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Ofen zum Behandeln von Metallschmelzen in Vakuum oder in Schutzgasatmosphäre.
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Die Vakuum-bzw. Schutzgasbehandlung von Metallschmelzen wird einerseits
zur Vermeidung der Reaktion chemisch aktiver Legierungskomponenten mit der Ofenatmosphäre,
andererseits zur Verschiebung der physikalisch-chemischen Gleichgewichte zwischen
den im Einsatz homogen gelösten Gasen, den eventuell heterogen beigemischten Gasmetallverbindungen
undder Ofenatmosphäre und unter Umständen auch zur Abdestillation metallischer Verunreinigungen
angewendet. Einer breiteren Anwendung der Vakuumschmelz-und Entgasungsverfahren
standen bis jetzt hauptsächlich zwei Hindernisse entgegen : Diejenigen bekannten
Vakuumschmelzöfen, mit denen eine sehr weitgehende Raffination der Schmelze durchgeführt
werden konnte, wie z B. Vakuuminduktionsschmelzöfen oder Elektronenstrahlöfen hatten
zu hohe Anlage-und Betriebskosten, als dass sie für weniger hochwertige Metalle
und Legierungen wie z. B. Kugellagerstähle, Transformatorenstãhle, rostfreie Stähle,
Buntmetalle und Buntmetallegierungen hätten eingesetzt werden können. Billigere
Entgasungsverfahren dagegen, z. Bedasjenige
nach dem Prinzip der
Giesstrahlentgasung ermöglichen nur eine Teilengarung, die im wesentlichen auf leichter
entfernbare Gase, wie z. B. Wasserstoff beschränkt ist. Diese ist aber nicht ausreichend,
um bei den erwähnten Legierungen eine dem Aufwand entsprechende Qualitätsverbesserung
zu erzielen. Die wesentliche Ursache dafür ist, dass bei der Strahlentgasung die
für die Entgasung zur Verfügung stehende Zeit zu kurz ist bzw. eine Verlängerung
der Entgasungszeit zwangsläufig mit so hohen Temperaturverlusten verknüpft wäre,
dass geeignete Beheizungsvorrichtungen notwendig würden, für die jedoch bis jetzt
noch keine befriedigende Lösung bekannt geworden ist.
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Davon ausgehend hat sich die Erfindung zum Ziel gesetzt, einen Vakuumofen
zu entwickeln, bei dem die Vakuumbehandlung mit möglichst geringen Energieverlusten
verknüpft ist, auf einfache Weise eine Energiezufuhr möglich* ist. und die Behandlungszeit
nahezu beliebig variiert werden kann, wodurch eine so weitgehende Annäherung an
die möglichen physiklisch-chemischen Gleichgewichte erreicht werden kann, als es
für den betreffenden Fall notwendig erscheint. Der neue Ofen soll weiterhin die
Möglichkeit bieten, die Geschwindigkeit der Entgasung gegenüber dem Bisherigen zu
erhöhen, so dass kurze Behandlungszeiten erreicht werden und durch die damit verbundene
Erhöhung der Durchsatzgeschwindigkeit eine wesentliche Senkung der Schmelzkosten
ergibt.
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Der erfindungsgemässe Ofen zur Berhandlung von Metallschmelzen im
Vakuum oder in Schutzgasatmosphäre ist insbesondere zum Entgasen oder Destillieren
von Metallschmelzen geeignet. Er ist dadurch gekennzeichnet, dass der die Schmelze
aufnehmende Behälter um einegegenüber der Vertikalen geneigte Achse drehbar ausgebildet
ist Inwiefern ein solcher Ofen die gestellten Ziele erreichen lässt, wird aus der
nachfolgenden Beschreibung ersichtlich werden.
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Die Figuren 1 und 2 zeigen eine einfache Ausführungsform eines Ofens
nach der Erfindung. Darin bedeutet 1 einen die Schmelze aufnehmenden, birnenförmigen
Behälter% der um eine gegenüber der Vertikalen geneigten Achse
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drehbar ist. Zu diesem Zweck ist der Behälter an seinem unteren Ende mittels einer
Welle 3 und eines Lagers 4 drehbar gelagert und mit einem Antrieb, bestehend aus
einem Motor 5 und einem Kettentrieb 6 versehen.
