DE1919218U - Transportabler ofen zum schmelzen und giessen von metallen, insbesondere plutonium und dessen legierungen, unter vakuum. - Google Patents

Description

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Patentanwälte
Dipl.~lnr;.!>. Beetz al

D'pl.-!ng. Limprscht

München 22, Stelnsdoristr. 10

410-10.446B- 1.4.1965

Commissariat ä 1'Energie Atomique, Pari s (Prankreich.)

Ofen zum Schmelzen und Gießen von Metall, insbesondere Plutonium und dessen !legierungen, unter Vakuum

Die Neuerung bezieht sieh auf einen;Ofen zum Schmelzen und Gießen von Me tall, insbesondere Plutonium, und dessen Legierungen, unter Vakuum, der ein dicht abschließbares und evakuierbares zentrales Ofengehäuse, einen in diesem kippbar gelagerten Schmelztiegel mit Induktions-Heizung und einen an das zentrale Ofengehäuse von unten vakuumdicht anschließbaren Gießformenbehälter aufweist, in dem mehrere Gießformen, die von einem um die Achse des Behälters schrittweise drehbaren Träger gehalten werden, in einem Kranz um die Drehachse des Trägers angeordnet sind. .■ "" .

Bei bekannten Vakuum-Schmelz- und Gießöfen wird das im Schmelztiegel geschmolzene Metall unmittelbar in die Gießformen gegossen, die nach ihrer richtigen Einstellung durch entsprechende Drehung des Gießformenträgers von einer Hubvorrichtung soweit angehoben werden müssen, daß der beim Kippen des iSchmelztiegels aus dessen Schnauze ausfließende Metallstrahl einwandfrei in die obere Öffnung der Gießform hineintrifft».

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Je nach der Füllung des kippbaren Sehmelztiegels befindet sich aber die Achse des ausfließenden Metallstrahls an unterschiedlichen Stellen, so daß diese bekannten Schmelz- und Gießöfen nur zum Gießen in relativ große Gießformen benutzt werden können; wenn es sich darum handelt, ein .-kostbares oder teures Metall, wie beispielsweise Plutonium, dessen Legierungen oder auch ein Edelmetall unter Va.kuum zu gießen., wobei das .. Metall in verhältnismäßig kleine Gießformen gegossen wird, sind Öfen der bekannten Ausführung praktisch nicht verwendbar, da die Gefahr eines Verspritzens des Metalls besteht, wenn der Metallstrahl aus dem Schmelztiegel nicht genau in die kleine Öffnung aer Gießform trifft.

Dieser Nachteil hat besondere Bedeutung beim Schmelzen und Gießen von radioaktivem Metall.

Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Vakuumschmelz- und -gießofen für Metall zu schaffen, der ein einwandfreies Gießen unter Vakuum selbst in relativ kleine Gießformen gestattet.

Der neuerungsgemäße Ofen zum Schmelzen und Gießen von Metall, insbesondere Plutonium, und dessen Legierungen, unter Vakuum, der ein dicht abschließbares und evakuierbares zentrales Ofengehäuse,, einen in diesem kippbar gelagerten Schmelztiegel mit Induktions-Heizung und einen, an das zentrale Ofengehäuse von unten vakuumdicht anschließbaren Gießf orinenbehälter aufweist, in dem mehrere Gießformen, die von einem um die Achse des , Behälters schrittweise drehbaren Träger gehalten werden, in

einem Kranz um die Drehachse des Trägers angeordnet sind, ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß. in dem zentralen Ofengehäuse seitlich unterhalb des kippbaren Schmelztiegels ein aus diesem füllbarer Zwischenbehälter mit Bodenauslaß eingebaut ist und der drehbare Träger für die Gießformen ein trommelartiges Bauteil ist, der die Gießformen aufnimmt, und dessen schrittweise Drehung die Gießformen direkt unter die Bodenöffnung, des Zwiseifenbehälter s bringt.

