DE1458015A1 - Schmelzofen zum Herstellen von Barren oder Staeben - Google Patents

Schmelzofen zum Herstellen von Barren oder Staeben

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DE1458015A1 DE19641458015 DE1458015A DE1458015A1 DE 1458015 A1 DE1458015 A1 DE 1458015A1 DE 19641458015 DE19641458015 DE 19641458015 DE 1458015 A DE1458015 A DE 1458015A DE 1458015 A1 DE1458015 A1 DE 1458015A1
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Andre Treillou
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Description

Schmelzofen zum Herstellen von Barren oder Stäben
Die vorliegende Erfindung betrifft Schmelzöfen zur Herstellung von Barren oder Stäben aus Metallen, Legierungen oder Verbindungen, insbesondere aus Urankarbid< Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vakuum-Stranggußeinrichtung mit einem Vakuumraum, in dem sich ein doppelwandiger, vorzugsweise zylindrischer und im oberen Teil erweiterter Tiegel befindet, ferner mit einem vertikal beweglichen Kopf, der unterhalt des Tiegels angeordnet ist und anfänglich dessen Boden bildet, einer Anordnung zum Verschieben dieses Kopfes, einer Heizvorrichtung, die vorzugsweise durch ein Elektronenstrahlerzeugungssystem, das
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mit einer entsprechenden Vakuumanlage versehen ist, gebildet wird und einen auf die Oberfläche des im Tiegel befindlichen Schmelzgutes gerichteten Elektronenstrahl liefert, einem Kühlsystem, das ein Kühlmittel in dem durch die beiden Wände des Tiegels gebildeten Kühlkanal..in Umlauf hält, und einer Vorrichtung zum Zuführen eines körn.chenfömigen Schmelzgutes»
Die Erfindung setzt sich zum Ziel, eine solche Anlage zu automatisieren um die Arbeitskqsten zu verringern und ein möglichst wirtschaftliches Arbeiten zu gewährl ei s t en ο
Um dies zu erreichen, wird gemäß einem ersten Merkmal der Erfindung die Anordnung zum Absenken des beweglichen Kopfes, der anfänglich den Tiegelboden bildet, durch eine Vorrichtung, die auf Änderungen der Niveauhöhe des geschmolzenen Gutes im Tiegel anspricht, derart gesteuert, daß die Niveauhöhe konstant bleibt,, ■ ' ':
Bei einer Ausfindungsform der Erfindung 5 - ·' enthält die auf die Niveauhöhe des geschmolzenen Gutes;"~ ! -K1 im Tiegel ansprechende Vorrichtung ein Thermo el ein ent, '. ' das über dem geschmolzenen Gut derart fest angeordnet ist, daß die vom Thermoelement aufgenommene Energie " ; ' eine Punktion seines Abstandes von dem Spiegel des ge-' schmolzenen Gutes bzw» der Niveauhöhe des' geschmolzenen Gutes im Tiegel ist» ......
Die Erfindung wird anhand eines Ausf ührungs-
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Beispieles in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert» Ss zeigen:
Pigar 1 eine schematische, teilweise geschnittene Seitenansicht einer Schmelζeinrichtung gemäß der Erfindung und
ligur 2 ein Scheibbild einer Anordnung zur Steuerung des Absenkens des den gebildeten Stab unterstützenden Kopfes in Abhängigkeit Ton der Niveauhöhe des Schmelzgutes«
Die in Figur 1 "beispielsweise dargestellte Einrichtung zum Herstellen von Urankarbidstäben enthält·einen doppelwand!gen .Tiegel 1 ohne Bodene Der Tiegel wird mittels einer durch den Raum 4 zwischen seinen "beiden Wänden zirkulierende Kühlflüssigkeit gekühlt, der in üblicher Weise ausgebildete Kühlkreislauf ist nicht dargestellt, Der Tiegel ist zylindrisch und erweitert sich in seinem oberen Teil konische Unterhalb des Tiegels 1 ist ein vertikal beweglicher Kopf 6 angeordnet, der anfänglich den Boden des Tiegels bildete Der Kopf 6 kann durch irgend eine bekannte Anordnung vertikal abgesenkt werden, beispielsweise mittels einer Schraubenspindel 17, die über ein Untersetzungsgetriebe 16 von einem Elektromotor 18 angetrieben wird.
