Vorrichtung zum Schmelzen von Metallen und Verbindungen mit
hohem Schmelzpunkt
In der Metallurgie werden zum Schmelzen hochschmelzender Metalle,
Legierungen und Verbindungen Öfen verwendety bei denen die zum Schmelzen erforderliche
Energie entweder in Form eines konzentrierten Elektronenstrahles oder durch einen
Lichtbogen zugeführt wird. Elektronenstrahlöfen können nur im Hochvakuum oder bei
Verwendung von Elektronenkanonen im Feinvakuum betrieben werden. Dagegen können
Lichtbogenöfen entweder im Vakuum arbeiten, wobei das Plasma des Bogens ausschlieselich
aus dem Dampf des Schmelzgutes besteht oder unter Schutzgas bei beliebigem Druck
betrieben werden, wobei vorwiegend das ionisierte Gas das Plasma bildet. Die zuletzt
genannte Betriebeart ist vor allem dann angebrachtg wenn Legierungen oder Verbindungen
zu'schmelzen sind, bei denen eine Komponente bei der Schmelztemperatur flüchtig
ist oder ein beträchtlicher Anteil der Verbindung in der-Dampfphase diaproportioniert.Turch
das Schutzgas kann man diesen unerwünschten Effekt zwar nicht unterbindeng aber
doch hinreichend verzögern. Beim Schmelzen von Metallen und Verbindungen mit hohem
Schmelzpunkt (z,B, 1500 0 0 und mehr) steht in der Regel kein geeignetes
Tiegelmaterial zur Verfügunge das mit der
Schmelze nicht reagierte-Man
kann aber durch eine spezielle Schmelztechnik eine P_,eaktion des Tiegels mit der
Schmelze unterbinden. Es handelt sich dabei um das sogenannte "Skull-meltingu,-Verfahreng
bei dem sich die Schmelze in einem gekühlten Tiegel befindet. Man erzwingt dabei
ein starkes Temperaturgefälle zwischen Schmelze und Tiegelg so dass eine feste Schale
des Schmelzgutes (Skull) eine unmittelbare Berührung der Schmelze mit dem Tiegel
unterbindet. Bei den bekannten Konstruktionen von Lichtbogenöfen ist der z.B. aus
Kupfer bestehende Tiegel an geeigneter Stelle - meist in Verbindung -#iit
der mechanischen Befestigung mit dem einen Pol der SI.omquelle verbunden. Dabei
bleibt der Stromfluss von der Verbindungestelle des Stromanschlusses am Tiegel bia
zum Brennfleck des Lichtbogens auf der Schmelze dem Zufall überlassen. Je nach der
Grösse der Schmelzpfütze reduziert sich die Stärke des Skulls, der ausserdem entsprechend
seiner Temperatur und seines Ausdehnungskoeffizienten rehr oder weniger fest an
den gekühlten Tiegel angepresst wird. Dadurch ergeben sich Kontaktstellen zwischen
Skull und Tiegelg die beliebig am Rand verteilt sein können. Durch den querfliessenden
Strom verformt sich auch das den Strom begleitende Magnetfeld, was wiederum Rückwirkungen
auf den Lichtbogen hat. Bei langsam wandernden Kontaktstellen läuft der Bogen daher
unkontrolliert auf der Schmelzpfütze umher. Das Aufschmelzen des katerials erfolgt
hierbei sehr ungleichmässig, wobei die geschmolzene Gesamtmenge bei gleichem Einsatz
sehr verschieden ist. Es-wurde nun gefunden, daso sich die Nachteile der bekannten
Vorrichtungen in einfacher Weise dadurch vermeiden lassen, daso die Wandung des
Tiegels von einer im Boden desselben vorgesehenen Stromzuführung elektrisch isoliert
ist.
Die Stromzuführung kann hierbei auf der p#esamten elektrisch leitenden Bodenfläche
erfolgen bzw. es kann in der Mitte der Bodenfläche eine von den übrigen'Teilen des
Tiegels isolierte Elektrode vorgesehen seing deren Durchmesser klein gegenüber dem
Tiegeldurchmesser ist. Bei einer solchen Ausführung kann der Strom lediglich axial
von der Kontaktstelle am Boden des Tiegels über die feste Schale des ScLmelzgutes
durch die Schmelze und weiter über das Plasma zur Elektrode.fliessen. Die Grösseg
die Anzahl und die Lage der Berührungsstellen zwischen fester Schale und isolierter
Tiegelwand können dann beliebig sein, ohne dass sie auf die Strombahnen Einfluse
haben. Kleine Abweichungen des Stromflusses aus der Mittelachse und entsprechende
Abweichungen den Bogens können dann in an.sich bekannter weise von einem Fremdmagnetfeld
beeinflusst und korrigiert werden. Diei-es M"-.Fnc-tfeld wird durch eine den Tiegel
umgebende Spule erzeugty wobei die Rittelachse des Feldes mit dem idealen Stromverlauf
Übereinstimmte ln diesem Falle treten keine Richtkrüfte auf. Wird dagegen dür Bogen
etwas auswandern, so tret.en Tangentialkräfte gem;'isq dem elektrod-,1,-namischen
Grundgesetz P x H x I auf, die eine durchius erwünschte Rotation der Schmelze
