DE1758159B1 - Verfahren zur herstellung eines oberflaechenbeheizten tiegels zur aufnahme von metallschmelze - Google Patents

Description

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Vakuum befindlichen Substrat. Der Tiegel weist das das nicht benetzte körnige Material erzeugten thermiäußere gekühlte und als zylindrischer Topf ausgebil- sehen Sperre erhältlich sein. Eine solche Konstrukdete Gehäuse 14 auf. Das z. B. auf Kupfer gefertigte tion ist nachstehend erläutert.

Gehäuse wird im Betrieb durch Stützen 16 und 17 Bei Verwendung eines körnigen Lockermaterials,

getragen. In den Wänden des Gehäuses 14 sind 5 durch das das geschmolzene Material nicht vollstän-Kühlmittelkanäle 18 geführt, die mit Leitungen 19 dig benetzt wird, kann das geschmolzene Material und 21 zur Zu- und Abfuhr eines Kühlmittels, wie nicht mühelos das Bett 22 durchdringen oder durch Wasser, verbunden sind. Kapillarwirkung über den oberen Rand des Bettes

Das Schmelzbad 11 befindet sich im im wasserge- gelangen. Für geschmolzenes Aluminium hat sich als kühlten Gehäuse aus Kupfer eingebrachten Bett 22 io geeignetes körniges Material für das Bett pulverisieraus körnigem Lockermaterial. tes Siliziumnitrit einer Teilchengröße von etwa 200

Das körnige Lockermaterial kann in Form von bis 400 Maschen erwiesen. Andere Teilchengrößen Körnern oder als Pulver verwendet werden, wobei sind ebenfalls möglich. Das erwähnte körnige Matedie Wahl der jeweiligen Form normalerweise von den rial genügt jedoch den Kriterien der begrenzten umgebenden Betriebsbedingungen abhängt. Zur 15 Reaktionsfähigkeit und der Fähigkeit, das Schmelz-Vermeidung einer Verunreinigung der Schmelze wird bad zu beschränken, und schafft eine Wärmetransein körniges Material gewählt, das nur begrenzt mit portsperre. Im Betrieb benetzt das Aluminium im dem geschmolzenen Material reagiert. Hierunter fal- Schmelzbad 11 das Siliziumnitrit des Bettes 22 nur len Materialien, die, obgleich sie oberhalb bestimm- bis zu einer Tiefe von etwa 6,35 bis 9,5 mm ten Temperaturen ein gewünschtes Maß an Reak- ao (s.Fig. 1). Das Aluminium in der benetzten Pulver-

»tionsfähigkeit überschritten, hinsichtlich ihrer Reak- schicht reagiert mit dem Siliziumnitrit, um eine feste tionsfähigkeit unterhalb den im Bett 22 erhältlichen Schale 23 aus Aluminiumnitrit zu schaffen. Das Temperaturen unter dem gewünschten Maß liegen. Temperaturgefälle in der Schale genügt, um das AIu-Das körnige Material wird in einer Zusammenset- minium unter die Temperatur abzukühlen, bei der es zung gewählt, die gute thermische Isolationseigen- 25 das Siliziumnitritpulver benetzt oder chemisch mit schäften besitzt und bewirkt, daß das konvektionie- diesem reagiert (etwa 1300 bis 1400° C). Das restrende geschmolzene Material in einem Abstand vom liehe unbenetzte Pulver wirkt als eine ausgezeichnete Gehäuse 14 gehalten wird, der eine Sperre für den thermische Barriere, die zur Verbesserung des ther-Wärmetransport vom Schmelzbad zum Behälter mischen Wirkungsgrades beiträgt. Die Schale 23 gewährleistet. Längs dieses Abstandes kann ein 3° bewirkt zusammen mit dem restlichen Pulver im erheblicher Temperaturgradient auftreten. Der tat- Bett, daß das konvektionierende geschmolzene Matesächliche Abstand, in dem das konvektionierende rial innerhalb der Grenzen des Schmelzbades 11 geschmolzene Material vom Behälter getrennt ist, bleibt. Folglich ist quer durch das Bett ein erwünschhängt von der zulässigen transportierbaren Wärme- ter Temperaturgradient erhältlich, ohne daß eine menge, dem erwünschten Temperaturgradienten und 35 überdurchschnittliche Wärmeabfuhr vom äußeren den thermischen Eigenschaften des Bettes 22 ab. Die Behälter erfolgt.