Durch die Yerwendung eines aus dem Schmelztiegel füllbaren Zwischenbehälters mit Bodenauslaß wird einerseits der Gießstrahl des flüssigen Metalls Örtlich genau fixiert; der Bodenauslaß kann eine der Öffnung der Gießformen angepaßte lorm aufweisen und es ist auch nicht mehr nötig, die einzelnen Gießformen aus aem drehbaren !Präger herauszuheben., wenn sie gefüllt werden sollen. Die Gefahr eines Verspritzens des flüssigen Metalls bei unterschiedlicher Füllung des Schmelztiegels ist einwandfrei vermieden, und man kann den trommelartigen Trägerbauteil, in den die Gießformen eingesetzt sind, als uv-fäß ausbilden und dazu benutzen, die Gießformen durch. eine in das Gefäß eingebrachte Kühlflüssigkeit schnell zu kühlen; damit kann das JSrstarren, des flüssigen Metalls beschleunigt werden, so daß sich die Gießformen schnell entleeren und unter Verwendung der gleichen Formen Gießvorgänge schnell nacheinander durchführen lassen.

!für die exakte Winkeleinstellung der einzelnen Gießformen bzw. der genauen Drehschrittweite des Gießformenträgers

erweist sich ein Malteserkreuzantrieb .als besonders vorteilhaft, da ein solcher Antrieb über einen relativ großen Brehwinkel seines Treibers die Winkelstellung des angetriebenen Seiles konstant hält.

Für die Benutzung des Ofens zum Vakuum-Gießen von aktivem Metall wira das Ofengehäuse mit dem ansetzbaren Gießformbehälter in einen dicht geschlossenen Schutzkasten eingebaut, der "Handschuhdurchgriffe" aufweist, durch die ein Bedienungsmann mit seinen durch die Handschuhe geschützten Händen die notwendigen, zur Bedienung des Ofens, des Ansetzens und Abnehmens der Gießformenbehälter und gegebenenfalls zum Aus- formen der Metallgußblöcke notwendigen Handgriffe unmittelbar ausführen kann.

Um das dichte Verbinden des Gießformenbehälters mit dem Ofengehäuse zu vereinfachen, ist der den Trägern für die Gießformen enthaltende Gießformenbehälter als Ganzes in Richtung der senkrechten Ofenachse anheb- und absenfcbar; er kann außerdem nach seinem Absenken q^uer zur Ofenachse verschoben oder veri'aüren werden, um an eine Stelle zu gelangen, an der das Ausformen erfolgt. Zur Erzielung der Abdichtung sind zwischen aeni zentralen Ofengehäuse und dem Gießf ormenbehälter sowie zwischen dem Ofengehäuse und einem zur Beschickung,des Ofens aufschwenkbaren Schwenkdeckel dieses Gehäuses einfacher Anpreß-Vakuumdichtungen vorgesehen, die allein durch das Gegenoinanderdrücken der Teile dichten und keine besonderen Versehraubungen benötigen, welche nur sehr umständlich gelöst werden können.

Zur näheren Erläuterung des neuerungsgemäßen Ofens ist in üer Zeichnung ein Ausführungsbeispiel eines solchen Ofens veranschaulicht, wie er zum Gießen kleiner Blöcke aus Plutonium unter Vakuum verwendbar ist. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen vertikalen Schnitt durch den neuerungsgemäßen Ofen, aus dem u.a. die unterschiedlichen möglichen Stellungen des Gießformenbehälters ersiehtlichsind? - .

Pig. 2 einen senkrechten Schnitt längs der Schnittlinie A-A der Pig. 1, wobei die drei Teile des Ofens betriebsbereit miteinander verbunden sind;

Fig. 3 zeigt eine Aufsicht auf den Ofen.

Das gesamte, für den Gießvorgang zu evakuierende Gehäuse 1, das den eigentlichen Ofen und den Gießformenbehälter umfaßt, besteht in der Hauptsache aus einem zentralen OfengehäUse 3 zylindrischer Form, das innerhalb eines dicht geschlossenen dchutzkastens 2 eingebaut ist; der Schutzkasten 2 ist mit nicht üargestellten "Handschuhdurchgriffen" versehen, durch die ein Operateur mit seinen durch die Handschuhe geschützten Händen in den Schutzkasten hineingreifen und den Ofen bedienen kann. Das zentrale Ofengehäuse J> ist durch einen glockenartigen Deckel 4 verschließbar, und an seinem-unteren Ende wird das Ofengehäuse durcii den napfförmigen Gießformenbehälter 5 verschlossen, in dem die Gießformen angeordnet sind.