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Der Behälter 1 ist an seinem oberen Ende bei 7 verjüngt und mittels
eines Wälzlagers 8 und einer vakuumdichten Drehdurchführung 9 drehbar und vakuumdicht
an ein zylindrisches Kopfteil 10 angeschlossen. Dieses Kopfteil 10, das auf einem
Sockel 11 aufgebaut ist, besitzt einen Vakuumanschluss 12 und trägt weitere Hilfseinrichtungen,
z, B. einen Stutzen 13, an den eine Materialzugabevorrichtung angeschlossen werden
kann, und die elektrischen Lichtbogenelektroden 14 und 15, welche in den Schmelzbehälter
1 hineinragen. Den Elektroden 14 und 15 wird der Strom durch vakuumdichte Stromzuführungen
16 und 17 zugeleitet.
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Die Flansche 18 und 19 ermöglichen, eine rasche Verbindung oder Trennung
zwischen dem feststehenden Kopf teil 10 und dem drehbaren Behälter 1 herzustellen.
Nach Lösung der Flanschverbindung 18/19 kann der Behälter 1, der zusammen mit dem
Antrieb 5/6 auf einem fahrbaren Gestell 20 aufgebaut ist, weggefahren und an beliebiger
Stelle unter Normaldruck abgegossen, bzw. neu chargiert werden. Ein solches Verfahren
ist insbesondere bei der Behandlung von Massenstählen oder Ferrolegierungen zweckmässig.
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Ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen die Figuren 3
und 4.
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Der Aufbau des Schmelzbehälters, die Antriebsvorrichtung. und die
drehbare Lagerung sind im wesentlichen gleich wie bei der vorbeschriebenen Anlage
; entsprechende Teile sind mit gestrichenen Bezugszeichen (1t 9t) versehen. Der
Unterschied gegenüber der erstbeschriebenen Anlage besteht im wesentlichen darin,
dass das Kopfteil 10'zusammen mit dem drehbar an dieses Kopf teil angeschlossenen
Behälter lt nunmehr um eine horizontale Achse 30 gekippt werden kann. Dazu dienen
die hohlen Achsstümpfe 31 und 32 des genannten Kopfteiles, die in den Lagern 33
und 34 ruhen und an die über vakuumdichte Drehdurchführungen 35 und 36 feststehende
Vakuumkammern 37 und 38 (im Beispielsfalle als Rohrstutzen ausgebildet)
angeschlossen
sind. In den Figuren 3 und 4 ist der Schmelzbehälter gerade in Giesstellung gezeichnet.
Normalerweise befindet er sich in der Stellung, wie sie in der Figur 3 mit 1*'/2''angedeutet
ist. Zum Kippen des Schmelzbehälters können an sich bekannte Hebezeuge dienen, die
in der Figur 3 nicht dargestellt sind. Die Kammer 37 nimmt eine Gussform auf 39
und eine Giessrinne dient dazu, die beim Kippen des Schmelzbehälters Ir über dessen
Giessschnauze 40 entleerte Schmelze 41 aufzufangen unde dem Giesstrichter 42 zuzuleiten.
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Der Hohlwellenstumpf 32 und die an ihn angeschlossene Kammer 38 bietet
Raum für die Anordnung einer Förderrinne 43, mittels deren der Schmelzbehälter Ir
auch unter Vakuum beschickt werden kann. Dazu wird auf die Förderrinne 43 das Beschickungsgut
über eine Schleuse 44 aufgegeben. Der Achsstumpf 32 dient gleichzeitig als Evakuierungsleitung.
Für diesen Zweck weist die Kammer 38 einen Anschluss 45 an eine Vakuumpumpe auf.
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Für die Oefen nach der Erfindung wird vorzugsweise flüssiger Einsatz
verwendet, Vor allem die weniger reaktionsfähigen Komponenten einet Legierung können
mit klassischen Methoden ausserhalb des Vakuums vorgeschmolzen und dann in den vorgeheizten
Behälter (l lt) unter Normaldruck eingebracht werden. Nach Evakuierung und eventueller
Füllung mit Schutzgas wird dann zunächst mit oder ohne Wärmezufuhr entgast oder
raffiniert und erst dann werden eventuell reaktionsfähigere Legierungskomponenten
zugesetzt.