Trennung des konvektionierenden geschmolzenen Unter den vorstehenden Bedingungen läßt sich

Materials vom Gehäuse 14 ist durch Wahl eines kör- beispielsweise ein einwandfreier Betrieb durchführen, nigen Lockermaterials für das Bett 22 erhältlich, das wenn im Schmelzbad 11 Aluminium auf eine Tempenicht weitgehend durch das geschmolzene Material 40 ratur von etwa 1500 bis 1700° C aufgeheizt ist und benetzt wird. Das Benetzungsvermögen und damit das Aluminium mit einer Verdampfungsrate von die Strecke oder Tiefe, welche das geschmolzene 0,0454 bis 0,454 kg je Stunde pro 6,45 cm² ab damp-Material das Bett benetzt oder durchdringt, hängt fender Oberfläche verdampft wird. Durch das in der von der Natur der körnigen und geschmolzenen 6,35 bis 9,5 mm dicken Schale 23 aus Aluminiumni-Materialien, deren Relativ-Reaktionsfähigkeit von 45 trit herrschende Temperaturgefälle wird das Alumider Oberflächenspannung des geschmolzenen Mate- nium auf 1300 bis 1400° C aufgeheizt. Unterhalb rials ab. Zusätzliche Faktoren bilden die Temperatur, dieser Temperaturen benetzt das Aluminium nicht die Atmosphäre, die Teilchengröße und der Druck. das Siliziumnitrit. Die hierdurch gebildete Schale 23 Die Wahl eines entsprechenden Lockermaterials, ist gegen thermische Erschütterungen widerstandsfädurch welches das geschmolzene Material keine 50 hig und erleidet daher gewöhnlich keine übermäßige bedeutende Strecke dringt, schließt die Wahl einer Rißbildung. Während des Betriebs können zwar entsprechenden Teilchengröße und die Berücksichti- kleine Risse auftreten, die jedoch keine Nachteile gung der im Betrieb herrschenden Bedingungen der hervorrufen. Solange das Bett 22 intakt ist — was es Umgebung ein. auf Grund seiner körnigen Natur ist — verhindert es

Wahlweise kann die Wahrung des geschmolzenen 55 eine weitere Durchdringung mit geschmolzenem Alu-Materials in einem Abstand vom Gehäuse 14 und die minium, wenn die Temperaturen auf 1300 bis Schaffung eines gewünschten Temperaturgradienten 1400° C ansteigen.

längs der diesem Abstand entsprechenden Strecke Aluminium- und Siliziumnitrit sind zwar brauch-

durch Verwendung eines benetzbaren körnigen bare Kombinationen, sie sind jedoch nur stellvertre-Materials geschaffen werden. In diesem Fall wird das 60 tend für sonstige, ebenfalls zufriedenstellend wirbenetzbare körnige Material derart gewählt, daß es kende Kombinationen aufgezeigt. Die Lehre nach der Konvektionsströmen so entgegenwirkt, daß die Erfindung ermöglicht dem Fachmann mühelos die gewünschte Wärmeübertragungssperre erhältlich ist. Bestimmung anderer Pulverarten für andere Arten Beispiele einer derartigen Konstruktion sind nächste- von geschmolzenen Materialien. Beispielsweise kann hend beschrieben. Die gewünschte Wärmeübergangs- 65 bei einem Schmelzbad 11 aus Aluminium körniges sperre des Bettes 22 kann auch durch Kombination Aluminiumnitrit in das Bett 22 eingefügt werden. In einer durch das benetzte körnige Material geschaffe- diesem Fall findet die die feste Schale bildende Reaknen Konvektionsstrombehinderung mit einer durch tion nicht statt, und das Aluminium dringt in das pul-