Der zentrale Üfengehäuseteil 3 ist durch eine Bohrleitung mit der vorderseitigen Wandplatte 7 des~Sehutzkastens 2 ver-

bunüen; diese Wandplatte sitzt auf dem Rahmen 8 des Schutzkastens. Sine Rohrleitung 6 bringt das Innere des Ofens über ein in dieser Leitung liegendes Abschlußventil 9 in Verbindung mit einer nicht dargestellten Vakuumpumpe.

Die vorderseitige Wandplatte 7 trägt auch die Leitung 11, die durch diese Platte dicht hindurchgeführt ist und zur Speisung der Induktions-Heizwicklung 12 mit Kühlwasser und Strom aient, wobei der Strom von einem in der Figur nicht dargestellten Mittelfrequenzgenerator geliefert wird. Die Induktionswicklung 12 umgibt den Schmelztiegel 15· Die aus diesem Schmelztiegel und der Induktionswicklung bestehende Baugruppe kann um die Achse der horizontalen Leitung 11 derart geschwenkt werden, daß das im Tiegel geschmolzene Metall in den Zwischenbehälter 15 ausgegossen werden kann, der seinerseits seitlich unterhalb des Schmelztiegels fest angeordnet ist. Dieses Kippen des Tiegels 13 bzw. das Ausgießen des Metalls wird von außerhalb des Schutzkastens 2 mittels des Handgriffes 14 bewirkt. Sin verschiebbarer Schutzschirm 18, der unter dem Schmelztiegel 15 vorgesehen ist, verhindert ein erhitzen der Gießformen. Eine weitere Ausnutzung dieses Schutzschirmea Könnte darin bestehen, daß man diesen Schirm durch. eine flacne Wanne ersetzt, die ebenfalls die Wärmestrahlung abfangt unu außerdem im !'alle eines Bruches des Schmelztiegels aessen Inhalt aufnehmen kann, damit dieser Inhalt sich nicht innerhalb des unteren Teils des Ofens oder des Grießformenbehälters i? ausbreiten kann.

Der Zwischenbehälter 15, dessen unteres Ende als Trichter ausgebildet ist, wird von einem fest an dem zentralen Ofenteil 3 befestigten Träger 16 gehalten. Dieser Zwischenbehälter kann vorgeheizt weraen, wobei axe Zuführung eines Heizstromes durch einen durch die vorderseitige Wandplatte 7 hindurchführende Durchführung 20 erfolgt.''Der. Bodenauslaß 1? des Zwischenbehälters 15 kann durch einen (nicht dargestellten) Stopfen verschlossen werden, der ebenfalls.von außen bewegbar ist und es möglich macht, den Strahl des geschmolzenen Metalls, der aus dem Auslaß austritt, abzusperren, wenn eine der Gießformen gefüllt ist. Außer dem Schmelztiegel und,seiner Induktionswicklung sowie dem Zwischenbehälter enthält der zentrale Gehäuseteil 3 des Ofens noch eine Schüttrinne 21 für das Einbringen von Metall in den Schmelztiegel 13 während eines Arbeitsvorganges. Diese Schüttrinne 21 kann um die Achse geschwenkt werden. Ein an dem um die Achse 24 schwenkbaren Träger 23 sitzendes Thermoelement gestattet es, die Temperatur aes Schmelzbades zu messen. An dem Schutzkasten 2 sind Anschlüsse 25 (Pig.3) vorgesehen, um an ihnen Meßgeräte zur Messung des Vakuums zu befestigen.

Der Deckel 4 des Ofens ist um eine horizontale Achse schwenkbar, die senkrecht zur Ebene der lig. 1 liegt und mit 26 bezeichnet ist. Durch Aufklappen des Deckels erhält man Zugang zum Inneren des zentralen Ofengehäuses 3, um den Schmelztiegel und gegebenenfalls seine Schüttrinne zu be~ schicken. Der Deckel wird mittels einer nicht dargestellten

hydraulischen Schwenkvorrichtung bewegt.

Der untere Ofenteil oder Gießformenbehälter 5 kann von dem zentralen Ofengehäuse 3 vollständig gelöst werden. Hydraulische Druckzylinder 27 für gleichzeitige Betätigung gestatten es, aen Gießformenbehälter 5 aus der Stellung »in der er an den Oberteil dichtend angepreßt ist und die er während des Grieß"ens einnimmt, in eine abgesenkte Stellung zu bringen, in der an diesem Behälter vorgesehene kleine Rollen auf horizontalen Schienen 29 zur Auflage kommen, die auf der Grundplatte 30 αes ochutzkastens 2 befestigt sind. Der Gießformenbehälter kann dann durch Verschieben bis zu der Stelle innerhalb des Schutzkastens gebracht werden, an der das Entformen des gegossenen Metalls erfolgt.

