DE1280487B - Lichtbogen- oder elektronenstrahlbeheizter Vakuumschmelzofen - Google Patents

Lichtbogen- oder elektronenstrahlbeheizter Vakuumschmelzofen

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DE1280487B
DE1280487B DEC34578A DEC0034578A DE1280487B DE 1280487 B DE1280487 B DE 1280487B DE C34578 A DEC34578 A DE C34578A DE C0034578 A DEC0034578 A DE C0034578A DE 1280487 B DE1280487 B DE 1280487B
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Andre Accary
Andre Treillou
Jean Trouve
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. Cl.:
F27d
Deutsche Kl.: 31 a3 -19/00
Nummer: 1280487
Aktenzeichen: P 12 80 487.4-24 (C 34578)
Anmeldetag: 7. Dezember 1964
Auslegetag: 17. Oktober 1968
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen lichtbogen- oder elektronenstrahlbeheizten Vakuumschmelzofen, insbesondere zur Herstellung von Barren oder Stäben aus Uran, Uranverbindungen oder Uranlegierungen, in dessen evakuierbarer Kammer sich eine Kokille befindet, der eine steuerbare Einrichtung für die Zuführung des zu schmelzenden Gutes zugeordnet ist.
Bei elektrischen Vakuumschmelzöfen ist es bekannt, die Schmelzgeschwindigkeit einer Abschmelzelektrode mittels eines Positionsanzeigers zu bestimmen und entsprechend zu steuern. Es ist ferner bei Vakuum-Lichtbogenöfen bekannt, den Vorschub einer Abschmelzelektrode in Abhängigkeit von elektrischen Daten, nämlich Strom und/oder Spannung des Lichtbogens zu regeln. Weiterhin ist es bekannt, den Vorschub einer Abschmelzelektrode in Abhängigkeit von ihrem Gewicht zu steuern.
Es sind ferner Vakuumschmelzöfen bekannt, die eine wassergekühlte Kokille mit nach unten verfahrbarem Boden enthalten, die durch eine Rüttelrinne mit pulver- oder körnchenförmigem Gut beschickt werden.
Die Geschwindigkeit, mit der das zu schmelzende Gut in die Schmelzzone eines Vakuumofens eingebracht werden kann, hängt häufig nicht nur von der Schmelzleistung des Ofens, sondern auch von dem im Ofen herrschenden Unterdruck ab. Wenn beispielsweise das Metall durch einen Elektronenstrahl geschmolzen wird, darf der Druck im Ofen nicht so weit ansteigen, daß die Funktionsfähigkeit des Strahlerzeugungssystems beeinträchtigt wird. Auch bei der Herstellung von Materialien, insbesondere für die Kerntechnik, bei denen nur sehr geringe Gehalte an Gasen, wie Stickstoff oder Sauerstoff, zulässig sind, darf der Druck im Ofen einen bestimmten Höchstwert nicht überschreiten. Die Forderung, daß eine bestimmte obere Druckgrenze im Betrieb nicht überschritten werden darf, setzt eine entsprechende Grenze für die Geschwindigkeit, mit der das zu schmelzende Gut zugeführt werden kann, da beim Schmelzen praktisch immer Gase frei werden und die Saugleistung der Vakuumanlage des Schmelzofens aus wirtschaftlichen Gründen nicht beliebig groß gemacht werden kann.
Die Erfindung setzt sich zur Aufgabe, einen Vakuumschmelzofen mit einer Einrichtung zur Zuführung des zu schmelzenden Gutes anzugeben, bei dem die Zuführungsgeschwindigkeit so geregelt wird, daß sich ein maximaler Durchsatz ergibt.
