DE1184902B - Method and device for melting metal by means of electron beams - Google Patents

Method and device for melting metal by means of electron beams

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DE1184902B
DE1184902B DEH43473A DEH0043473A DE1184902B DE 1184902 B DE1184902 B DE 1184902B DE H43473 A DEH43473 A DE H43473A DE H0043473 A DEH0043473 A DE H0043473A DE 1184902 B DE1184902 B DE 1184902B
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Dipl-Phys Helmut Gruber
Herbert Stephan
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WC Heraus GmbH and Co KG
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WC Heraus GmbH and Co KG
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/30Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects
    • H01J37/305Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects for casting, melting, evaporating or etching
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22BPRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B9/00General processes of refining or remelting of metals; Apparatus for electroslag or arc remelting of metals
    • C22B9/16Remelting metals
    • C22B9/22Remelting metals with heating by wave energy or particle radiation
    • C22B9/228Remelting metals with heating by wave energy or particle radiation by particle radiation, e.g. electron beams

Description

Verfahren und Einrichtung zum Schmelzen von Metall mittels Elektronenstrahlen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum Abschmelzen von stabförmigen Metallblöcken durch Beschuß mittels Elektronenstahlen unter Hochvakuum.Method and device for melting metal by means of electron beams The invention relates to a method and a device for melting of rod-shaped metal blocks by bombardment with electron beams under high vacuum.

Es sind Elektronenstrahlschmelzöfen bekannt, in denen stabförmige Metallblöcke durch Beschuß mittels Elektronenstrahlen abgeschmolzen werden. Das abgeschmolzene Metall tropft in einen gekühlten Tiegel und erstarrt darin zu einem Schmelzblock. Als Elektronenquellen werden beispielsweise Elektronenkanonen benutzt, die vorzugsweise getrennt vom eigentlichen Schmelzraum evakuiert werden können. Der stabförmige Metallblock, dessen eines Ende laufend durch Beschuß mit Elektronen auf Schmelztemperatur erhitzt und abgeschmolzen wird, kann sowohl vertikal als auch horizontal sowie auch in geneigter Richtung entsprechend der Abschmelzgeschwindigkeit nachgeschoben werden. Der Vorschub des abzuschmelzenden Metallblocks in den Schmelzraum kann kontinuierlich oder diskontinuierlich, beispielsweise auch nach Art des an sich bekannten Pilgerschrittes, erfolgen. Es sind auch Elektronenstrahlschmelzöfen bekannt, die nur mit einer einzigen oder auch mit mehreren Elektronenkanonen ausgerüstet sind, wobei auch mehrere Elektronenkanonen nur zum Abschmelzen des stabförmigen Metallblocks verwendet werden.There are electron beam melting furnaces are known in which rod-shaped Metal blocks are melted by bombardment with electron beams. That Molten metal drips into a cooled crucible and solidifies into one Fusible block. Electron guns, for example, are used as electron sources, which can preferably be evacuated separately from the actual melting chamber. The rod-shaped metal block, one end of which is continuously bombarded with electrons heated to melting temperature and melted, can be vertical as well horizontally as well as in an inclined direction according to the melting speed be pushed. The advance of the metal block to be melted into the melting chamber can be continuous or discontinuous, for example also according to the type of known pilgrimage step. There are also electron beam melting furnaces known to be equipped with only a single electron gun or with multiple electron guns are, with several electron guns only to melt the rod-shaped Metal blocks can be used.

Bekannt ist ferner, einen Metallblock dadurch aufzubauen, daß pulverförmiges Metall kontinuierlich zugeführt und mittels eines Lichtbogens in einer Schutzgasatmosphäre aufgeschmolzen wird. Der Lichtbogen brennt zwischen einer Kathode und dem als Anode geschalteten Metallblock, welcher während des Aufschmelzprozesses rotiert und auf dessen erhitztes Ende das Metallpulver fällt.It is also known to build up a metal block in that powdery Metal fed continuously and by means of an electric arc in a protective gas atmosphere is melted. The arc burns between a cathode and the anode switched metal block, which rotates and opens during the melting process the heated end of which the metal powder falls.