verförmige Bett eine bestimmte Weglänge ein. Im Wolframkarbidschicht 27 nicht ausreicht, um einen Durchdringungsbereich übt das Bett, obgleich es Temperaturgradienten bis herab zur Erstarrungstemdurch das geschmolzene Material benetzt ist, eine peratur des Materials im Schmelzbad 11 zu schaffen, hemmende Wirkung auf Konvektionsströme aus. Bis führt diese Schicht dennoch zu einer mit dem die Temperatur des geschmolzenen Aluminiums der- 5 geschmolzenen Material gesättigten Schicht aus art niedrig ist (etwa 1300° C), daß es das Pulver Lockermaterial. Eine solche gesättigte Schicht ist nicht langer benetzt, wird hierdurch ein Temperatur- mechanisch stabil und bildet eine im wesentlichen gradient in dem benetzten Bereich hervorgerufen. vollständige Sperre gegen Konvektionsströme.

Ein Zustand dieser Art ist in Fig.2 durch die Bei Abwesenheit derartiger Konvektionsströme

strichlinierte linie 24 angedeutet, welche die Grenze io ruft die gesättigte Schicht einen Temperaturgradiender Durchdringung mit geschmolzenem Aluminium ten hervor. Die Dicke der gesättigten Schicht ist derkennzeichnet. Das unbenetzte Pulver verbleibt als art wählbar, daß für den Wolframkarbid-freien eine Barriere gegen ein weiteres Eindringen des Teil 29 des Bettes 22 ein Lockermaterial verwendet gekühlten geschmolzenen Aluminiums und schafft werden kann, das zwar nicht so inert wie Wolframeine thermische Isolation. Darüber hinaus trägt das 15 karbid, jedoch bei der tiefsten Temperatur des Tem-Fehlen von Konvektionsströmen in dem benetzten peraturgradienten in der gesättigten Schicht inert ist Pulver, welches das geschmolzene Aluminium durch- (d. h., daß dieses Material eine begrenzte Reaktionsdringt, ebenfalls erheblich zur Verringerung der ther- fähigkeit aufweist). Obgleich das weniger inerte mischen Verluste bei. Beispielsweise wurden mit Lockermaterial in der Schicht 29 des Bettes 22 lang-Atuminiumnitrit zufriedenstellende Ergebnisse unter aa sam mit dem Material im Schmelzbad reagieren Betriebsbedingungen erzielt, die den für Siliziumnitrit kann, wird durch die Abwesenheit von Konvektionsbei einer groben Teilchengröße von etwa 20 Maschen strömen in der gesättigten Schicht die Temperatur ä benutzten Betriebsbedingungen entsprachen. des geschmolzenen Materials so weit verringert, daß ™

Falls das Schmelzbad 11 beispielsweise rostfreien keine Reaktion mit dem weniger inerten Material des Stahl enthält, eignet sich Wolframkarbidpulver für 35 Bettes 22 erfolgt. Als geringes inertes Material des das Bett 22. Eine Teilchengröße des Wolframkarbids Bettes 22 kann ein Material gewählt werden, daß von etwa 20 bis 50 Maschen führte zu guten Ergeb- relativ zum geschmolzenen Material des Schmelzbanissen. Wolframkarbidpulver wird durch rostfreien des bessere nicht benetzende Eigenschaften wie das Stahl und verwandte Elemente oder Legierungen wie Material der Schicht 27 (im Beispiel rostfreier Stahl Eisen, Kobalt, Nickel usw. bei jeder über ihren 30 und Wolframkarbid) besitzt. Im Falle des rostfreien Schmelzpunkten liegenden Temperatur vollständig Stahls ist Kalziumoxyd oder Aluminiumnitrit in der benetzt Verglichen mit Aluminium und Aluminium- Schicht 29 verwendbar. Obgleich geschmolzene nitrit dringt das geschmolzene Material daher erheb- Übergangselemente Kalziumoxyd oder Aluminiumnilich stärker in das Pulver ein. Die Dicke des Bet- trit angreifen, ist dieses Problem bedeutungslos, da tes 22 ist nichtsdestoweniger derart wählbar, daß ein 35 durch die Zwischenfügung der gesättigten Wolframausreichender Temperaturgradient im benetzten Teil karbidschicht 27 ein konvektionierendes geschmolzedes Bettes 22 besteht (auf Grund der Behinderung nes Metall fehlt, welches das Kalziumoxyd oder Aluder Konvektionsströme durch das benetzte Pulver), miniumnitrit angreifen, ist dieses Problem bedeuum das geschmolzene Material auf seine Erstarrungs- tungslos, da durch die Zwischenfügung der gesättigtemperatur abzukühlen, bevor es die Wände des 40 ten Wolframkarbidschicht 27 ein konvektionierendes gekühlten Behälters 14 erreicht. Das Material bildet geschmolzenes Metall fehlt, welches das Kalziumoan dieser Stelle eine feste Schale 25 (s. Fig. 3). xyd oder Aluminiumnitrit unmittelbar benetzt oder