Diese Aufgabe wird bei einem Vakuumschmelzofen der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung
Lichtbogen- oder elektronenstrahlbeheizter
Vakuumschmelzofen
Anmelder:
Commissariat ä l'Energie Atomique, Paris
Vertreter:
Dr.-Ing. E. Sommerfeld und Dr. D. v. Bezold,
Patentanwälte, 8000 München 23, Dunantstr. 6
Als Erfinder benannt:
Andre Accary,
Andre Treillou, Paris;
Jean Trouve, Versailles, Seine- et-Oise
(Frankreich)
Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 9. Dezember 1963 (956 480) - -
gelöst durch eine Meßeinrichtung für die Messung des
as Druckes in der evakuierbaren Kammer, die mit der steuerbaren Einrichtung für die Zuführung des zu schmelzenden Gutes in Verbindung steht und bei sinkendem Druck die Zuführungsgeschwindigkeit erhöht und bei steigendem Druck die Zuführungsgeschwindigkeit erniedrigt.
Vorzugsweise enthält die Meßeinrichtung ein Ionisationsmanometer mit kalter Kathode und eine auf die Größe des Ionisationsstromes dieses Manometers ansprechende Anordnung. Ionisationsmanometer mit kalter Kathode sind bekannt (siehe z. B. F. Kohlrausch, »PraktischePhysik«, B.G.Teubner Verlagsgesellschaft Leipzig, 1953, Bd. 1, S. 186).
Eine Weiterbildung des Vakuumschmelzofens gemäß der Erfindung, bei dem die Zuführungsanordnung für das zu schmelzende Gut eine durch ein elektrisches Gerät, z. B. einen Elektromagneten oder Elektromotor angetriebene Rüttelrinne oder Vorschubeinrichtung enthält, bei der die Zuführungsgeschwindigkeit proportional der Speisespannung des elektrischen Gerätes ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß dem elektrischen Gerät Speisespannungen von zwei Quellen verschiedener Spannung unter Steuerung durch zwei Relais zuführbar sind, welche durch einen Maximal- bzw. Minimalkontakt eines Kontaktgalvanometers, das an die Meßeinrichtung angeschlossen ist, derart steuerbar sind, daß im Ruhezustand, wenn der Ausschlag des Galvanometers zwischen den durch
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die Kontakte definierten Grenzen liegt, die beiden Der Durchsatz der Körnchen 7 ist ziemlich propor-Relais ihren Ruhezustand einnehmen und das elek- tional der Schwingungsamplitude der Rüttelrinne und irische Gerät durch eine dritte Spannungsquelle läßt sich dementsprechend mittels der Speisespannung speisen, die eine mittlere, vorzugsweise einstellbare des Elektromagneten 23 steuern, die beispielsweise Spannung liefert, die zwischen den Spannungen der 5 zwischen 0 und 220 Volt veränderbar sein kann,
beiden erstgenannten Spannungsquellen liegt, während Gemäß der Erfindung wird der Durchsatz des zudas elektrische Gerät beim Schließen des Minimal- geführten körnchenförmigen Materials in Abhängigbzw. Maximalkontaktes mit einer niedrigeren Span- keit vom Vakuum, das in der die Kokille enthaltenden nung bzw. höheren Spannung von den beiden erst- Kammer herrscht, also in Abhängigkeit vom Untergenannten Spannungsquellen gespeist wird. io druck in dieser Kammer geregelt, und zwar im wesen-
Die die mittlere Spannung liefernde Spannungs- liehen umgekehrt proportional zum Druck, d. h. daß
quelle enthält vorzugsweise einen von Hand einstell- die Zuführungsgeschwindigkeit bei absinkendem
