DE1219181B - Plasmalichtbogenofen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

ν τη

Deutsche Kl.: 31 a - 2/40

Nummer: 1219181 ' ; ■

Aktenzeichen: U11177 VI a/31 a

Anmeldetag: 2. November 1964

Auslegetag: 16. Juni 1966

Die Erfindung betrifft einen Plasmalichtbogenofen, der besonders zum Schmelzen und Gießen von Metallen nach sogenannten »Investmentgießverfahren« geeignet ist.

Der Ausdruck »Investmentgießen«, auch »Präzisionsgießen«, bezieht sich auf die vielen Spielarten des sogenannten Wachsausschmelzverfahrens zur Herstellung von relativ kleinen und maßgetreuen Gußstücken, beispielsweise Gebißteilen aus Metall, Teilen von Gasturbinen und vielen anderen fabrik- ίο mäßig hergestellten Teilen. Solche Spielarten umfassen das Gießen in keramischen Formen, kontinuierliches Gießen von Modellen, Gießen in harzgebundenen Formen, das »Antioch-Verfahren« usw. Gewöhnlich sind Investmentgußstücke ziemlich Idein und können in der Größe von etwa 30 g bis 13,6 kg variieren. Das Schmelzen und Gießen wird gewöhnlich unter Luftzutritt durchgeführt; zur Erzielung außergewöhnlich hoher Qualität wird das Schmelz- und Gießverfahren jedoch häufig im Vakuum oder innerhalb einer geregelten Inertgasatmosphäre abgewickelt.

Die Einhaltung der Zusammensetzung von »Superlegierungen« während der Schmelz- und Gießoperationen durch »Investmentgießmethoden« ist besonders schwierig. Abmessungen und Form für dieses Verfahren typischer Gußstücke müssen unter strenger Qualitätskontrolle eingehalten werden. Weiterhin ist die Regelung der Atmosphäre bei den Schmelz- und Gießvorgängen äußerst kritisch. Fachleute müssen deshalb im allgemeinen bei dieser einzigartigen Technik, welche mit keinem anderen metallurgischen Schmelzverfahren verglichen werden kann, im Rahmen vorbestimmter Begrenzungen arbeiten.

Da die Kontrolle der Zusammensetzung von Schmelzen in solchen Öfen kritisch ist, besteht der Hauptzweck des Ofens darin, die vorbereitete Legierung aufzuschmelzen und zu gießen, wobei das in hohem Maße vorhandene Gleichgewicht zwischen den Bestandteilen des vorlegierten Beschickungsmaterials aufrechterhalten wird. Fachleute erwarten von solchen Öfen keine Verwendbarkeit zu Reinigungszwecken.

Bei einer typischen Schmelzanlage zur speziellen Herstellung von »Investmentgußstücken« sind die Schmelzbehälter in ihrem Inneren im wesentlichen kugelförmig. Das kugelförmige Innere eines solchen Schmelzbehälters ist besonders dann zur Erzielung einer gleichförmigen Erhitzung der Charge wirksam, wenn die brennpunktartige Hitzequelle im Mittelpunkt des Schmelzbehälters sitzt. Dieses Merkmal Plasmalichtbogenofen

Anmelder:

Union Carbide Corporation,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Görtz, Patentanwalt,
Frankfurt/M., Schneckenhofstr. 27

Als Erfinder benannt:
John Paul Rynerson jun.,
Kokomo, Ind. (V. St. A.)

ergibt folgerichtig mit den gewöhnlich verwendeten Beheizungsmitteln, wie beispielsweise Kohlebogenelektroden, die wirksamste Erhitzung.