Bei der Erfindung handelt es sich um das fortlaufende Abschmelzen eines Endes eines Metallblocks durch Erhitzung dieses Endes mittels Elektronenstrahlen unter Hochvakuum. Im Gegensatz zu dem vorerwähnten Stand der Technik wird im vorliegenden Fall ein Metallblock unter Hochvakuum durch Beheizung mittels Elektronenstrahlen abgeschmolzen und nicht ein Metallblock aufgebaut durch Zuführen und Aufschmelzen von Metallpulver in Schutzgasatmosphäre mittels Lichtbogenbeheizung.The invention is continuous melting one end of a metal block by heating that end with electron beams under high vacuum. In contrast to the prior art mentioned above, in the present Case a metal block under high vacuum by heating with electron beams melted and not a metal block built up by feeding and melting of metal powder in a protective gas atmosphere by means of arc heating.

Bei einem Verfahren zum fortlaufenden Abschmelzen eines Endes eines stabförmigen Metallblocks durch Erhitzung dieses Endes mittels Elektronenstrahlenbeschuß unter Hochvakuum wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der abschmelzende Metallblock während des Abschmelzprozesses um seine Achse gedreht wird. Hierdurch wird erreicht, daß der stabförmige Metallblock selbst beim Ausfallen einer oder mehrerer, aber nicht aller Elektronenkanonen, während des Schmelzprozesses gleichmäßig abschmilzt, also nicht auf einer Seite mehr als beispielsweise auf der ihr gegenüber liegenden Seite. Bei der Verwendung von beispielsweise Elektronenkanonen ist die Schmelzenergiedichte über den gesamten Umfang des Metallblockendes nicht gleichmäßig verteilt. Es wechseln über den Umfang des Metallblockendes gesehen Flächenelemente mit höherer Energiedichte mit solchen niedrigerer Energiedichte ab. Erst durch das erfindungsgemäße Verfahren wird erreicht, daß die Schmelzenergiedichte im zeitlichen Mittel konstant auf den gesamten Umfang des Metallblockenden verteilt ist. Die Rotationsgeschwindigkeit des Metallblocks kann dabei unabhängig von seiner Vorschubgeschwindigkeit eingestellt werden, man kann aber auch die Rotationsgeschwindigkeit und die Vorschubgeschwindigkeit des Metallblocks miteinander koppeln. Bei vielen Elektronenstrahlschmelzöfen ist der abzuschmelzende stabförmige Metallblock an einer Haltestange befestigt, die dann entsprechend der Abschmelzgeschwindigkeit des Metallblocks in den Schmelzraum vorgeschoben wird. In diesen Fällen wird die Haltestange in Rotation versetzt. Die Rotationsgeschwindigkeit für den stabförmigen Metallblock kann beliebig vorgegeben werden. Zweckmäßigerweise wird sie in Abhängigkeit von dem Durchmesser des abzuschmelzenden Metallblocks und/oder der Zahl der während des Schmelzprozesses zum Einsatz gelangenden Elektronenkanonen gewählt. Sie kann während des Schmelzprozesses konstant gehalten oder zeitweise erhöht oder vermindert werden. Auch bei Elektronenstrahlschmelzverfahren, die mit anderen Elektronenstrahlsystemen arbeiten, kann der erfindungsgemäße Vorschlag erfolgreich angewendet werden. In der Figur ist ein Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung schematisch dargestellt.In a method for continuously melting one end of a rod-shaped metal block by heating this end by means of electron beam bombardment under high vacuum it is proposed according to the invention that the melting metal block is rotated around its axis during the melting process. This achieves that the rod-shaped metal block itself if one or more, but not all electron guns melt evenly during the melting process, so not more on one side than, for example, on the opposite Page. When using electron guns, for example, the melt energy density is Not evenly distributed over the entire circumference of the metal block end. Switch it Viewed over the circumference of the metal block end, surface elements with a higher energy density with such a lower energy density. Only through the method according to the invention it is achieved that the melt energy density is constant on average over time entire circumference of the metal block ends is distributed. The speed of rotation of the metal block can be set independently of its feed speed but you can also set the rotation speed and the feed speed of the metal block together. In many electron beam furnaces, the rod-shaped metal block to be melted is attached to a support rod which then according to the melting rate of the metal block into the melting chamber is advanced. In these cases the handrail is set in rotation. the The speed of rotation for the rod-shaped metal block can be specified as desired will. It is expediently dependent on the diameter of the to be melted Metal blocks and / or the number of those used during the melting process Electron guns chosen. It can be kept constant during the melting process or temporarily increased or decreased. Even with electron beam melting processes, who work with other electron beam systems can use the proposal according to the invention can be applied successfully. In the figure is an embodiment a device for performing the method according to the invention schematically shown.