Die drei Teile 3, 4 und 5 des Ofengehäuses sind doppelwandig ausgeführt und werden durch einen Wasserumlauf gekühlt. Zu diesem Zweck sind an den Wänden des Schutzkastens 2 Wasseranschlüsse 23 vorgesehen; die Kreisläufe für die Kühlung der unterschiedlichen Teile sind voneinander unabhängig*

¥ie es aie i'ig. 3 zeigt, sind die schmalen Gießformen sternförmig auf einem Kranz innerhalb eines zylindrischen trommelartigen Gefäßes 32 angeordnet, das in dem Gießformenbehälter 5 gelagert ist. Dieses Gefäß 32 kann um die senkrechte Welle 34 schrittweise gedreht werden, wobei der Antrieb über eine dichtend durch die Grundplatte des Schutzkastens. 2 geführte Vorrichtung erfolgt., üine Kupplung 35, die ein Kuppeln mit tier ϊ/tlle 34 gestattet, kann gleichzeitig mit dem Gießformen-

"behälter 5 angehoben oder abgesenkt werden, wozu ein hydraulischer Zylinder 56 dient, dessen Betätigung gleichzeitig mit der der hydraulischen Zylinder 27 erfolgt. Ein Malteserkreuz-Antrieb 37 bewirkt die schrittweise Drehung des Gefäßes 32 derart, daß nacheinander jede einzelne Gießform 31 in die Gießstellung direkt unterhalb der Bodenauslaßöffnung 17 des Zwischenbehälters 15 kommt, jeweils nachdem das Füllen der vorhergehenden Gießform beendet ist. Per Schritt-Drehantrieb ist fest mit der Bodenplatte 30 des Schutzkastens 2 verbunden.

Während des Gießens werden die Gießformen durch einen

Künlwasserumlauf in dem Gefäß 32 gekühlt. Zu diesem" Zweck ist

zu
ein Kühlwasser- und Abfluß-Doppelwandrohr 38 vorgesehen, das zentral von oben an das Gefäß 32 angeschlossen ist und für eine ständige Füllung des Gefäßes 32 sorgt, in das die Gießformen hineinragen. Dieser Kühlkreislauf ist unabhängig von den anderen Kühlkreisläufen des gesamten Ofengehäuses 1. Außerdem ist eine isolierende Durchführung 39 mit zwei Sicherheitselektroden vorgesehen, die dazu dienen, ein gegebenenfalls nicht ausgeschlossenes Eindringen von Wasser in den napfförmigen Gießformenbehälter 5 anzuzeigen.

Pur die Beobachtung des Schmelz- und Gießvorganges sind zv/ei Beobachtungs-öchaugläser 41 und 42 vorgesehen. Das Schauglas 41, das an dem zentralen Gehäuseteil 3 sitzt, gestattet die Beobachtung der Mveauhöhe des Metalls in einer Gießform während des Füllvorganges j dadurch wird der Gießvorgang kontrolliert. Dae ochauglas 42, das an dem glockenförmigen -

Deckel 4 sitzt, gewährt ein weiteres Beobachtungsfeld, so daß der Operateur, der das Kippen des Schmelztiegels durch Betätigen des Handgriffes 14 durchführt, gleichzeitig den Schmelztiegel 13 und das Zwischengefäß 15 beobachten kann. Ein zusätzlicher Durchlaß 43 ist in dem Deckel 4 vorgesehen, und zwar senkrecht über dem Schmelztiegel 13; dieser Durchlaß ist dazu bestimmt, gegebenenfalls ein weiteres Schauglas aufzunehmen, das mit einer optischen Ablenkung versehen ist und pyrometrieehe Messungen gestattet.