baren Stell- oder Drehtransformator, der durch die Druck erhöht und bei ansteigendem Druck erniedrigt
die höhere Spannung liefernde Spannungsquelle ge- wird,
speist ist. 15 Die Messung des Druckes in der Kammer erfolgt
Die Erfindung wird im folgenden an Hand von durch eine nur schematisch dargestellte Meßeinrich-
Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeich- tang 41 in Form einer Ionisationsmanometerröhre
nung näher erläutert, es zeigt mit kalter Kathode, deren Ionisationsstrom eine
Fig. 1 eine teilweise geschnittene, schematische Funktion des Druckes ist. Solche Ionisationsmano-
Seitenansicht eines Elektronenstrahl-Vakuumschmelz- 20 meterröhren sind bekannt, sie enthalten meist zwei
ofens gemäß der Erfindung, einander im Abstand gegenüberliegende, scheiben-
Fig. 2 eine im Vergleich zu Fig. 1 vergrößert förmige Kathoden, zwischen denen eine ringförmige
dargestellte Schnittansicht einer Anordnung zum Zu- Anode angeordnet ist. In dem Raum zwischen den
führen körnchenförmigen Schmelzgutes, Kathoden herrscht ein Magnetfeld, das die Ionisie-
F ig. 3 ein Schaltbild einer Anordnung zum Steuern 25 rungswahrscheinlichkeit erhöht, da es die durch
der Zuführungsgeschwindigkeit des zu schmelzenden Ionenaufprall aus den Kathoden freigesetzten Elek-
Gutes in Abhängigkeit vom Druck in der Vakuum- tronen auf ihrem Weg zu der positiven vorgespannten
kammer des Ofens, und Anode auf spiralförmige Bahnen zwingt. Die Elek-
F i g. 4 eine vereinfachte Schnittansicht eines Teiles tronen ionisieren das Restgas, und der zwischen Anode
eines Lichtbogenschmelzofens, bei dem die Vorschub- 30 und Kathoden fließende Strom ist näherungsweise
geschwindigkeit einer das zu schmelzende Gut bilden- proportional dem Gasdruck und kann durch ein in
den Abschmelzelektrode durch eine Einrichtung ge- Druckeinheiten geeichtes Strommeßgerät angezeigt
maß der Erfindung gesteuert werden kann. werden.
Der in F i g. 1 als erstes Ausführungsbeispiel der Der Ionisationsstrom wird durch ein Mikroampere-Erfindung dargestellte Vakuumschmelzofen dient zum 35 meter 42 angezeigt, dem ein Kontakt-Mikroampere-Herstellen von Urankarbidstäben durch Strangguß. meter oder Galvanometer 43 in Reihe geschaltet ist, Er enthält eine doppelwandige Kokille 1 mit senk- um geeignete Steuersignale zu erzeugen. Die Emprecht verfahrbarem Boden 6. Das Innere 4 der findlichkeit des letztgenannten Meßinstrumentes ist Kokille wird von einer Kühlflüssigkeit durchströmt, vorzugsweise durch einen nicht dargestellten verdie von einem in üblicher Weise ausgebildeten, nicht 40 änderlichen Parallelwiderstand einstellbar,
dargestellten Kühlsystem geliefert wird. Die Kokille 1 In F i g. 3 sind schematisch das bewegliche Element ist zylindrisch und im oberen Teil konisch erweitert. 44 des Kontaktgalvanometers und zwei einstellbare
Der verfahrbare Boden 6 ist mit einer Antriebs- Gegenkontakte 45,46 dargestellt, die in den Bereichen
Vorrichtung versehen, die beispielsweise eine Schrau- in der Nähe der Enden der Skala angeordnet sind
benspindel 17 enthalten kann, welche zu einem 45 und einen Arbeitsbereich einzustellen gestatten.