Die Wärmequelle der Einrichtung wird durch ein Elektronenstrahlerzeugungssystem 10 gebildet, das durch eine geeignete Vakuumanlage 14· evakuiert wird und
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ein ELektronenetrahlbündel 11 liefert, das auf die Oberflache des geechmolzenen Gutes im Tiegel 1 gerichtet ist·
Dem Tiegel 1 wird das aus körnchenförmigem
Urankarbid 7 bestehende Ausgangsmaterial von einer Zuführungsanordnung 8 über ein Auslauf rohr 9 zugeführt.
Die beschriebene Schmelzeinrichtung ist im Inneren einer Vakuumkammer 12 angeordnet, die mittels einer nur schema ti sch dargestellten Vakuumanlage 13 evakuiert werden kann.
Um die Abzugsgeschwindigkeit des erstarrten Barrens 5 in Abhängigkeit von der Niveauhöhe des Schmelzgutes im Tiegel 1 steuern zu können, wird die Niveauhöhe des geschmolzenen Gutes mittels einer Anordnung gemessen, die ein Thermoelement enthält. Die eine Lötstelle 71 des Thermoelementes ist innerhalb des durch die Form des oberen Teiles des Tiegels 1 bestimmten Sicht- oder Lichtkegels c (Pig·2) angeordnet und die von dieser Lötstelle 71 aufgenommene Energie ist dementsprechend umso kleiner je größer der Abstand zwischen dieser Lötstelle und dem Spiegel des Schmelzgutes im Tiegel ist. eine bestimmte mittlere Niveauhöhe Nm des Sohmelzgutes wird also einem ganz bestimmten von der Lötstelle 71 aufgenommenen Energiebetrag entsprechen. Die an dieser Lötstelle auftretende elektromotorische Kraft hängt Jedoch auch von der Temperatur des Schmelzgutes und der Umgebungstemperatur ab. Die Temperatur des Schmelzgutes kann.
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aber auch, bei konstanter Heizleistung infolge des seiner Oberfläche zugeführten kömchenförmlgen Rohmaterials beträchtlich schwanken« In der Praxis sinkt die Temperatur der Schmelze abr wenn eine nennenswerte Menge von Körnchen 7 in den Tiegel 1 fällt und die Änderung der abgestrahlten und von der Lötstelle 71 des Thermoelementes aufgenouaettsn Energie entspricht einem Absinken des Spiegels der Schmelze im Tiegel· Dies würde wiederum zu einer unerwünschten Verlangsamung der Abzugsgeschwindigkeit des Stabes durch die Steuereinrichtung zur J?oIge haben, wenn nicht besondere Vorkehrungen getroffen werden·
Um diese Schwierigkeit zu beheben, werden di· auf Temperaturschwankungen der Umgebung beruhenden Fehler dadurch kompensiert, daß eine zweite Lötstelle 73 des Thermoelementes ebenfalls in der Nähe des Tiegels 1 jedoch unterhalb des Sichtkegels c der Schmelze angeordnet wird. Die zweite. Lötstelle 73 ist entgegengesetzt geschaltet wie die erste Lötstelle 71, so daß die Einfitlese von Te«peratürSchwankungen der Oberfläche weitgehend herabgesetzt und Einflüsse der Umgebungstemperatur praktisch .. völlig kompensiert werden·
Die von der Meßlötstelle 71 und der Kompensationslötstelle 73 des Thermoelementes zusammen erzeugte Spannung wird mit einer von einer Bezugöspannungsquelle74 gelieferten Spannung, die vorzugsweise ein Einstellpotentiometer 75 enthält, derart kompensiert, daß an Klemmen
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76,77 die Spannung O auftritt, wenn das Niveau der Schmelze die gewünschte mittlere lage Nm einnimmt.
Bei zu hohem oder zu niedrigem Niveau der Schmelze erscheinen an den Klemmen 76,77 Spannungen verschiedener Polarität, die dem Eingang eines Verstärkers78 zugeführt werden, welcher zwei empfindliche polarisierte elektronische Relais 81,82 speist, ihrerseits drei weitere Relais 83,84,85 steuert, die einer minimalen, mittleren bzw. maximalen Ab senk geschwindigkeit des erschmolzenen Stabes entsprechen.
In Figur 2 ist schematisch der mit dem Untersetzungsgetriebe gekuppelte Motor 18 angedeutet, der das Absenken des Stabes 5 steuert» Die Speisung des Mo tores erfolgt bei minimaler Abzugs geschwindigkeit über einen Arbeitskontakt 87 des Relais 83 durch eine Stromquelle 88 von beispielsweise 127 Ve, bei maximaler Abzugs geschwindigkeit über einen Arbeitskontakt 91 des Relais 85 durch eine Spannungsquelle 92 von beispielsweise 220 V. oder schließlich bti mittlerer Abzugsgeschwindigkeit üb er einen Ruhekontakt 94· des Relais 84- durch eine einstellbare Spannungaquelle 96, beispielsweise einen mit 220 V. gespeisten Stelltransformator· Die mittlere Abzugsgeschwindigkeit kann dementsprechend an einem Knopf 97 erstellt werden, der die Ausgangsspannung des Stelltransformators 96 einzustellen gestattet.