An Stelle der Kohleelektroden kann vorteilhaft ein Plasmabogenbrenner als Beheizungsmittel für diese Öfen verwendet werden. Es wurde gefunden, daß mit dieser Zusammenstellung viele handelsübliche Legierungen wirkungsvoll geschmolzen werden können. Es treten jedoch beim Schmelzen der meisten Nichteisenmetalle und der sogenannten »Superlegierungen« ernste Rückschläge auf. Der Ausdruck »Superlegierungen« bezieht sich auf hochlegierte Stoffe, welche grundsätzlich Nickel, Chrom, Kobalt, Wolfram, Molybdän, und/oder Eisen mit zusätzlichen Mengen modifizierender Elemente, wie beispielsweise Aluminium, Niob, Titan, Zirkonium usw. enthalten können; diese »Superlegierungen« finden Verwendung bei schwerer Beanspruchung, z. B. hoher Temperaturbeanspruchung, Korrosion, zyklischer Belastung u. ä. Die Kontrolle der Zusammensetzung und der damit verknüpften physikalischen und mechanischen

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Eigenschaften ist bei einer Anzahl der Legierungen Gegenstand der Erfindung ist die Schaffung eines

äußerst schwierig, und es ist deshalb nötig, daß diese Lichtbogenofens, der gründliches Rühren und schnel-

Legierungen innerhalb einer geregelten Atmosphäre leres Schmelzen ohne zusätzliche Hilfseinrichtungen

bei reduziertem Druck oder in einem Inertgas ge- fördert.

schmolzen und gegossen werden. Das Schmelzen 5 Im besonderen betrifft die Erfindung einen Plasma-

und Gießen im Vakuum ist ferner in einigen Fällen bogenofen, dessen Schmelzraum sich oberhalb der

die einzige brauchbare Herstellungsmethode. Dieses Beschickungsebene mit einem Gießauslaß vereinigt,

Verfahren ist natürlich zeitraubend und in bezug auf dessen Querschnitt kleiner als der Querschnitt des

erforderliche Ausrüstung und Verfahrensstufen kost- Schmelzraumes ist. Dieser Schmelzofen ist um eine

spielig. ίο horizontale Achse kippbar und ist mit Elektroden

Die Verwendung eines Plasmabogens in Verbin- entgegengesetzter Polarität versehen, von denen eine

dung mit den bekannten Schmelzbehälterkonstruk- mit einer Bogenbrennereinrichtung verbunden ist, die

tionen von Präzisionsgießöfen blieb einigen anderen sich im oberen Teil des Schmelzraumes oberhalb der

Beheizungsmitteln, wie z. B. Kohlebogen, anhaftenden Beschickungsebene befindet

Beschränkungen unterworfen. Während der Plasma- 15 Gemäß der Erfindung ist die Innenwand des

bogen vorteilhafterweise wirkungsvoller, sicherer und Schmelzbeckens so geformt, daß ein tropfenförmiger

billiger zu betreiben ist als andere Beheizungsmittel, Hohlraum entsteht, welcher ohne den Fluß behin-

lag bezüglich der Konstanz der Zusammensetzung dernde Kanten in einen stromlinienförmigen Ablauf-

beim Schmelzen solcher Legierungen, die zur Erzie- kanal übergeht, der zu der Gießöffnung führt

lung optimaler Ergebnisse Vakuumschmelzen erfor- 20 Die Zeichnung zeigt einen senkrechten Querschnitt

dem, keine ausgeprägte Verbesserung vor. des erfindungsgemäßen Apparates; einige Teile sind

Zur Kennzeichnung enthält ein Präzisionsgießofen in der Ansicht dargestellt.