Selbst wenn die Schale 25 dem Gehäusebehälter bespült.

unmittelbar benachbart ist, ist bei zahlreichen Wie bereits erwähnt, wird durch die Dicke der '

Zuständen ein einwandfreier Betrieb möglich. Die 45 Schicht 27 ein Temperaturgradient geschaffen, der-F i g. 5 zeigt ein derartiges Ausführungsbeispiel einer art, daß die Temperatur des geschmolzenen Matedurch Erstarrung des geschmolzenen Materials in rials unter seine Reaktionstemperatur mit dem im unmittelbarer Nachbarschaft des Gehäuses gebildete Bett 22 verwendeten, weniger inerten Material sinkt. Schale. In den in den F i g. 3 und 5 gezeigten Fällen Obgleich es unter seine Reaktionstemperatur abgebewirkt die Abwesenheit von Konvektionsströmen im 50 kühlt ist, kann das noch geschmolzene Material das benetzten pulverigen Lockermaterial zwischen der Bett 22 bis zu einer durch die strichlinierte Linie 28 Schale 25 und dem Schmelzbad eine wesentliche angedeuteten Tiefe durchdringen. Nichtsdestoweni-Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades. Dies ger kann das Bett 22 so dick ausgebildet sein, daß es ist darauf zurückzuführen, da das zirkulierende oder auf Grund seiner nichtbenetzenden Eigenschaften die konvektionierende geschmolzene Metall in genügend 55 Durchdringung derart begrenzt, daß das geschmolgroßem Abstand vom Gehäuse gehalten wird, um zene Material die Wände des Gehäuses 14 nicht eine erhebliche thermische Barriere zu schaffen und erreichen kann.

einen übermäßigen Wärmeverlust zu unterbinden. Allgemein ausgedrückt soll in der in F i g. 4 darge-

Wie bereits erwähnt, kann im Bett 22 Wolframkar- stellten Mehrschichtbettanordnung das Lockermatebidpulver verwendet werden, wenn Eisen und mit 60 rial der Schicht 27 im wesentlichen gegenüber dem dem Eisen verwandte Elemente und Legierungen wie geschmolzenen Material im Schmelzbad 11 relativ rostfreier Stahl geschmolzen werden sollen. Wolfram- inert sein. Die an das im Bett 22 befindliche, weniger karbidpulver ist jedoch gegenwärtig sehr teuer. Wie inerte Lockermaterial gerichtete wesentliche Fordedie Fig.4 zeigt, kann ein mit geringeren Mengen rung besteht darin, daß es durch das geschmolzene Wolframkarbid versetztes, weniger kostspieliges Bett 65 Material nur eine kurze Wegstrecke benetzbar ist und verwendet werden. In dieser Anordnung ist eine daß es unterhalb einer Temperatur mit dem Schicht 27 aus Wolframkarbidpulver benachbart zum geschmolzenen Material nicht reagiert, die durch den Schmelzbad 11 angeordnet. Obgleich die Dicke der in der Schicht 27 bewirkten Temperaturgradienten

mühelos erreichen läßt. Bei rostfreiem Stahl ist das Wolframkarbid der Schicht 27 durch Tantalkarbid und Niobkarbid ersetzbar. In einigen Fällen sind für die Schicht 27 reine hitzebeständige Metallpulver verwendbar, falls ihre Verdampfbarkeit selbst dann derart ist, daß sie aus dem Schmelzbad nicht verdampfen, wenn sie im Schmelzbad in einer ihrer maximalen Möglichkeit entsprechenden Menge gelöst sind.

