DE1227581B - Verfahren und Vorrichtung zur selbsttaetigen UEberwachung des mittels Elektronenbeschuss ausgefuehrten Materialeinschmelzens - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zur selbsttätigen Überwachung des mittels Elektronenbeschuß ausgeführten Materialeinschmelzens Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur selbsttätigen Überwachung des mittels Elektronenbeschuß ausgeführten Materialeinschmelzens.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die verschiedenen Parameter, die im Laufe des Einschmelzens eines Werkstoffes durch .Elektronenbeschuß auftreten, selbsttätig zu überwachen. Ferner soll gemäß der Erfindung unter anderem das automatische Regeln des mit Elektronenbeschuß arbeitenden Schmelzofens gelöst werden.
• Zum Reinigen von Ausgangsstoffen,. wie rohen Werkstoffen, ist es bereits bekannt, diese Stoffe im flüssigen Zustand einer verdünnten Atmosphäre, wie einem Vakuum, auszusetzen, wobei das Einschmelzen dieser Stoffe mit Hilfe von Elektronenbeschuß erfolgt.
• Im allgemeinen wird bei industriellen Öfen dieser Art der zu reinigende Stoff in kontinuierlicher Weise als Festkörper zugegeben, z. B. in Granulatform, in Form von Drähten oder abschmelzbaren Elektroden. Mindestens eine Elektronenkanone befindet sich in der Einfassung bzw. dem geschlossenen Raum des Ofens, der unter Vakuum oder einer speziellen Gasatmosphäre gehalten wird, um das feste, eingeführte Material zu schmelzen, und der auf diese Weise bearbeitete Stoff wird aufgefangen in einem Schmelztiegel od. dgl., der gekühlt werden kann. Der gereinigte Stoff kann in Form eines Barrens erstarren, der auf diese Art in kontinuierlicher Weise hergestellt bzw. gezogen wird. (Solche Öfen sind z. B. in der Elektrotechnischen Zeitschrift ETZ, Ausgabe B, Heft 20, 1963, S. 562, beschrieben.) Wenn das Einschmelzen durch Elektronenbeschuß angewandt wird, sind eine Anzahl von Parametern zu berücksichtigen, die den zu erhaltenden Reinheitsgrad bestimmen. Besonders kommt es auf die Temperatur der flüssigen Schmelze an, d. h. auf die Temperatur der flüssigen Oberfläche im oberen Teil des gezogenen Blockes, auf die Geschwindigkeit, mit der der zu reinigende Stoff eingeführt wird, auf den verbleibenden atmosphärischen Gasdruck am Schmelzbad, der im Schmelzzustand durch die Elektronenbündel gehalten wird: Dies sind die Faktoren, die berücksichtigt werden müssen, wenn der Reinheitsgrad des Stoffes überwacht und geregelt werden soll.
• In der französischen Patentschrift 1327 370 ist bereits erwähnt, daß es beim Elektronenstrahlschweißen notwendig ist, den Schmelzprozeß fast ununterbrochen zu beobachten, d. h. die elektromagLetische Strahlung der Schmelzfläche zu empfangen, vermöge der Farbempfindlichkeit des Auges spektralanalytisch zu erfassen und danach den Ofen zu steuern. Bei Glimmentladungsöfen ist es bekannt, Strahlungspyrometer zu verwenden (schweizerische Patentschrift 364 850), um die Temperatur des Werkstücks auf einem vorgegebenen Wert zu halten.
• Diese bisher üblichen Maßnahmen haben jedoch den Nachteil, daß sie nicht ohne Kunst und unterschwellige Kalkulation, nämlich nicht ohne Farbigkeiten miteinander zu vergleichen und auszuwerten, zu praktizieren waren, bzw. hat das zweiterwähnte Verfahren den Nachteil, daß die Temperatur des Werkstücks eine sich für viele Regelvorgänge zu träge ändernde Regelgröße ist, die zudem überhaupt keinen Einblick in die Entladungsvorgänge selbst gestaltet.