eine einzige Öffnung, welche gleichermaßen als Ein- Ein Bogenbrenner 1, welcher eine Kathode (nicht füllöffnung und Gießauslaß dient; dazu kommen gezeigt) enthält, erzeugt einen richtungsstabil strözwei Öffnungen für die Kohleelektroden und eine 25 menden Lichtbogen (nicht gezeigt), der auf die Mezusätzliche Öffnung für den Eintritt etwa benötigter tallbeschickung 2 aufschlägt, welche den elektrischen Inertgase. Diese Öffnungen sind gewöhnlich radial Strom zu einer wassergekühlten und mittels einer zu der Wand des kugelförmigen Sehmelzbeekens an- keramischen Muffe 4 isolierten Anode 3 weiterleitet, geordnet, so, als ob sie in Richtung eines allgemei- Eine richtungsstabilisierte elektrische Bogensäule ernen, in dem Schmelzbecken in Nähe der Hitzequelle 30 hält man in bekannter Weise durch das Hindurchbefindlichen Brennpunkts zielten. Die atmosphä- treten eines Lichtbogens und eines Gasstromes durch rischen Bedingungen solcher Öfen erfordern, daß die einen verengten Düsenweg. Dieser widersteht jeg-Zahl und Größe der Öffnungen möglichst niedrig ge- Hcher Abweichung von seiner Achse, Das Schmelzhalten wird. Beim Eingießen des geschmolzenen becken 8, das auf seiner Rückseite mit einem isoMetalls in die Formen müssen die gegenwärtig be- ₃₅ lierenden Material 7 belegt ist, enthält einen tropfenkannten Öfen um einen Winkel von 180° gedreht förmigen Hohlraum 9, Dieser umfaßt einen Schmelz-' werden. Diese Operation ist ziemlich gefährlich und raum 25, der in einen Ausgußkanal 26 übergeht, der mühsam. Bei der Durchführung der Drehung spritzt in einer Ausgußöffnung 10 von kleinerem Querschnitt das geschmolzene Metall wegen der kugelförmigen mündet. Die Sohle 20 des Ausgußkanals tangiert den Konstruktion des Sehmelzbeekens in gefährlicher 40 Schmelzraum und bildet eine geradlinige Fortsetzung Weise in den Eintritt der Form. davon. Die Decke 22 des Ausgußkanals bildet mit

Das Durchmischen des Schmelzbades ist zwecks dem oberen Teil des Schmelzraums eine stromlinien-

Erzielung folgender Vorteile erforderlich: förmige Fläche. Diese Anordnung ist wesentlich.

1. Gleichmäßiges Legieren, ^Solche Flächen haben keine scharfen Ecken, wo

45 Gasverunreinigungen eingeschlossen werden können;

2. gleichmäßiges Erhitzen, darüber hinaus wird übermäßiger Verschleiß verhin-

3. Vermeiden der Verflüchtigung gewünschter dert und der geschmolzenen Charge ein leichtes AusElemente, fließen aus dem Schmelzraum gestattet.

Der ganze Apparat wird von einem Stahlmantel 5,

Verschiedene Mittel werden in der Technik ange- 50 welcher auch die Frontplatte 6 bildet, zusammenwendet, um das Schmelzbad während der Schmelz- gehalten; letztere trägt die Haltevorrichtung für die stufe zu durchmischen, wie mechanisches Rütteln Gießform (nicht gezeigt). Ein feuerfestes Teil U ver- oder elektromagnetische Induktion. Beide Maßnah- längert den Rand des Sehmelzbeekens und stellt die men sind teuer und erfordern komplizierte Zusatz- Beschickungs- und Gießöffnung 10 des Ofens dar, einrichtungen zum Ofen, die während der Operation 55 Zwischen dem feuerfesten Teil 11 und der Gießöffversagen können und Personal wie Anlage gefährden nung 10 herrscht ein glatter Übergang zu den stromkönnen- Um Überhitzung eines Teils der Schmelze linienförmigen Flächen, welche das offene Ende der zu vermeiden, ist es nötig, daß die Rüttelvorrichtung tropfenförmigen Höhlung 9 bilden. Die mit dem Auslaufend in Betrieb bleibt, wobei deren Teile dem gießkanal in Verbindung stehende Gießöffnung ist Verschleiß ausgesetzt sind. 60 oberhalb einer waagerechten Ebene durch den Mit-Der Anprall einer gegen das Bad schlagenden telpunkt des Schmelzraums angeordnet. Dadurch be- »Bogenfaekel« liefert eine angemessene Rührwirkung; steht nur geringe Möglichkeit, daß das geschmolzene aber dabei beschränkt die symmetrisch kugelförmige Beschickungsmaterial aus dem Schmelzraum heraus-Ausführung des Sehmelzbeekens das Rühren auf schlägt. Leitung 12 dient als Einlaß für Kühlwasser eine örtlich sehr begrenzte Zone. Somit war es ge- 65 und zur Zuleitung der elektrischen Energie zum wohnlich nötig, mechanische und/oder elektromagne- Bogen; ein geeignetes Gas (gewöhnlich Argon) wird tische Einrichtungen zum Rühren der Schmelze vor- durch Leitung 13 eingeführt; Leitung 14 dient als zusehen. Auslaß für das Kühlwasser und zur Versorgung