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Man erzielt auf diese Weise auch bei Massenstählen Qualitäten, die
bisher nur nach dem Induktionsschmelzverfahren hergestellt werden konnten. Der Aufbau
von Legierungen ist aber auch dadurch möglich, dass man vom festen Zustand ausgehend
im Behälter 1 bzw. Ir aufschmilzt. Der Abguss kann darauf entweder unter Vakuum,
unter Schutzgasatmosphäre oder auch an freier Atmosphäre erfolgen «
| Die Beheizung des Behälters erfolgt in dem Ausführungsbeispiel
durch einen |
| 141 |
| Vakuumlichtbogen, dessen Elektroden (14, 15 bzw./15') verschiebbar
durch die |
| Oeffnung des birnenförmigen Schmelzbehälters eingeführt werden
können. Zur |
| Stabilisierung des Lichtbogens bei niedrigen Drucken ist es
zweckmäßig, |
durchbohrte Elektroden zu verwenden, durch die kontinueierlich einischwaeher Strom
inerten Gases, z. B. Argon, in die Entladungsstrecke eingeführt werden kann. Anstelle
eines Lichtbogens können auch andere Beheizungsarten
gewählt werden,
wobei die erfindungsgemässe Ofenkonstruktion, bei welcher die Heizvorrichtungen
stets im Innern des Schmelzbehälters ohne Berührung mit der Schmelze angeordnet
werden können, erlaubt, auch solche Heizkörper bzw. Heizvorrichtungen zu verwenden,
die einer direkten Berührung mit der Schmelze nicht standhalten würden. Z. B. können
anstelle der Lichtbogenelektroden Widerstandsheizkörper in den Schmelzbehälter hineinragen.
Besonders in Verbindung mit einer Schutzgasatmosphäre zur Beheizung der Schmelzbadoberfläche
gut geeignet ist auch das Plasmastrahlverfahren insbesondere mit Hochfrequenz. Der
Plasmastrahl, mit dem man Temperaturen bis zu 4000 0 C erreichen kann, wird hiebei
durch die Oeffnung des Schmelzbehälters (1, li) hindurch gegen die Schmelzbadoberfläche
gerichtet. Die Plasmastrahlkanone wird am Kopfteil befestigt und darf, da keine
direkte Berührung mit der Schmelze stattfindet, auch in den Behälter hineinragen.
Das für den Plasmastrahl verwendete inerte Gas wird aus dem Behälter laufend abgesaugt
und kann so, eventuell nach Reinigung, wieder der Plasmakanone zugeführt werden,
wodurch sich ein sehr sparsamer Betrieb ergibt.
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Auch Heizung durch Elektronenbeschuss ist bei Oefen nach der Erfindung
leicht durchführbar, wobei anstelle der gezeichneten Lichtbogenelektroden elektronenemittierende
Kathoden verwendet werden, während die Schmelz ze die Anode der Entladungsstrecke
bildet. Nach der Einführung des Schmelzgutes und Evakuierung wird der Schmelzbehälter
in schräggestellter Lage um seine Achse gedreht. Die Schmelze bildet dabei eine
relativ grosse Oberfläche aus, die zudem durch die Mitnahme der Flüssigkeit infolge
der Wandreibung dauernd erneuert wird. Durch geeignete Massnahmen, z. B. durch Rührbewegungen
über einen eingeführten Rührer oder durch Durchleitung eines neutralen Gases kann
noch eine zusätzliche Bewegung erzeugt werden, wodurch die Entgasung beschleunigt
und eine rasche Durchmischung erreicht wird. Diese Durchmischung kann noch dadurch
gefördert werden, dass man dem Schmelzbehälter (1, 1') einen ovalen Querschnitt
senkrecht zur Drehachse gibt oder an der Innenwand feste Rippen einbaut, die sich
mit dem Behälter mitdrehen. Durch die dauernde Ueberbpülung der der Beheizung ausgesetzten
freien Innenoberfläche des Schmelzbehälters wird dafür gesorgt, dass auch bei hoher
Heizleistung keine thermische Ueberbeanspruchung der Auskleidung eintreten kann
und eine wirkungsvolle Energieübertragung
auch dann noch möglich
ist, wenn die Lichtbogenelektroden oder die sonstige Heizvorrichtung zur Vermeidung
einer Erosion durch Spritzer in großem Abstand von der Badoberfläche angeordnet
werden müssen.