• Die Nachteile werden gemäß der Erfindung dadurch überwunden, daß die elektromagnetische Strahlung des oberhalb der Schmelzfläche vorhandenen, Verunreinigungen enthaltenden ionisierten Gases spektraianalytisch erfaßt wird und die erfaßte Information direkt oder indirekt als Steuer- oder Regelsignal verwendet wird, um einen oder mehrere Arbeitsparameter des Ofens, von denen der Reinheitsgrad des Materials abhängt, wie die Blockversteilgeschwindigkeit, die Einführgeschwindigkeit des festen Einschmelzgutes und/oder die Intensität des Elektronenbeschusses zu steuern und zu regeln. Die zahlreichen Funktionsparameter des Ofens können erfindungsgemäß, je nach Einzelfall, einzeln oder auch gemeinsam (kombinationsweise) geregelt werden. Um beispielsweise die Temperatur der Schmelze zu regeln, kann die Intensität des Elektronenbündels geändert werden, was dadurch! zur Ausführung kommt,,daß separat oder auch gemeinsam die Anzahl der Elektronenkanonen in angepäßter Weise eingeschaltet; ihre Intensität oder die lokalen Bedingungen der- Elektronenbündel verändert werden oder daß die Frequenz der Richtungsänderung eines Elektronenbündels, das abwechselnd auf das Rohmaterial und den Einschmelzblock gerichtet ist, verändert wird,- und man kann gleichfalls die Anzahl der zum Kühlen des Blockes verwendeten Wärmeeinheiten, z. B. auch für einen Schmelztiegel, eine Kokille; eine Gußfprm, verändern usw. .
• Es ist verständlich, daß die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens je nach Einzelfall und je nachdem, wie groß die Bedeutung der einzelnen Faktoren beim Betrieb des Elektronenofens ist, erfolgt; auch können die Verfahrensschritte in verschiedener Weise miteinander kombiniert werden.
• Erfindungsgemäß wird die Strahlungsemission- der Gasatmosphäre, --die: durch die Verunreinigungen ionisiert ist, mit Hjjfe eines Spektralgerätes, wie z. B. eines Spektrometers, analysiert. Es ist bekannt, daß jede Verunreinigung ein leuchtendes, ihr spezifisches Spektrum erzeugt. Die spektrale Information, wie die Spektrallinien, die charakteristisch für eine der Verunreinigungen `werden also ausgenutzt, um die verschiedenen Betriel sparameter des Ofens zu steuern.
• Eine Vorrichtung -zur Ausführung des Verfahrens enthält einen einem Elektronenbeschuß ausgesetzten Ofen, in dem das Rohmaterial zum Frischen oder Einschmelzen zugeführt wird und aus dem eine Stange reinen Werkstoffs gezogen wird, wobei diese Vorrichtung erfindungsgemäß mit mindestens einem spektralanalytischen Apparat, z. B. einem die emittierte Strahlung erfassenden Spektrometer versehen ist, wobei die Strahlung aus der Zone oberhalb der flüssigen Schmelze und oberhalb des obersten Blockteiles erfaßt wird, während mindestens ein Verstärkergerät, das - die erhaltenen Spektren erfaßt,. eventuell unter Zwischenschaltung von Hilfsgerät, die zu ändernden funktionellen Parameter des Ofens, je nach Einzelfall, einzeln oder kombinationsweise steuert oder regelt, insbesondere die Intensität des elektronischen Beschusses oder die Schmelztemperatur, die Geschwindigkeit der Zufuhr der Beigabe (fester Stoff), die Verstell- bzw. Zuggeschwindigkeit des Blockes usw.
• Der Erfindungsgegenstand wird nachfolgend schematisch an Hand einer Vorrichtung beschrieben, welche zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient.
• In der Zeichnung ist ein Ofen mit einer einzeln an sich bekannten Elektronenkanone l dargestellt, deren Beschuß der obere Teil eines Blockes, Barrens od. dgl. 3 ausgesetzt ist, um eine Fläche oder ein Bad 3 a im schmelzenden Zustand zu halten, während der Barren in kontinuierlicher Weise in Richtung F gezogen wird, nachdem die Abkühlung der Barrenform 2 erfolgt ist. Das einzuschmelzende Rohmaterial wird in Form von Granulat 5 zugegeben.