Da der mittlere Durchsatz der Körnchen 7 von einem Stich zum anderen schwanken kann, ist eine Anordnung
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zur Korrektur der mittleren Geschwindigkeit vorgesehen, die diese an den mittleren Durchsatz anpaßt und auch der Ruhezeit oder dem Beharrungsvermögen der Anlage Rechnung trägt.
Die Korrekturanordnung enthält einen umsteuerbaren Stellmotor zur Einstellung des Gleichgewichtszustandes, der über eine Rutschkupplung 102 mechanisch derart mit dem beweglichen Element dee Stelltransformators 96 verbunden ist, daQ dieses Element bei Bedarf m»ch mittels des Drehknopf es 27 an Hand eingestellt werden kann. Der Stellmotor 101 wird durch die Relais 83,85 entsprechend entgegengesetzten Drehrichtungen gespeist. Ein gemeinsamer Speisepunkt der gegensinnig gewickelten Induktoren des Stellmotors 101 wird von einer Spannungsquelle 105 über ein Relais 106 mit einer Folge von Impulsen gespeist, deren Dauer und Wiederholungsfrequenz mittels eines zyklischen Zeitgebers einstellbar ist, der die Triebspule des Relais 106 speist.
Die beschriebene Anordnung zur automatischen Steuerung der Abziehgeschwindigkeit des erschmolzenen Stabes oder Barrens in Abhängigkeit vom Niveau der Schmelze arbeitet folgendermaßent
Die Meßlötstelle 71 des Thermoelementes, die auf die Niveauhöhe der Schmelze im Tiegel anspricht und die entgegengesetz geschaltete Kompensationslötstelle 73» die auf die Umgebungstemperatur anspricht, liefern mit der entgegengesetzt gepolten Kompensationaspannung des Potenzi©- ' meters 75 an die Klemmen 76,77 des Verstärkers 78 eine Span-
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nung, für die es drei Möglichkeiten gibt:
I, Der Spiegel der Schmelze nimmt das gewünschte mittlere Niveau ein. Die aus der Spannung des Thermoelementes 71,73 "und der Compensations spannung am Potentiometer 75 resultierende Spannung an den Klemmen 76,77 des Einganges des Verstärkers 78 ist dann 0. Die Aus gangs spannung des Verstärkers ist dann ebenfalls 0 und keines der "beiden Eelais 81,82 wird erregt, so daß auch die drei nachgeschalteten Relais 83,84,85 ihren Ruhezustand einnehmen. Der einzige Kontakt, der geschlossen ist und damit die Abziehgeschwindigkeit bestimmt, ist der Ruhekontakt 94 des Relais 84o Der die Absenkanordnung des Barrens 5 antreibende Motor 18 läuft dementsprechend mit einer Geschwindigkeit, die der am Stelltransformator 96 eingestellten Spannung entspricht, dessen verstellbares Element im Augenblick ebenfalls ruht. Der zur Einstellung des Gleichgewichtszustandes dienende Stellmotor 101 steht ebenfalls still, da die beiden Relais 83,85, die in entgegengesetzten Drehrichtungen steuern könnten, nicht erregt sind.