Der abzuschmelzende stabförmige Metallblock 1 ist an einer Haltestange 2 befestigt, die vakuumdicht über eineDruckstufenstrecke 3 in den Schmelzraum 4 entsprechend der Abschmelzgeschwindigkeit des Metallblocks vorgeschoben wird. Die Druckstufenstrecke 3 wird beispielsweise aus den beiden Kammern 3 a, 3 b gebildet, die über die Anschlußstutzen 5, 6 mit den schematisch dargestellten Vakuumpumpenaggregaten 7, 8 verbunden sind und getrennt evakuiert werden können. Der Schmelzraum 4 wird durch die Ofenhaube 9 gebildet. Über den Anschlußstutzen 10, an den ein Vakuumpumpenaggregat 11 angeschlossen ist, wird der Schmelzraum evakuiert. An die Ofenhaube 9 ist vakuumdicht ein Schmelztiegel 12 mit ablenkbarem Boden 13 angeschlossen. Der Schmelztiegel ist von einem Kühlmantel 14 umgeben; auch der ablenkbare Schmelztiegelboden 13 kann gekühlt werden. In dem Ausführungsbeispiel sind an die Ofenhaube 9 zwei Elektronenkanonen 15 vakuumdicht angesetzt. Die von ihnen ausgehenden Elektronenstrahlen 16 sind im Ausführungsbeispiel so in an sich bekannter Weise fokussiert. daß sie auf das freie Ende des abzuschmelzenden stabförmigen Metallblocks auftreffen. Durch den Elektronenstrahlenbeschuß wird das freie Ende des Metallblocks auf Schmelztemperatur erhitzt. Das erschmolzene Metall tropft in den Schmelztiegel 12 und erstarrt dort zum Schmelzblock 17. Auf dem außerhalb des evakuierten Schmelzraumes sich befindenden Ende der Haltestange 2 ist ein Zahnrad 18 angeordnet. Es wird mittels des Zahnrades 19, das an der Welle 20 des Motors 21 befestigt ist, angetrieben. Mit dem Motor 21 ist ein Gleitstück 22 fest verbunden, das auf einer Schiene 23 auf- und abwärts gleiten kann. Der Motor 21 und die Haltestange 2 sind über ein Gestänge 24 miteinander verbunden. Das am Motor 21 befestigte Teil des Gestänges 24 ist mit dem Motor fest verbunden. Die Haltestange 2 ist über ein Zwischenstück 25 mit dem Gestänge so verbunden, daß die Haltestange um ihre Achse rotieren kann, ohne daß das Gestänge mitbewegt wird. An dem Gestänge ist ein Halteseil 26 befestigt, das mit einer an sich bekannten Vorschubeinrichtung verbunden ist, so daß die Haltestange und damit auch der abzuschmelzende Metallblock entsprechend der Abschmelzgeschwindigkeit in den Schmelzraum abaesenkt bzw. vorgeschoben wird. Der Motor 2 wird im Ausführungsbeispiel in gleichem Maße wie die Haltestange abgesenkt.The rod-shaped metal block 1 to be melted is attached to a holding rod 2, which is advanced in a vacuum-tight manner via a pressure stage section 3 into the melting space 4 according to the melting speed of the metal block. The pressure stage section 3 is formed, for example, from the two chambers 3 a, 3 b, which are connected to the schematically illustrated vacuum pump units 7, 8 via the connecting pieces 5, 6 and can be evacuated separately. The melting chamber 4 is formed by the furnace hood 9. The melting chamber is evacuated via the connecting piece 10, to which a vacuum pump unit 11 is connected. A crucible 12 with a deflectable bottom 13 is connected to the furnace hood 9 in a vacuum-tight manner. The crucible is surrounded by a cooling jacket 14; the deflectable crucible bottom 13 can also be cooled. In the exemplary embodiment, two electron guns 15 are attached to the furnace hood 9 in a vacuum-tight manner. In the exemplary embodiment, the electron beams 16 emanating from them are thus focused in a manner known per se. that they impinge on the free end of the rod-shaped metal block to be melted. The electron beam bombardment heats the free end of the metal block to the melting temperature. The molten metal drips into the melting crucible 12 and solidifies there to form the melting block 17. A gear 18 is arranged on the end of the holding rod 2 located outside the evacuated melting space. It is driven by means of the gear 19 which is attached to the shaft 20 of the motor 21 . A slider 22 is fixedly connected to the motor 21 and can slide up and down on a rail 23. The motor 21 and the holding rod 2 are connected to one another via a linkage 24. The part of the linkage 24 fastened to the motor 21 is firmly connected to the motor. The holding rod 2 is connected to the linkage via an intermediate piece 25 in such a way that the holding rod can rotate about its axis without the linkage being moved along with it. A tether 26 is attached to the linkage and is connected to a feed device known per se, so that the holding rod and thus also the metal block to be melted is lowered or advanced into the melting chamber in accordance with the melting rate. In the exemplary embodiment, the motor 2 is lowered to the same extent as the holding rod.