Untersetzungsgetriebe 16 gehört, das durch einen Der die Rüttelrinne 21 antreibende Elektromagnet
Elektromotor 18 angetrieben wird. 23 kann wahlweise durch eine Spannungsquelle S-T
Die Wärmequelle des dargestellten Schmelzofens von beispielsweise 110 Volt, oder von einer Spanbesteht aus einem Elektronenstrahlerzeugungssystem nungsquelleli-Γ, die eine höhere Spannung, beispiels-10, das durch eine Vakuumanlage 14 evakuiert wird 50 weise 220 Volt liefert, gespeist werden,
und ein Elektronenstrahlbündel 11 liefert, das auf das Die Speisung durch die Spannungsquelle S-T in der Kokille 1 enthaltene Schmelzgut gerichtet ist. niedrigerer Spannung, beispielsweise 110 Volt, erfolgt
Das aus körnchenförmigem Urankarbid 7 be- über einen Regelwiderstand 48 und einen Arbeitsstehende Schmelzgut wird der Kokille 1 mittels ,einer kontakt 49 eines elektronischen Relais 51, das durch Zuführungsanordnung 8 zugeführt, die eine Auslauf- 55 den Maximalkontakt 46 des Galvanometers 43 erregt rutsche 9 enthält. wird. Die Speisung durch die Spannungsquelle R-T
Die Kokille 1 befindet sich im Inneren einer von beispielsweise 220 Volt erfolgt in einem ersten
Vakuumkammer 12, die mittels einer üblichen Betriebszustand über einen Ruhekontakt 54 des
Vakuumanlage 13 evakuiert werden kann. durch den Maximalkontakt gesteuerten elektronischen
Die in Fig. 2 genauer dargestellte Zuführungs- 60 Relais 51 und einen Ruhekontakt 55 eines anderen
anordnung 8 enthält einen Beschickungstrichter 20, elektronischen Relais 56, das durch den Minimal-
dessen Mündung oberhalb einer geneigten Rüttel- kontakt 45 des Galvanometers 43 gespeist wird, und
rinne 21 angeordnet ist, die auf Schwinghebeln 21a, über einen Stell- oder Drehtransformator 58, der mit
21 b gelagert ist und unten oberhalb des Anfanges der einem von Hand betätigbaren Steuerglied 59 ver-
Auslaufrutsche 9 endet. Die Rüttelrinne 21 wird 65 sehen ist. Bei einem anderen Betriebszustand wird
durch einen Elektromagneten 23 in Kombination mit der Elektromagnet 23 dagegen von der gleichen
einer Rückholfeder 22 in schwingender Bewegung ge- Spannungsquelle R-T direkt über den Ruhekontakt 54
halten. · des vom Maximalkontakt 46 gesteuerten elektro-
nischen Relais 51 und einen Arbeitskontakt 61 des vom Minimalkontakt 45 gesteuerten elektronischen Relais 56 gespeist, der Stelltransformator 58 ist dabei ausgeschaltet.
Die beschriebene Anlage arbeitet folgendermaßen:
Bei einem mittleren Vakuum in der Ofenkammer arbeitet die Zuführungsvorrichtung mit einem mittleren Durchsatz und das bewegliche Element 44 des Kontaktgalvanometers 43 nimmt dementsprechend eine mittlere Stellung ein, wie sie etwa in Fig. 3 dargestellt ist, und der Elektromagnet 23 wird von der beispielsweise 220 Volt liefernden Spannungsquelle R-T über die beiden Ruhekontakte 54, 55 der beiden elektronischen Relais 51 bzw. 56 und über den Stelltransformator 58 gespeist, der so eingestellt ist, daß sich eine Hubamplitude des Elektromagneten 23 ergibt, die dem vorgesehenen mittleren Durchsatz der Zuführungsanordnung entspricht.
Wenn sich das Vakuum in der Ofenkammer unter einen vorgegebenen Wert verschlechtert, d. h. wenn der Druck in der Kammer über einen vorgegebenen Maximalwert ansteigt, der der Einstellung des Maximalkontaktes 46 des Galvanometers 43 entspricht, wird das Maximum-Relais 51 erregt und der Elektromagnet 23 wird nun über den Arbeitskontakt 49 dieses Relais nur noch von der beispielsweise 110 Volt betragenden Spannung der Spannungsquelle S-T gespeist, so daß der Durchsatz der Zuführungsanordnung entsprechend herabgesetzt wird.
Wenn andererseits der Druck in der Ofenkammer unter einen vorgegebenen Wert sinkt, der der Einstellung des Minimalkontaktes 45 des Kontaktgalvanometers 43 entspricht, wird das Minimum-Relais 56 erregt und der Elektromagnet 23 wird nun über den Ruhekontakt 54 des Maximum-Relais 51 und den Arbeitskontakt 61 des Minimum-Relais 56 von der vollen Spannung der Spannungsquelle R-T, also beispielsweise mit 220 Volt gespeist. Der Durchsatz der Zuführungsvorrichtung nimmt dann entsprechend zu.