zur Folge hal-en. Durch bliese erhöht sich die Menge des ges,#hmolzenen Materials
lei i'leichzeitiger Inniger Durchmischung; -indt,rersei'q wird ein --"- steiles
Temperaturgefälle zxiLzvhen der -2'-',h.T.elze i
und der Derl#.i"ru!-.gpfl;L.et.e
-1),--hmelze und Skull vermieden. Als Folge der Fixierung des Lichtbogens auf die
Mitte der Schmelze trennt der Lichttogen exakt von der #Zitte der Elektrode 'rer
Kathodenbrenr-fleck stgbilisiert sich. dort, so d##z-s ei*s-,)rec17end -',!er erhjh'Len
'-emner---Itur an die--#-i Ari.,rendung ser Stelle auch der Al-br!- d m-rklich
wir,#. L
des stabilisierenden Magnetfeldes vergrösse#rt sich der
Brennfleck und entsprechend geht die Strombelastung zurück. Damit reduziert sich
auch der unvermeidliche Abbrand der Elektrode auf ein Minimum und ist als nahezu
konstant.anzusehen. Da der Substanzverlust an der Elektrode z.T. von.der Schmelze
aufgenommen wird" ist erstichtlichv dass als Folge der Stabilisierung des Lichtbogens
und der Vergi#össerung des Kathodenbrennflecks die Verunreinigungen in der Schmelze
ebenfalls zurückgehen. Infolge der guten Symmetrie des Lichtbogens gemi#ss der beschriebenen
Vorrichtungen am Schmelztiegel wird gewährleistet, dass bei 1P.nger andauernder*Verwendung
einer Elektrode eine Kalo'-te eingebrannt wirdv deren Fläche der Ort des Brennflecks
ist. Die Ausbildung der Kalotte kann in einfacher deise dadurch unterstützt werdent
dassin der Mitte der Elektrode eine Bohrung vorgesehen istg an deren Kante der Brennfleck
zunächst ansetzt und die sich im Laufe des Betriebes zu einer Kalotte erweiterte
In den Abbildungen sind beispielsweise Ausführungen der erfindungsgemässen Vorricht#ing
dargestellt* 4 Bei der Ausführung nnch Abbildung 1 ist ein Tiegel
1 aus Kupfer mi-t 180 mm Durchmesser und einer Höhe von
100 mm vorgesehen- Dieser Tiegel wird durch eine Rohrechlange 2 gekühlt"
die von Wasser durchflossen wird* Umgeben ist der Tiegel von einer Spule -5j mit
der ein Magnetfeld von etwa 2 000 AW erzeugt werden kann. In der Mittelachse
des Tiegels ist eine Elektrode 4 vorgesehen, die von dem Ürigen Teil der Tiegelwandung
durch einen Isolierkörper 5 isoliert ist. Über dem Tiegel befindet sich-eine
Gräphitelektrode 6, die in einer wassergekühlten Halterung befestigt ist.
Die Elektrode besitzt eine axiale-Bohrung 7v
*die sich beim Betrieb der Vorrichtung
zu einer Kalotte 8
erweitert. Die isolierte Elektrode 4 im
Tiegel ist mit dem Pluspolg die Elektrode 6 mit dem Minuspol eines Hochstromgleichrichters
verbunden. Die Schmelzeinrichtung befindet sich in einem nicht dargestellten dichten
Gefässp das mit Argon geflutet isto Bei dem Betrieb der Vorrichtung werden z.B.
in den Tiegel ungefähr 15 kg
Uranmonokarbid in stückiger Form eingesetzt.
Durch Berührung der Graphitelektrode 6 mit dem Schmelzgut wird" der Lichtbogen
gezündet. Der Abstand Elektrode-Schmelze wird sodann so eingeregelty dass der Bogen6bei
einer Spannung zwischen 30 und 35 Volt brennt. Nach Einschalten des
Zentrierfeldes beginnt die Schmelze infolge kleiner Unsymmetrien langsam zu rotieren,
ohne dass der Bogen die Mitte der Schmelze verlässt. Nach Ablauf des Schmelzprogrammes>
das bei 3000 A nach 7 min beendet istg wird die Elektrode hochgezogen
und der Tiegel gekippt. Das geschmolzene Uramonokarbid fliesst durch eine Giesstülle
aus dem Tiegel in eine Form und erstarrt dort* Der Tiegel wird sodann in seine Ausgangsposition
gebracht und neues Schmelzgut chargiert. Bei der Ausführung nach Abbildung 2 ist
die gesamte Bodenfläche 9 als Elektrode wirksam und durch einen ringförmigen
Isolierkörper 10 von der Wandung 11 des Tiegels isoliert. Auch in
diesem Falle fliesst der gesamte Strom in azialer Pichtung vom Boden des Tiegels
über die feste Schale 12 den Schmelzgutes und die Schmelze 13 zur Elektrode
14. Es ist mit der erfindungsgemässen Vorrichtung möglich, eine grosse Zahl
von Schmelzen hintereinander in dem gleichen Gefäse durchzuführen, wobei reproduzierbar
die gleiche Menge Material aufgeschmolzen wird und zum Giessen zur Verfügung Oteht*
Das Material wird gleichmäseig erhitzt, wobei die Tiegelwand keinen Einfluse auf
die Durchführung
des Schmelzvorganges besitzt* Zur Erfindung gehört
alles dasjenigeg was in der Beschreibung enthalten und bzw. oder in der Zeichnung
dargestellt ist, einschliesslich desseng was abweichend von den konkreten-Ausführungsbeispielen
für den Fachmann naheliegt.