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Das einzige bekannte Vakuumschmelzverfahren, das eine gleich weitgehende
Raffinationsmöglichkeit wie der erfindungsgemässe Ofen bietet, ist, wie erwähnt,
das Vakuuminduktionsschmelzverfahren. Im Vergleich zu diesem besitzt der neue Ofen
jedoch zusätzlich eine ganze Reihe entscheidender Vorteile : Ein erheblicher Unterschied
besteht zunächst in den Investitionskosten. Zur Verringerung der Streufeld-verluste
und der Rostbildung durch Kondenswasserbildung ist es nämlich notwendig, den wassergekühlten
Kessel in der Regel aus hochwertigem, rostfreiem Stahl herzustellen. Da auch bei
Verwendung magnetischer Abschirmjoche zwischen Spule und Kessel noch ein gewisser
Abstand zwischen Spule und Kesselwand vorhanden sein muss, ergibt sich ein im Vergleich
zu erfindungsgemässen Oefenwesentlich grösseres Kesselvolumen mit entsprechend vergrößertem
Materialaufwand und langer Pumpzeit. Die Induktionsbeheizung durch Mittelfrequenz
erfordert ausserdem umfangreichere und kostspieliger elektrische Einrichtungen als
Lichtbogen-und Widerstandsheizung, die bei der Erfindung möglich sind. Wenn man
ausserdem das Induktionsschmelzverfahren so ausbauen will, dass die Heizung und
Rührung der Schmelze zugleich und unabhängig voneinander möglich sind, was wesentliche
Vorteile bei der Schmelzführung bringt, ist eine zusätzliche Niederfrequenzspeisung
der Ofenspule erforderlich, die ebenfalls erheblichen Aufwand mit sich bringt. Bei
den erfindungagemäsaea Oefen dagegen ist die Möglichkeit gleichzeitigen Rührens
und Heizens ohne weiteres gegeben.
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Ein wesentlicher Vorteil der beschriebenen Vakuumschmelz-und Entgasunganlagen
ist es, dass der die Schmelze aufnehmende Raum einen gut wärmeisolierten und nahezu
allseits geschlossenen, weitgehend rotationssymmetrischen Behälter bilden kann,
dessen Mantel die Abgrenzung gegeniber der Aussenatmosphäre darstellt. Daraus ergibt
sich, dass die Beschränkung in der Tiegellebenadauer und das Risiko, das mit einem
Tiegeldurchbruch beim Induktionsofen verbunden ist. bei der Erfindung überwunden
wurde.
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Beim Induktionsofen müssen relativ geringe Tiegelwandstärken verwendet
werden, um einen befriedigenden Wirkungsgrad zu erzielen. Die Folge sind hohe Temperaturgradienten
und starke Wärmespannungen im Tiegel, die besonders bei den meistens zur Verwendung
gelangenden basischen Tiegelmaterialien
mit relativ hohem Ausdehnungskoeffizienten
zu den gefürcheteten Tiegeldurchbrüchen führen, die nicht nur zu einer Beschädigung
der Anlage, sondern auch zum Verlust der Schmelze führen können. Bei dem neuen Ofen
können dagegen wesentlich dickere Ofenfutter verwendet werden, die viele niedrigere
Wärmeverluste ergeben und auch grösseren thermischen Beanspruchungen gewachsen sind.
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Auch wegen der günstigeren Geometrie (Annäherung an die Kugelform)
und der gleichmässigeren Erosion ist die Haltbarkeit und Stabilität des neuen Ofens
grösser. Während man beim Induktionsofen aus Sicherheitgründen gezwungen ist das
Ofenfutter schon vor Ablauf der wirklichen Lebensdauer zu erneuern, kann man bei
dem erfindungsgemäasen Ofen abwarten, bis eine unzulässige Erwärmung der Aussenhaut
eintritt und so die wahre Lebensdauer des wertvollen Futters voll ausnützen. Selbst
wenn ein Risa im Futter auftritt, bedeutet das im Gegensatz zum Induktionsofen noch
keine Gefährdung des Ofens oder der Charge. Alle diese Gründe führen dazu, dass
sowohl der Ausnützungsgrad des Ofenfutters, als auch der Ausnützungsgrad der Schmelzanlage
als Ganzes infolge der geringeren Stillstandszeiten günstiger wird.