eines Steuerlichtbogens mit elektrischer Energie, der zur Zündung und Aufrechterhaltung des Hauptlichtbogens bestimmt ist. Leitung 15 führt das Kühlwasser für die Anode 3 und dient gleichzeitig als positive elektrische Klemme; das Kühlwasser wird durch Leitung 16 von der Anode weggeführt. Die Teile 12, 13, 14, 15 und 16 sind an der Ofeneinheit mittels einer Haltevorrichtung 17 befestigt. Die Stellung der Elektrode im Brenner kann durch das Handrad 18 eingestellt werden.

Der Apparat wird um die Z-Achse gekippt, welche durch den angenäherten Mittelpunkt der Schmelzbirne senkrecht zur Ebene der Darstellung geht. Der ganze Apparat ist auf einem Gestell so montiert, daß der Apparat um einen Winkel von etwa 180° gedreht werden kann. Der Ofen kann beschickt werden, während die Frontplatte 6 sich in waagerechter Lage, mit der Schmelzbirnenöffnung 10 nach oben, befindet. Für den Gießvorgang wird der Apparat im Gegenuhrzeigersinn gedreht, bis die Frontplatte 6 waagerecht, mit der Schmelzbirnenöffnung 10 nach unten, steht. Die Zeichnung zeigt den Apparat in der für den Schmelzvorgang bevorzugten Lage; die Schmelzbirne kann jedoch in jeder anderen Lage — vorausgesetzt, die Schmelzbiroenöffnung 10 liegt oberhalb der Z-Achse — beschickt werden.

Die vorteilhaften Merkmale des erfindungsgemäßen Ofens sind folgende:

1. Die Teile 12, 13, 14, 15 und 16 sind an beiden Enden mit dem drehbaren Apparat verbunden; diese untereinander verbundenen Versorgungsleitungen sind deshalb stets in einer verhältnismäßig fixierten Lage. Es wird dadurch die heute übliche sperrige Art der Anordnung der Versorgungsleitungen vermieden.

2. Das Metall wird aus der Schmelzbirne in die Form dekantiert; der Vorgang kann gleichmäßiger gesteuert werden, um die beste Gießgeschwindigkeit zu erhalten.

3. Die wassergekühlte Anode 3 ist mittels einer keramischen Muffe 4 isoliert. Diese Kombination beseitigt die Versager, die heute wegen Überhitzung der Anodenzone allgemein auftreten.

4. Die Stromlinienform der Schmelzbirne vermeidet zusammen mit der Kraft des aus dem Brenner austretenden Energieflusses, den Einschluß von Dämpfen und Luft, die bei Schmelzbecken von Kugelgestalt in der Ofenkammer vorhanden sein können.

5. Der tropfenförmige Hohlraum der Schmelzbirne erlaubt eine angemessene Mischbewegung, welche mechanische und/ oder elektromagnetische Mischeinrichtungen überflüssig macht.