• Die verunreinigten Teilchen des Granulats 5 verdampfen zum größten Teil in der Nähe der flüssigen Oberfläche des Bades 3 a; die die Verunreinigungen enthaltende Gasatmosphäre wird durch das Elektronenbündel 1 a ionisiert, und zwar in der mit dem Bezugszeichen 4 schematisch angegebenen Zone oberhalb der flüssigen Oberfläche 3 a. Die von der Zone 4 ausgehende leuchtende Strahlung 4 a wird erfindungsgemäß durch ein Spektrometer 6 erfaßt, der Lichtstrahlen, Spekträllinien oder ändere Signale erzeugt, beispielsweise photoelektrische Signale, die charakteristisch für die Verunreinigungen des ionisierten Dampfes der Zone 4 sind. Ein Verstärker 7 nutzt diese vom Spektrometer ausgehenden Informationen aus, um direkt oder mit Hilfe einer Servovorrichtung mechanische, elektromechanische, elektrische, pneumatische oder andere Mittel, je nach Einzelfall, zu steuern, durch welche die Parameter der Ofenfunktionen gesteuert werden. Ferner ist durch das Bezugszeichen 8 eine Fernsteuerung schematisiert, durch die die Zugabemenge des Granulats 5 zum Ofen gesteuert (geregelt) wird. Die Pfeile 9 bzw. 10 deuten die Möglichkeit an, die Geschwindigkeit der-Verstellung des Barrens 3 als auch die Intensität der Elektronenkanone zu steuern. Man kann gleichfalls eine Zwangsbeziehung - oder Zwangssteuerung zwischen dem Reinheitsgrad des Barrens, mit anderen Worten, zwischen der Menge der auszusondernden Verunreinigungen, und den verschiedenen Betriebs-' parametem des Ofens herstellen.
• Die Erfindung ist auf die vorstehenden Aiisführungsbeispiele nicht beschränkt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit Vorteil an allen mit Elektronenkanonen arbeitenden Öfen, besonders an solchen Anwendung finden, die eine Mehrzahl von Elektronenkanonen haben oder eine Mehrzahl von Ablenkvorrichtungen für die Elektronenbündel, wobei die Vorrichtung Mittel zur Zuführung des einzuschmelzenden Gutes in Pulverform, in Form von Fäden, Barren, abschmelzbaren Elektroden usw. hat. Die Erfindung kann mit Vorteil zur Gewinnung von Metallen oder metallischen Legierungen hohen Reinheitsgrades angewandt werden.

Claims (6)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zur selbsttätigen -Überwachung des mittels Elektronenbeschuß ausgeführten Materialeinschmelzens, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Strahlung des oberhalb der Schmelzfläche vorhandenen, Verunreinigungen enthaltenden, ionisierten Gases spektralanalytisch erfaßt wird und die erfaßte Information direkt oder indirekt als Steuer- oder Regelsignal verwendet wird, um einen oder mehrere Arbeitsparameter des Ofens, von denen der Reinheitsgrad des Materials abhängt, wie die Blockverstellgeschwindigkeit, die Einführgeschwindigkeit des festen Einschmelzgutes und/ oder die Intensität des Elektronenbeschusses, zu steuern oder regeln.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung eines erhöhten Reinheitsgrades und einer höheren Homogenität des Einschmelzgutes die gesamte von den Verunreinigungen ausgehende Strahlung zur Erregung der Regelsignale des Ofens ausgenutzt wird, wobei dann jeder einzelne Strahl einer bestimmten Art der Verunreinigung entspricht.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur selektiven Aussonderung gewisser Verunreinigungen ausschließlich Strahlungssignale der jeweiligen Verunreinigungen erfaßt und zur Erregung von Regelsignalen verwendet werden.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht zu den Verunreinigungen gehörende spektrale Information aus der Zone (4) des dem Spektrometer od. dgl. nachgeschalteten Geräts verwendet wird.
5. 5. Vorrichtung zur Ausführung eines der Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein spektralanalytisches Gerät, wie ein Spektrometer verwendet wird, das auf die Zone (4) oberhalb der Schmelzoberfläche (3a) des Barrens (3) ausgerichtet ist, wobei dem Spektralgerät ein Verstärker (7) und dem Verstärker gegebenenfalls ein Hilfsgerät, wie eine Servovorrichtung od. dgl., nachgeschaltet ist, so daß das Regelgerät (9, 10) zur Änderung der Arbeitsparameter des Elektronenofens steuerbar ist.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Arbeitsparameter gleichzeitig geregelt werden. In Betracht gezogene Druckschriften: Schweizerische Patentschrift Nr. 364 850; französische Patentschrift Nr. 1327 370; ETZ-B, 1963, H. 20, S. 562.