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Die grössere thermische Widerstandsfähigkeit des Ofenfutters, die
grössere Wandstärke und mechanische Stabilität ermöglichen auch erstmals, die begrenzung
der Chargengrösse, die dem Induktionsofen eigen ist, zu überwinden. Der größte Vakuum-Induktionsofen
der bis heute gebaut wurde, besitzt ein Einsatzgewicht von ca. 2 t Stahl. Eine weitere
Vergrösserung wäre mit grossen Risiken verbunden gewesen. Beim erfindungsgemässen
Ofen besteht diese Begrenzung dagegen nicht, da die mechanische Stabilität des die
Schmelze aufnehmenden Futters so gut gewählt werden kann wie diejenige von Roheisenmischern,
die bekanntlich für Einsätze von mehreren 100 Tonnen gebaut werden. Dabei ist diese
Erweiterung ohne Einbusse an Raffinations-oder Legierungsmöglichkeiten möglich.
Damit wird auch erstmalig die Möglichkeit geschaffen, Massenstähle und andere Legierungen
der Technik, die in grossen Gewichtsmengen verarbeitet werden müssen, in den erforderlichen
Einsatzgewichten unter Bedingungen im Vakuum zu behandeln, die eine weitgehendere
Annäherung
an die physikalisch-chemischen Gleichgewiehte ermöglichen,
als es bei den seither bekannten Massenstahlentgasungsverfahren der Fall war.
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ZurUnterstützung der Entgasung kann man, wenn man von der an sich
bekannten Entgasungswirkung eines durch die Schmelze geleiteten, neutralen Gasstromes
Gebrauch machen, der durch die Vergrösserung der Austauschoberfläche zwischen Schmelze
und Gasatmosphäre eine zusätzliche Beschleunigung des Entgaaungsvorgangs bewirkt.
Während bei den bekannten Schmelz-und Entgasungsanlagen die Einleitung eines möglichst
feinverteilten Gasstroms im praktischen Betrieb zu erheblichen Komplikationen und
Schwierigkeiten führt, da die verwendeten keramischen Formteile grossen thermischen
und chemischen Beanspruchungen ausgesetzt sind, läset sich dieses Gasspülverfahren
in Verbindung mit der Erfindung in sehr betriebssicherer und einfacher Weise verwirklichen.
Es genügt, atiner Stelle des Ofenfutters, die im Verlauf der Drehbewegung des Schmelzehälters
an die tiefste Stelle des Bads gelangen kann, einen einfachen Formstein aus Keramik,
die zahlreiche feine Bohrungen enthält oder porös gesintert ist, so einzubauen,
dass die Rückseite mit einer durch den Aussenmantel geführten Gaszuleitung in Verbindung
steht. Bevor man mit der Gasspülung beginnt, bringt man zunächst die poröse Stelle
im Ofenfutter an den obersten Punkt ihrer Kreisbewegung. Man öffnet dann die Zufuhr
und dreht den Kessel um 900, bis diese Stelle ihren tiefsten Punkt erreicht hat
und der Gasstrom eine möglichst grosse Badtiefe durchspülen kann. Auf diese Weise
wird das etwaige vorherige Eindringen der Schmelze in die Oeffnungen der Poren vermieden
und das Problem der Einführung einer nicht genügend keramischen Gaszuleitung umgangen.
vorgewärmten Durch die gute Wärmeisolation des Ofens ist der Energieaufwand, der
zur Aufrechterhaltung der Temperatur der schmelze nötig ist, ausserordentlieh niedrig.
Dadurch ergibt sich eine geringe Heizleistung und damit ein sehr geringer Abbrand
bzw. Verdampfungsverlust der Heizelektroden, besonders wenn mit flüssigem Einsatz
gearbeitet wird. Trotz des geringen Energieaufwandes erhält man eine bessere Raffinationswirkung
als beim Induktionsofen, da die Wärmeentwicklung vorwiegend auf die Badoberfläche
konzentriert ist und die Versetzung von Schlacken, die sich durch Flotation auf
der Badoberfläche ansammeln, begünstigt wird.
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Die beschriebenen Anlagen eignen sich nicht nur zur Entgasung von
Schmelzen, sondern sie können auch für die abdestillation von Legierungkomponenten,
wie sie z. B. bei der Aufarbeitung von Leichtmetall-und Buntmetallabfällen erforderlich
ist, eingesetzt werden. Es ist dann nur nötig, einen geeigneten Kondensator am Kopfteil
(10, 101) der Anlage anzuordnen. Das Einfüllen des flüssigen Einsatzes und das Ablassen
des Rückstandes kann in diesem Falle zweckmässig über ein und dieselbe mit einem
gekühlten Schieber versehenen Oeffnung (21) im Boden des Behälters (1) erfolgen,
die sich beim Einfüllen an der Oberseite und beim Ablassen an der Unterseite befindet.