das Pulver, und die Kornbination von Hitze und Druck verursacht eine Sinterung des Pulvers zu einem Pfropfen, welcher im offenen bodenseitigen Ende des Zufuhrrohres durch eine leichte Verminderung des Durchmessers in seiner Lage gehalten wird.

Das Schmelzen wird mittels eines zweiten Strahlerzeugers bewerkstelligt, welcher aus einer ringförmigen Kathode 47 und einer Fokussierungseinrichtung besteht, der einen konischen, nach innen und abwärts von der Kathode gerichteten Strahl bildet. Die Fokussierungseinrichtung besteht aus einem Fokussierungszylinder 48 von etwas geringerem Durchmesser als die ringförmige Kathode, welcher sein unteres Ende in ungefähr gleicher Ebene mit der Kathode hat. Mit dem oberen Ende des Zylinders 48 ist eine horizontale Platte 49 verbunden, die zu einem äußeren Zylinder 50 führt, welcher einen nach innen sich erstreckenden unteren Flansch 51 besitzt, so daß das Ganze eine Anordnung bildet, welche die Kathode mit Ausnahme des ringförmigen Spaltes, durch welchen der Elektronenstrahl hindurchtritt, umgibt.

Das Schmelzgut und das Zufuhrrohr hierfür verlaufen zum Fokussierungszylinder 48 koaxial und in Abstand hiervon, wobei das frei stehende untere Ende des Schmelzgutes etwas unterhalb der Kathodenfläche 47 liegt. Das Zufuhrrohr 44 und das darin befindliche Schmelzgut sind selbstverständlich mit dem geerdeten Vakuumgehäuse verbunden und daher auf Erdpotential, wogegen die Kathode 47 über den Gleichstromversorgungsteil auf einem mäßig hohen negativen Potential gehalten wird. Es besteht daher ein elektrisches Feld, welches die von der Kathode emittierten Elektronen in Richtung des Zufuhrrohres und des frei stehenden unteren Endes des Schmelzgutes anzieht. Indessen verhindert die den Elektronen durch die Fokussierungseinrichtung gegebene nach abwärts gerichtete Richtung, daß irgendeine größere Anzahl von ihnen tatsächlich das Zufuhrrohr trifft und beschießt, und der Großteil der von der Kathode 47 emittierten Elektronen bewegt sich daher entlang der durch die Pfeile 52, 53, 54 und 55 dargestellten Wege und beschießt das freie untere Ende des Schmelzgutes.

Sobald einmal das Schmelzen beginnt, entsteht eine beträchtliche Entwicklung gasförmiger Stoffe, und die Bildung eines Plasmas rund um das freie Ende des Schmelzgutes bewirkt eine Gasfokussierung, welche die Steuerung der Elektronen zur schmelzenden Fläche kräftig unterstützt. Eine Beschießung des Zufuhrrohres wird weiter durch dessen verhältnismäßig niedrige Temperatur verhindert, welche durch den dessen unteres Ende umgebenden Wassermantel aufrechterhalten wird. Die in F i g. 6 gezeigte Anordnung ist recht vorteilhaft zum Schmelzen von Pulvern u. ä., da keine Einstellung der Lage des Zufuhrrohres erforderlich ist und sie darüber hinaus eine ziemlich offene Anordnung besitzt, die ein leichtes Entweichen der entwickelten gasförmigen Stoffe gestattet. Die Kathode liegt vollständig aus der Richtung der Dämpfe und verspritzten Substanzen und besitzt infolgedessen eine lange Betriebsdauer.

F i g. 7 stellt einen weiteren Ofen mit zwei Strahlerzeugern dar, welcher zum Schmelzen von Pulver oder stückförmigem Material dienlich ist. Der untere Teil dieses Ofens ist mit dem in F i g. 6 gezeigten identisch, daher tragen seine Teile die gleichen Bezugszahlen. Der obere Teil unterscheidet sich hauptsächlich dadurch, daß das Zufuhrrohr 56 horizontal ist und das Schmelzgut 57 durch das Rohr mittels einer Förderschnecke 58 gedrückt wird. Der obere Elektronenstrahlerzeuger ist koaxial mit dem Zufuhrrohr und besitzt daher in diesem Fall eine horizontale Achse an Stelle einer vertikalen. Der Strahlerzeuger besteht im wesentlichen aus der ringförmigen Kathode 59 und einer Fokussierungseinrichtung 60, welche mit der Fokussierungseinrichtung des oberen Strahlerzeugers, wie in F i g. 6 gezeigt, identisch sein kann, mit der Ausnahme, daß ihre Achse in eine horizontale Lage geschwenkt ist und im Boden der Fokussierungseinrichtung, wie gezeigt, ein Segment herausgeschnitten ist, um einen ungehinderten Weg für das geschmolzene Material zu schaffen, welches von der schmelzenden Fläche am oberen Ende des Zufuhrrohres in das offene obere Ende der Gußform tropft.

Es ist klar, daß die vorliegende Erfindung in ihrem weiteren Sinne nicht auf die hier beschriebenen speziellen Ausführungen beschränkt ist und ihr Umfang sich aus den nachfolgenden Ansprüchen bestimmt.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Elektronenstrahlofen mit einer innerhalb einer Vakuumkammer angeordneten ringförmigen, Elektronen emittierenden Kathode zum Erhitzen und Abschmelzen eines Körpers aus Schmelzgut, dessen abzuschmelzendes Ende in ungefähr zentrischer Lage innerhalb der ringförmigen Kathode angeordnet ist, und mit einer ringförmigen Fokussierungselektrode, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Vermeidung

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jedes geradlinigen Elektronenflusses von dieser Kathode nach innen zu einem beliebigen Teil des Schmelzgutes oberhalb der Unterkante der Fokussierungselektrode zumindest ein Teil der ringförmigen Fokussierungselektrode zwischen der Kathode und dem Schmelzgut angeordnet ist und mit einem Rand von geringerem Durchmesser als die Kathode in ungefähr gleicher Ebene mit der Kathode liegt.

2. Elektronenstrahlofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zur Zufuhr von in zerteilter Form vorliegendem Schmelzgut an sich

bekanntes Zufuhrrohr vorgesehen ist und sich über die Fläche der ringförmigen Kathode hinaus erstreckt.

3. Elektronenstrahlofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei vertikaler Anordnung des Zufuhrrohres dessen Auslaßöffnung verengt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 880 483;
belgische Patentschrift Nr. 568 332;
österreichische Patentschrift Nr. 203 731.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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