2ο Das Niveau der Schmelze ist zu hoch, so daß die am Eingang des Verstärkers 78 liegende Spannung-: beispielswiese negativ ist und dann das entsprechende polarisierte Relais 82 anspricht, das seinerseits das der mittleren Abziehgeschwindigkeit zugeordnete Relais 84 und das der höchsten Abziehgesohwindigkeit zugeordnete Relais 85 erregt» Dies hat als erstes zur Folge, daß der.das Absenken des Stabes 5 steuernde Motor 15 nicht mehr durch die vom Stelltransformator
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gelieferte Spannung sondern ifbef den geschlossenen .Arbeitskontakt 91 des Relais 85 durch die höhere Spannung (220 Y«) der Stromquelle" .92 gespeist wird und daher entsprechend dem zu höhöh Niveau de£ Schmelze schneller läuft. Als zweites wird der Stellmotor 101 über das Relais 85 gespeist und beginnt in einer Örenrientung zu laufen, die einer Terstellung des Stelltransformators 96 auf eine höhere Spannung entspricht6 Die Einstellung des Stelltransformators 96 wird dementsprechend durch Impulse solange korrigiert wie ein zu hohes Niveau der Schmelze wahrgenommen wirdo
3ο Das Niveau der Schmelze ist zu niedrig! In diesem Falle laufen dann die umgekehrten Vorgänge ab, d*h6 am Eingang pies Verstärkers 18 tritt eine positive Spannung aufj so daß das polarisierte Relais 81 und die nachgeschalteten Relais 82 und 84 erregt werden und der .antriebsmotor IS iiber den Itontäkt 8? des Relais 83 an die niedrigere Spannung der ^tieili 86 giseüältet wird« Der Stab 5 wird dann entsprechend dom zu niedrigen Niveau der Schmelze lÄö-g^ samer aBgeäenkta Ιίί entspreöhindif Weiie erhält der zur Einstellung des GäEichgewichts äieHende Stellmotor 1Ö1 in hähgigkei-fe vöä. äSf Baliif der Siiiem zu tief liegehdii. entsprechenden inforlaation üBir" das Äöläis 83 ImPUiSe" und das einsieiibäfi MiMent des Stilltrahiförmätors 96 tiM iii Eiehtung niedrig-eröf tosgäaigsifa^iuÄgen verstellt4
Ei ί#ΐ efsiöitiiohi daß bei dir beseiifiSi&ieten inläge äuöef §iiiöf IfiipiiÄifigelung eütipficheni eineS M
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hohen oder zu niedrigen Niveau außerdem eine automatische Stabilisierung der mittleren Absenkungsgeschwindigkeit des Stabes 5 auf einen Wert stattfindet, bei dem das Niveau konstant bleibt.
Zu Beginn einer Schmelze legt man eine mittlere Geschwindigkeit fest und stellt das verstellbare Element 97 des Drehtransformators entsprechend ein«» Die Dauer der Impulse und ihre Frequenz kann von Schmelze zu Schmelze unverändert bleiben und es ist kein Eingreifen des Bedienungsmannes erforderliche Wenn der mittlere Durchsatz des körnigen Ausgangsmaterials eine andere mittlere Abziehgeschwindigkeit erforderlich macht, wird die Abziehgeschwindigkeit entsprechend der Dauer des Zählersigaales korrigiert, Erfahrungsgemäß wird das Gleichgewicht nach einigen Schwin-^, gungen in etwa 2 Minuten erreicht« Um ein Festsetzen des Stabes zu verhindern, kann die veränderliehe Bezugsspannung, die zur Kompensation der ihemo element spannung verwendet wird, zeitlich so programmiert werden, daß das Niveau des Sehmelzgutes im Siegel im Verlaufe einer Schmelze stetig absinkt.
Die beschriebene Ausführungsforli int nicht einschränkend auszulegen sondern läßt sieh in der verschiedensten Weise abwandeln ohne den Eähmen der Erfindung zu überschreiten*

Claims (1)

  1. Patentansprüche
    1· Schmelzofen zur Herstellung von Barren oder Stäben, vorzugsweise aus Uran oder einem uranhaltigen Werkstoff wie Urankarbid, mit'einer evakuierbaren Kammer, einem vorzugsweise zylindrischen und sich im oberen Teil erweiternden Tiegel ohne Boden, einem unterhalb dieses Tiegels vertikal beweglich angeordneten Kopf, der in seiner einen Endlage einen Boden für den Tiegel bildet, einer Antriebsvorrichtung für diesen Kopf, einer Heizanordnung, die mit einer geeigneten Vakuumanlage verbundenes Elektronenstrahlerzeugangssystem enthält und einen auf die Oberfläche einer im Tiegel befindlichen Schmelze gerichteten Elektronenstrahl liefert, einer Anordnung, die zwischen den Wänden des doppelwandigen Tiegels ein Kühlmedium im Umlauf zu halten gestattet, und einer Vorrichtung zur Zuführung von zu schmelzendem körnchenförmigen Material, dadurch gekennzeichnet, daß die Absenkung des anfänglich den Boden des Tiegels bildenden Kopfes durch eine Anordnung gesteuert ißt, die auf Niyea^ä^ätrimgejQ, 4er Schmelze im Tiegel anspricht und dieses Niveau wenigstens annähernd konstant hält.