Es ist anzunehmen, daß beim Aufschlagen des ausströmenden Plasmas auf das geschmolzene Metall, die exzentrische Form der Schmelzbirne einen asymmetrischen Metallfluß erzeugt, der eine gründliche Durchmischung der zu legierenden Elemente bewirkt. Diese Art der Durchmischung der Legierung während des Schmelz- und Gießvorganges gestattet:

1. Ein schnelleres Schmelzen der gesamten Charge,

2. einen gleichmäßiger legierten Gießling — so wird beispielsweise das Aussaigern verhindert oder reduziert — und

3. eine Herabsetzung des Wärmegefälles innerhalb der Beschickung, wodurch ein Überhitzen von Teilen der Schmelze vermieden wird.
Die Schmelzbirne kann aus jedem geeigneten feuerfesten Material hergestellt werden, z. B. aus Zirkonerde, Tonerde, Magnesia oder Silikaten, und kann ein oder mehrere geeignete Bindemittel, wie Natriumsilikat, Feldspat, Natriumaluminat u. ä., enthalten. Im allgemeinen wird Magnesiumoxyd vorgezogen.

Die Schmelzbirne kann aus einem gießfähigen keramischen Mörtel oder einer gestampften keramischen Mischung aufgebaut werden, Die innere Kammer kann mit Hilfe einer »Verlorenen« Modell-

¹S form etwa nach Art des Wachsausschmelzverfahrens, gebildet werden. Andererseits kann die Schmelzbirne aus zwei- oder mehrkomponentigen Teilen zusammengebaut werden. Die aneinandergefügten Teile können unter Verwendung von keramischen Bindemitteln oder durch ineinandergreifende Ausbildung der Teile fugenlos verbunden werden. Es wird im Hinblick auf optimale Lebensdauer empfohlen, daß die zu vereinigenden Bestandteile so zusammengefügt werden, daß die Trennlinien während der Schmelz- und Gießoperationen oberhalb des Niveaus des geschmolzenen Metalls angeordnet sind. Das Isoliermaterial 7, welches an Ort und Stelle aus keramischem Mörtel oder gestampfter Mischung hergestellt werden kann, dient als rückwärtige Versteifung, um die Schmelzbirne in ihrer Lage zu halten und als Schutzpuffer für den Fall eines Bruches der Schmelzbirne, Das Isoliermaterial kann aus jedem geeigneten keramischen Material, wie Silikat oder Tonerde, bestehen und kann mit einem oder mehreren geeigne- ten Bindemittel, wie lösliche Silikate, Feldspat, Natriumaluminat u. ä-, gebunden werden. Wenn gewünscht, können handelsübliche Silikat- oder AIuminat-Stampfmischungen verwendet werden.

Der Kopf der Anode 3 ist gewöhnlich aus Stahl gefertigt, der übrige Körper kann aus Kupfer, wassergekühlt nach bekannten Verfahren, bestehen. Die keramische Muffe 4 ist vorzugsweise ein vorgeformtes Teil, welches auf die Anode aufgezogen ist. Die Muffe kann aus jedem geeigneten keramischen Material bestehen, welches thermische und elektrische Isolation bewirkt.

Die Ummantelung 5, Stirnplatte 6 und Haltevorrichtung 17 kann aus beliebigen geeigneten Baumaterialien bestehen; Stahl wird jedoch vorgezogen, obwohl Materialien, wie gepreßte Asbeststoffe oder andere Metalle, benutzt werden können.

Das Futter 11 der Gießöffnung 10 des Ofens kann aus jedem geeigneten hochtemperatur- und feuerbeständigem Material bestehen, das dem Fließen von geschmolzenen Material während des Gießvorganges widerstehen kann. Wahlweise kann eine Kappe aus Keramik (nicht gezeigt) über dem Ofenauslaß 10 angeordnet werden, um das Ausströmen von Gas aus dem Ofen, falls gewünscht, zu verhindern.

Wie schon früher festgestellt, ist ein wichtiges Kriterium für die Entwicklung einer Schmelztechnik die Fähigkeit, die festgelegte Zusammensetzung der Grundcharge beizubehalten. Wie in der Tabelle gezeigt wird, wurde die chemische Zusammensetzung von Gußstücken, die nach verschiedenen Methoden hergestellt worden waren, bestimmt.