Die in der Figur dargestellte Einrichtung zur Drehung der Elektrode während des Schmelzprozesses stellt lediglich ein Ausführungsbeispiel dar, auf das die Erfindung nicht beschränkt werden soll. So ist es z. B. auch möglich, die gesamte Einrichtung oder Teile der Einrichtung zur Erzeugung der Rotation des Metallblocks während des Schmelzorozesses innerhalb des Schmelzraumes anzuordnen.The device shown in the figure for rotating the electrode during the melting process represents only one embodiment to which the invention is not intended to be limited. So it is z. B. also possible the entire Device or parts of the device for generating the rotation of the metal block to be arranged within the melting chamber during the melting process.

Claims (4)

Patentansprüche: 1. Verfahren zum fortlaufenden Abschmelzen eines Endes eines stabförmigen Metallblocks durch Erhitzung dieses Endes mittels Elektronenstrahlenbeschuß unter Hochvakuum, wobei das abgeschmolzene Metall in einem Schmelztiegel gesammelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der abschmelzende Metallblock während des Abschmelzprozesses um seine Achse gedreht wird. Claims: 1. Method for the continuous melting of a End of a rod-shaped metal block by heating this end by means of electron beam bombardment under high vacuum, with the melted metal collected in a crucible is, characterized in that the melting metal block during the melting process is rotated around its axis. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsgeschwindigkeit des Metallblocks während des Abschmelzprozesses zeitweise vermindert wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that that the speed of rotation of the metal block during the melting process is temporarily reduced. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsgeschwindigkeit des Metallblocks während des Abschmelzprozesses zeitweise erhöht wird. 3. The method according to claim 1, characterized in that that the speed of rotation of the metal block during the melting process is temporarily increased. 4. Elektronenstrahlschmelzofen zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, bestehend aus einer evakuierbaren Ofenhaube, einem an diese vakuumdicht angesetzten Schmelztiegel, einer oder mehreren Elektronenstrahlkanonen, die vorzugsweise getrennt vom Schmelzraum zu evakuieren sind, und einem stabförmigen abzuschmelzenden Metallblock, der an einer Haltestange befestigt ist, die vakuumdicht in den Schmelzraum entsprechend der AbschmeLgeschwindigkeit des Metallblocks vorzuschieben ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltestange (2) über eine Druckstufenstrecke (3) als Drehdurchführung in den Schmelzraum (4) eingeführt und außerhalb des Schmelzraumes eine Antriebseinrichtung (18, 19, 20, 21) zum Drehen des Metallblocks (1) angeordnet ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Belgische Patentschrift Nr. 537 017.4. Electron beam melting furnace for carrying out the process according to claims 1 to 3, consisting of an evacuable furnace hood, a to these vacuum-tight crucibles, one or more electron beam guns, which are preferably to be evacuated separately from the melting chamber, and a rod-shaped one Metal block to be melted, which is attached to a support rod, which is vacuum-tight into the melting chamber according to the melting speed of the metal block is, characterized in that the holding rod (2) over a pressure stage section (3) introduced as a rotary feedthrough into the melting chamber (4) and outside the melting chamber a drive device (18, 19, 20, 21) is arranged for rotating the metal block (1) is. Documents considered: Belgian Patent No. 537 017.
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Cited By (2)

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DE1558574B1 (en) * 1967-06-08 1971-03-04 Iwan A Kononow DEVICE FOR MELTING METAL UNDER VACUUM WITH A FEEDING DEVICE
DE3433458A1 (en) * 1984-09-12 1986-03-20 Leybold-Heraeus GmbH, 5000 Köln METHOD AND DEVICE FOR MELTING ROD-SHAPED MATERIAL BY MEANS OF AN INDUCTION COIL

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