Bei dem in F i g. 4 dargestellten Vakuumschmelzofen, der mit einer Abschmelzelektrode 110 arbeitet, wird gemäß der Erfindung der Vorschub dieser Elektrode in Abhängigkeit vom Druck in der Ofenkammer geregelt. Die Elektrode 110 ist an einem beweglichen Träger 111 befestigt, der dicht durch eine Kammer 112 geführt ist, welche über eine Leitung 14 mit einer nicht dargestellten Vakuumpumpe verbunden ist. Oberhalb der Kammer 112 befindet sich eine Vorschubanordnung 113 für den Träger 111. Diese Vorschubanordnung 113 kann ähnlich wie die in F i g. 3 dargestellte Zuführungsanordnung 8 durch einen Elektromagneten oder durch einen Motorantrieb u. dgl. gesteuert werden. Die Elektrode 110 und der Tiegel sind mit einer Spannungsquelle verbunden, die zwischen dem tiegelseitigen Ende der Elektrode 110 und dem Tiegel einen elektrischen Lichtbogen zu erzeugen gestattet, wobei die Elektrode 110 entsprechend ihres Vorschubes abschmilzt.

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Lichtbogen- oder elektronenstrahlbeheizter Vakuumschmelzofen, insbesondere zur Herstel
lung von Barren oder Stäben aus Uran, Uranverbindungen oder Uranlegierungen, in dessen evakurierbarer Kammer sich eine Kokille befindet, der eine steuerbare Einrichtung für die Zuführung des zu schmelzenden Gutes zugeordnet ist, gekennzeichnet durch eine Meßeinrichtung (41) für die Messung des Druckes in der evakuierbaren Kammer (12), die mit der steuerbaren Einrichtung (8, 113) für die Zuführung des zu schmelzenden Gutes (7,110) in Verbindung steht und bei sinkendem Druck die Zuführungsgeschwindigkeit erhöht und bei steigendem Druck die Zuführungsgeschwindigkeit erniedrigt.
2. Vakuumschmelzofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (41) ein Ionisationsmanometer mit kalter Kathode und eine auf die Größe des Ionisationsstromes dieses Manometers ansprechende Anordnung (43) enthält.
3. Vakuumschmelzofen nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Einrichtung für die Zuführung des zu schmelzenden Gutes eine durch ein elektrisches Gerät, z. B. einen Elektromagneten oder Elektromotor, angetriebene Rüttelrinne oder Vorschubeinrichtung enthält, bei der die Zuführungsgeschwindigkeit proportional der Speisespannung des elektrischen Gerätes ist, dadurch gekennzeichnet, daß dem elektrischen Gerät (23) Speisespannungen von zwei Quellen (S-T, R-T) verschiedener Spannung unter Steuerung durch zwei Relais (51, 56) zuführbar sind, welche durch einen Maximal- bzw. Minimalkontakt (46 bzw. 45) eines Kontaktgalvanometers (43), das an die Meßeinrichtung (41) angeschlossen ist, derart steuerbar sind, daß im Ruhezustand, wenn der Ausschlag des Galvanometers zwischen den durch die Kontakte definierten Grenzen liegt, die beiden Relais ihren Ruhezustand einnehmen und das elektrische Gerät durch eine dritte Spannungsquelle speisen, die eine mittlere, vorzugsweise einstellbare Spannung liefert, die zwischen den Spannungen der beiden erstgenannten Spannungsquellen liegt, während das elektrische Gerät (23) beim Schließen des Minimal- bzw. Maximalkontaktes (45 bzw. 46) mit einer niedrigeren Spannung bzw. höheren Spannung von den beiden erstgenannten Spannungsquellen gespeist wird.
4. Vakuumschmelzofen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die mittlere Spannung liefernde Spannungsquelle einen von Hand einstellbaren Stell- oder Drehtransformator (58) enthält, der durch die die höhere Spannung liefernde Spannungsquelle (R-T) gespeist ist.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1157739;
»Zeitschrift für Metallkunde«, 1956, Heft 3, S. 162; »Metal Industry«, 10. November 1961, S. 383;
Werbeschrift der Fa. Heraeus »Vakuum-Lichtbogenöfen, Typenreihe L 200«
96. 0113 5 C 6012).
(Katalogzeichen
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
809 627/959 10. 68 © Bundesdruckerei Berlin
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