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    2o Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzei chnet, daß die auf Änderungen des Niveaus der Schmelze im Tiegel ansprechende Steueranordnung ein Thermoelement enthält, das der von der Oberfläche der Schmelze ausgehenden Strahlung ausgesetzt ist,
    3 ο Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennz ei chnet, daß das Thermoelement oberhalb des Tiegels derart angeordnet ist, daß die von ihm aufgenommene Energie eine IWktion des Abstandes zwischen der Oberfläche der Schmelze im Tiegel und dem Thermoelement ist.
    4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzei chnet, daß das Absenken des beweglichen Kopfes, der anfänglieh den Boden des Tiegels bildet, durch eine Anordnung gesteuert wird, die einen Motor veränderlicher Drehzahl enthält, der wahlweise durch 3 Spannungsquellen verschiedener Spannung steif bar ist, welche einer niedrigeren Drehzahl, einer Normal drehzahl bzw„ einer hohen Drehzahl entsprechen, wobei die Steuerung durch Relais erfolgt, die durch die Aus gangs spannung eines Verstärkers erregt werden, dessen Eingangs spannung aus der Differenz der elektromotorischen Kraft des Thermoelementes und einer vorzugsweise einstellbaren-Spannung einer Bezugsspannungsquelle gebildet wird«
    80 981 1/09U
    5 β iäinrichtung nach Anspruch 4r dadurch g e k e η -η ζ e i c h η e t, daß der Ausgang des Verstärkers (78) mit zwei entgegengesetzten polarisierten Relais (81,82) verbunden ist, die drei Sekundärrelais (83,84,85) steuern, über die der drehzahlveränderliche Motor (18) mit den drei Spannungsquellen (88,96,92) verbunden ist, wobei "bei verschwindender Aus gangs spannung des Verstärkers keines der polarisierten Relais erregt ist und eines der Sekundärrelais den Motor über einen Ruhekontakt (94) mit einer dem normalen Betriebszustand angepaßten Spannung speist, während beim Auftreten einer Ausgangsspannung des Verstärkers jeweils entsprechend der Polarität dieser Ausgangsspannung eines der polarisierten Relais erregt ist und dabei einerseits das Sekundärrelais öffnet, das an den Motor die dem lormalbetriebszustaiid entsprechende Spannung liefert, und andererseits ge nach dem Vorzeichen der Auagangsspannung des Verstärkers das der kleinen bzw. großen Drehzahl des Motors entsprechende Relais schließt.
    . . . 6* Einrichtung nach Anspruch 4, d a d u r c h g.e.k e η η ze i c h η e t, daß die Motorspeisespannung für die normale Drehzahl veränderlich ist und über eine Anordnung, z.B«einen Stell- oder Drehtransformator zugeführt, ist, die ein Be gel organ aufweist, das mechanisch mi,t einem umsteuerbaren Stellmotor (IQl) zur Einstellung eines Gleich-
    8 09811/081
    gewielite verbunden ist, der selektiv durch, zusätzliche Kontaktsätze der der kleinen bzwo großen Drehzahl entsprechenden Sekundärrelais gespeist ist und eine automatische Nachstellung der normalen Drehzahl bewirkt»
    7 β Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennz ei chnet, daß das Stellglied der die veränderliche Spannung liefernden Anordnung mit einem von Hand bedienbaren Steuerknopf versehen ist, der mit dem umsteuerbaren Stellmotor über eine lösbare Verbindung gekuppelt ist, vorzugsweise über eine Rutsch- oder Reibungskupplung.
    8. Einrichtung nach Anspruch 1 und 4-,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur automatischen Steuerung des Absenkens des anfänglich den Boden des Tiegels bildenden Kopfes mit einer Korrekturanordnung versehen ist, durch die Schwankungen der Umgebungstemperatur der Schmelz einrichtung Rechnung getragen wird»
    9» Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzei chnet, daß die auf die Umgebungstemperatur ansprechende Korrekturanordming ein Thermoelement enthält, das in der Nähe des Tiegels, jedoch, außerhalb des von der Oberfläche der Schmelze ausgehenden
    809811 /0 91-4
    Strahlungafeegels angeordnet und dem auf das Niveau der Schmelze ansprechenden Thermoelement entgegengeschaltet ist und dafi die aus den beiden Thermoelementen bestehende Anordnung in einer Kompensationsschaltung mit der Bezugsspannungsquelle liegte
    o Einrichtung nach Anspruch 6 und 7, d adurch gekennzeichnet, daß der zur Einstellung des Gleichgewichtes dienende umsteuerbare Motor (101) über einen Impulsgenerator (106) gespeist ist.,· der Impulse liefert, dessen Oaufer und/oder Frequenz vorzugsweise regelbar ist·
    80981
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