Die unterschiedlichen Arbeitsschritte, die beispielsweise bei der Herstellung von plutoniumhaltigen Brennstoffelementen in aem neuerungsgemäßen Ofen durchzuführen sind, umfassen die folgenden Vorgang:

- Das Beschicken des Schmelztiegels 1.3» während der Deekel 4 offen ist j

- das Schließen des Deckels 4, das Anheben des G-ießformenbehäiters 5 bis dicht an das feste Ofengehäuse 3 heran und das Schließen der Sicherheitsverriegelungen;

- die Herstellung des gewünschten Vakuums in dem Ofen nach öffnen ctes Ventils 9» das dann, geschlossen werden kann;

- das Aufheizen und gegebenenfalls das Herstellen der gewünschten legierung;

- aas Kippen des Schmelztiegels 13 und Füllen des Zwischenbehälters 15 nach dessen vorherigem Anheizen, wobei natürlich der Bodenauslaß 17 durch den erwähnten Stopfen verschlossen sein rauß; -

- öffnen der Boaenauslaßöffnung 17 des Zwischenbehälters 15 una Füllen einer Gießform 31» die sich, genau unter dem Bodenauslaß 17 befindet;

- Abschließen des Bodenauslasses 17 durch den Stopfen und Drehen des Gefäßes 52, um die folgende Gießform unter den Bodenauslaß 17 zu bringen;

- Wiederholung dieser beiden zuletzt genannten Maßnahmen, bis sämtliche Gießformen gefüllt sind;

- Abkühlung des Ofens und Pullen des Ofens mit Argon;

- Lösen des Gießformenbehälters 5 von dem festen Ofenteil, Absenken dieses Behälters auf die Schienen 29 und sein Verschieben bis zuvder Bntformungsstelle.

Ιΰε wira noch erwähnt, daß der in den Schutzkasten 2 eingebaute Ofen verhältnismäßig geringe Abmessungen hat und der gesamte Schutzkasten mit dem Ofen- ohne weiteres von einer Einsatzstello zu einer anderen transportiert werden könnte.

iis dürfte klar sein, daß die Heuerung nicht auf das oben beschriebene spezielle Ausführungsbeispiel beschränkt ist; dieses Beispiel könnte zahlreiche Abwandlungen.erfahren, die im Rahmen von Äquivalenten liegen.

Claims (6)

RA.167 579·-1. - 12 Schutzansprüche

1. Ofen zum Schmelzen und Gießen von Metall, insbesondere Plutonium und dessen Legierungen, unter Vakuum, der ein dicht abschiießbares und evakuierbares zentrales Ofengehäuse, einen in diesem kippbar gelagerten Schmelztiegel mit Induktions-Heizung und einen an das zentrale Ofengehäuse von unten vakuumdicht anschließbaren Gi©ss-e*iformenbehälter aufweist, in dem mehrere Gießformen, die von einem um die Achse des Behälters schrittweise drehbaren Träger gehalten werden, in einem Kranz um die Drehachse des Trägers angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zentralen Ofengehäuse (3) seitlich unterhalb des kippbaren Schmelztiegels (13) ein aus diesem füllbarer Zwischenbehälter (15) mit Bodenauslaß (17) eingebaut ist und der drehbare Träger für die Gießformen (31) ein troinmelartiges Bauteil (Gefäß 32) ist, der die Gießformen aufnimmt, und dessen schrittweise Drehung die Gießformen direkt unter die Bodenöffnung des Zwischenbehälters bringt. -

2. Ofen nach ^nspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den drehboren, ein trommelartiges Gefäß (32) bildenden Träger-Bauteil ein zentral von oben an das Gefäß- herangeführter Kühlflüüsigkeitszu- und -ableitkanal angeschlossen ist und die Grießformen in die Kühlflüssigkeit eintauchen.

3. Ofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur schrittweisen Drehung des Gießformenträgers (32) ein Malteserkreuzantrieb (37) vorgesehen.ist.

4. Ofen nacli einem der Ansprüche 1 bis. 3»"-dadurch gekennzeichnet, daß das Ofengehäuse mit dem ansetzbaren Gießformenbehälter (5) in einen dicht geschlossenen Schutzkasten (2) eingebaut ist, der "Handschuhdurchgriffe" aufweist.

5. Ofen nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der G-ießf ormenb ehält er (5) als Ganzes in Richtung der senkrechten Qfenachse anheb- und absenkbar und nach seinem Absenken quer zur Ofenachse verschieb- oder verfahrbar ist.

6. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem zentralen Ofengehäuse (3) und dem G-ießf ormeiibehälter (5) sowie zwischen dem Ofengehäuse und .seinem Schwenkdeckel (4) Anpreß-Vakuumdichtung en vorgesehen sind, die allein aurch das Gegeneinanderdrücken der !Teile dichten.