Zusätzlich zur Aufrechterhaltung eines hohen thermischen Wirkungsgrades, der selbst bei langen Betriebsdauern keine Verschlechterung erleidet, weisen die erfindungsgemäßen Tiegel einige andere Vorteile auf. So ist es z.B. nicht erforderlich, daß die

thermische Isolation oder Auskleidung des Schiffchens durch aufwendige Gieß- oder ähnliche formgebende Techniken vorgefertigt wird. Die Auskleidung läßt sich nämlich mühelos durch Einfüllen des Lockermaterials in den äußeren Behälter und durch Erzeugung einer Schale im Lockermaterial während des Schmelzvorganges herstellen. Es sind keine zusätzlichen Arbeitsgänge erforderlich. Der Gegenstand nach der Erfindung eignet sich unter Aufrecht-

o erhaltung eines hohen thermischen Wirkungsgrades zum Schmelzen zahlreicher Materialien wie z. B. Aluminium enthaltender Substanzen, Eisen oder dem Eisen verwandter Elemente oder Legierungen von Eisen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

COPY

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Claims (3)

1 2 Schmelzen und Verdampfen von Aluminium das kör- Patentansprüche: nige Lockermaterial mindestens eines der Nitride des Siliziums und Aluminiums enthält.

1. Verfahren zur Herstellung eines oberflä- Ebenso hat es sich als vorteilhaft erwiesen, daß chenbeheizten Tiegels zur Aufnahme von Metall- 5 beim Schmelzen und Verdampfen von Eisen, einem schmelze, der aus einem gekühlten Gehäuse mit Eisen verwandten Element oder einer Eisenlegiebesteht, das mit einer Auskleidung von körnigem rung das körnige Lockermaterial mindestens eines oder pulverförmigem feuerfestem Lockermaterial der Carbide des Wolframs, Tantals oder Niobs entversehenwird,dadurch gekennzeichnet, hält.

daß in das unverfestigte, feuerfeste Lockermaterial io Der vorliegende Anmeldungsvorschlag nimmt die Metallmassel gelegt und geschmolzen wird. dabei bewußt eine Introsion des Schmelzgutes in das

2. Nach dem Verfahren nach Anspruch 1 her- feuerfeste Material der Auskleidung in Kauf, da sich gestellter Tiegel zum Schmelzen und Verdampfen überraschenderweise herausgestellt hat, daß sich von Aluminium, dadurch gekennzeichnet, daß hierbei durch die Abkühlung des Materials innerhalb das körnige Lockermaterial mindestens eines der 15 des feuerfesten Lockermaterials bei Betriebszustand Nitride des Siliziums und Aluminiums enthält. eine zähe Kruste bildet, die eine saubere Trennung

3. Nach dem Verfahren von Anspruch 1 herge- zwischen Schmelze und Lockermaterial gewährleistellter Tiegel zum Schmelzen und Verdampfen stet, so daß man einen Tiegel hoher Lebensdauer von Eisen, mit einem Eisen verwandten Element erhält, der unanfällig gegen hohe Temperaturunteroder einer Eisenlegierung, dadurch gekennzeich- 20 schiede ist und keine Schwindungsrisse bei längerem net, daß das körnige Lockermaterial mindestens Gebrauch zeigt.

eines der Carbide des Wolframs, Tantals oder Die Erfindung wird nachstehend an Hand der

Niobs enthält. Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch einen schematisch dar-25 gestellten Tiegel nach der Erfindung,