Die verschiedenen untersuchten Verfahren sind folgende:

Folgende verschiedenen Methoden wurden geprüft

	Beheizung	Schmelzkammer form	Atmosphäre	Zusätzliche Rühreinrichtung erforderlich
Verfahren I	Induktion Induktion Plasmabogen Plasmabogen Kohlebogen	zylindrisch zylindrisch kugelförmig tropfenförmig kugelförmig	Argon Vakuum Argon Argon Luft	nein nein ja nein ja
Verfahren II
Verfahren ΠΙ
Verfahren IV (erfindungsgemäß) Verfahren V

Verfahren I ist das übliche Induktionsschmelzverfahren. Die Induktionsspule des Ofens bewirkt eine befriedigende Durchmischung des Metalls durch elektromagnetische Effekte.

Verfahren II ist ebenfalls ein Induktionsschmelzverfahren; der gesamte Vorgang des Schmelzens und Gießens wird jedoch im Vakuum durchgeführt. Dies ist das wirksamste, heute in der Technik angewandte Verfahren. Die strengsten Spezifikationen, beispielsweise für hochwertige Produkte für die Luftfahrt, erfordern gewöhnliche Vakuumschmelzen und -gießen.

Verfahren ΠΙ besteht in der Kombination einer Plasmabogenerhitzungseinrichtung und einem kugelförmigen Schmelzbecken. Bei diesen Prüfungen war ein Rüttehnechanismus und/oder eine Durchmischung durch elektrische Konvektion erforderlich.

Verfahren IV, das erfindungsgemäße Verfahren, hat den Plasma erzeugenden Lichtbogen und die tropfenförmige Schmelzbirne zum Inhalt. Es wurde keine zusätzliche Vorrichtung zum Durchmischen verwendet. Man verließ sich nur auf die asymmetrische Mischwirkung, die durch den Anprall des Flammenbogens auf das Metall in der tropfenförmigen Schmelzbirne bewirkt wurde.

Verfahren V ist das dem Stand der Technik zugehörige, viele Jahre mit Vorteil angewendete Verfahren. Das Schmelzbecken war kugelförmig, ein Kohlelichtbogen wurde als Beheizungsmittel verwendet, und ein mechanischer Rüttelmechanismus war für die Förderung der Durchmischung des Metalls nötig.

Die bei den vergleichenden Versuchen erzielten Ergebnisse zeigen, daß die erfindungsgemäße Konstruktion gegenüber dem Stand der Technik folgende Vorteile liefert.

1. Die Konstruktion der Schmelzbirne bewirkt wirksames Durchmischen des Metalls, wobei die Herstellungszeit verkürzt wird und zusätzliche Mischeinrichtungen entfallen.

2. Die Qualität der Gießstücke, wie sie mit dem erfindungsgemäßen Apparat hergestellt werden kann, ist mit der Qualität von Gießstücken, die nach Vakuumschmelz- und -gießverfahren hergestellt werden, vergleichbar.

3. Mit dem erfindungsgemäßen Apparat wird eine ausgezeichnete Stabilität der Zusammensetzung der Legierung erreicht.

4. Weiterhin gestattet die Konstruktion der Schmelzbirne atmosphärische Bedingungen innerhalb der Ofenkammer, welche der Herstellung von Gießstücken hoher Qualität förderlich sind.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Um eine horizontale Achse kippbarer Plasmalichtbogenofen, dessen birnenförmiger Schmelzraum oberhalb des Beschickungsniveaus mit einer Gießöffnung kleineren Querschnitts in Verbindung steht, und mit Elektroden gegensätzlicher Polarität, von denen die oberhalb des Beschickungsniveaus liegende mit einer Bogenbrennervorrichtung ausgerüstet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzraum (25) in Schmelzstellung des Ofens einen tropfenförmigen Hohlraum bildet, der ohne den Fluß hindernde Widerstände in einen stromlinienförmigen Gießkanal (26) übergeht.

2. Plasmalichtbogenofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sohle des Ausgießkanals (20) tangential zu dem unteren Teil des Schmelzraumes (25) verläuft und die Decke des Kanals (22) stromlinienförmig in den Schmelzraum übergeht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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