F i g. 2 bis 5 jeweils einen Schnitt durch ein schematisch dargestelltes weiteres Ausführungsbeispiel eines Tiegels nach der Erfindung in grober Darstellung.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur 30 Der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren her-Herstellung eines oberflächenbeheizten Tiegels zur gestellte Tiegel 10 eignet sich zum Aufheizen eines Aufnahme von Metallschmelze, der aus einem Materials in einem Schmelzbad 11, wobei die durch gekühlten Gehäuse besteht, das mit einer Ausklei- elektrische Bogenentladung oder einen Elektronendung von körnigem oder pulverförmigem feuerfestem strahl 12 erzeugte Wärme unmittelbar auf die Lockermaterial versehen wird. 35 Schmelzbadoberfläche gerichtet wird. Der Tiegel

Es ist bei Schmelztiegeln bekannt (deutsche weist ein offenes Gehäuse 14 auf, das mit Mitteln Patentschriften 334 807, 484386 und USA.-Patent- 18,19,21 zur Wärmeabfuhr versehen ist. Das äußere Schriften 3 345 059, 3 227431), eine vorgefertigte Gehäuse enthält ein Bett 22, das aus körnigem Auskleidungsschicht zwischen der Lockermasse und Lockermaterial besteht. Welches nur begrenzt mit der Schmelze vorzusehen, wobei die Auskleidungs- 40 dem geschmolzenen Material reagiert. Das körnige schicht die Aufgabe hat, eine dauernde stabile Lockermaterial weist darüber hinaus eine bestimmte Abgrenzung zwischen der Schmelze und dem Größe und Zusammensetzung auf, um das konvek-Lockermaterial zu schaffen. Es ist offensichtlich, daß tionierende geschmolzene Material im Abstand vom bei der Fertigung dieser harten Auskleidungen hohe Gehäuse zu halten und eine Sperre für den Wärme-Kosten entstehen, die nicht nur auf die bei der Her- 45 transport vom Schmelzbad zum Gehäuse zu schaffen, stellung unmittelbar anfallenden Kosten, sondern Zur Vervollständigung der letztgenannten Eigenauch wegen des großen Raumbedarfs auf hohe schaft kann das körnige Lockermaterial so gewählt Lagerhalterkosten zurückzuführen sind. werden, daß es unter Betriebsbedingungen über einen

Es ist auch bereits bei einem Induktionstiegel wesentlichen Abstand vom äußeren Behälter durch bekannt (Technische Mitteilungen, 1962, S. 36 bis 50 das geschmolzene Material nicht benetzbar ist. 38), feuerfeste Auskleidungen einzustampfen. Dabei Zusätzlich oder wahlweise kann das körnige Lockerwurde eine harte Schicht zwischen Schmelze und material derart gewählt werden, daß es sogar in Lockermaterial durch Sinterung der Auskleidung benetzten Bereichen in ausreichendem Maße Konwährend des Niederschmelzens der ersten Charge vektionsströmen entgegenwirkt und die gewünschte geschaffen. Die Lockermasse hinter der harten 55 Wärmetransportsperre schafft. In beiden Fällen wird Schicht wurde bewußt erhalten, um Schmelzdurch- das konvektionierende geschmolzene Material bräche vor Erreichen der metallischen Außenhülle dadurch gehindert, zum Gehäuse zu wandern und zum Erstarren zu bringen. thermische Kurzschlüsse zu schaffen.

Dem Anmeldungsgegenstand liegt die Aufgabe Das Schmelzbad 11, z. B. aus Aluminium, befindet

zugrunde, die bekannten Verfahren dahingehend zu 60 sich in dem nachstehend näher erläuterten Tiegel 10. verbessern, daß weder eine vorgefertigte Innenaus- Der Tiegel 10 ist im Vakuum angeordnet. Das kleidung noch ein anfängliches Sintern der Innen- Schmelzbad wird durch den durch eine Elektronenschicht des Lockermaterials während des Nieder- kanone 13 erzeugten Elektronenstrahl 12 bombarschmelzens der ersten Charge erforderlich ist. diert. Die durch den Elektronenstrahl auf das

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch 65 Schmelzbad übertragene Energie reicht aus, um das gelöst, daß in das unverfestigte feuerfeste Lockerma- Aluminium zu verdampfen. Der hierdurch erzeugte terial die Metallmassel gelegt und geschmolzen wird. Dampf dient zur Beschichtung eines in der Zeich-Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, daß beim nung nicht dargestellten und mit dem Tiegel im