DE1928256A1

DE1928256A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Metallveredelung

Info

Publication number: DE1928256A1
Application number: DE19691928256
Authority: DE
Inventors: Hutchinson Hermann R
Original assignee: Pennwalt Corp
Current assignee: Pennwalt Corp
Priority date: 1968-06-12
Filing date: 1969-06-03
Publication date: 1969-12-18
Also published as: FR2010738A1; US3547622A

Description

Oip!.-!ng. Dipl. oec. publ.

DiETRiCH t JWINSKY ft Juni 1369

PATENTANWALT · *

% München 21 - Gotthardstr. 81 5621-IV/He.

Telefon 561762

Pennwalt Oorporation, Philad.elph.ia 2, Three Penn Genter Plaza,

• Pennsylvaniaι USAe

"Verfahren und Vorrichtung zur Metallveredelung"

Amerikanische Priorität vom 12„ Juni 1968, aus der amerikanischen Patentanmeldung Hr„ 736 493

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Veredelung von Metallen durch Einbringen des geschmolzenen Metalles in ein Vakuum sowie eine Vorrichtung zur-Durchführung des Verfahrens_o-

Bisher bekannte Verfahren dieser Art bestehen darin, daß zur Herstellung von Metallen und Legierungen geschmolzenes Metall für gewöhnlich aus einem Hochofen in einen Grießlöffel gegossen wird, von welchem es später in Gußformen zur Herstellung von Barren gelangte Um Guß- oder Schmiedeteile hoher Qualität herstellen zu können, ist es in den letzten Jahren üblich geworden, das geschmolzene Metall in dem Gießlöffel einer Vakuumbehandlung zu unterziehen, um so schädliche Gaseinscüüsse, insbesondere Sauerstoff, Stickstoff und Wasserdampf zu entfernen. Bei der Entgasung von Gießlöffeln wird der Gießlöffel mit seinem Inhalt, nämlich dem geschmolzenen Metall, entweder in eine Vakuumkammer eingebracht oder mit einer Haube abgedeckt, die in Verbindung mit entsprechenden Vakuumpumpen steht«, Während der Zeitspanne, in der das geschmolzene Metall dem Vakuum ausgesetzt wird, wird die Schmelze im Falle Von magnetischen legierungen, so wie beispielsweise Stahl, mittels hindurchgeschickter Induktionsströme bewegt oder umgerührt oder sie wird

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auf mechanische Weise,wie durch Hindurchleiten von Gasblasen eines inerten Gases,in Bewegung gehalten» Das Umrühren oder Aufwirbeln hält die. Schmelze in Bewegung und verhindert den Stillstand des Metalles, wodurch äLle Teile der Schmelze wirksam und wirtschaftlich entgast werden können_e

Ein weiteres Verfahren zur Entgasung besteht' darin, das geschmolzene Metall aus dem Gießlöffel in eine darüber angeordnete Vakuumkammer über zwei in die Schmelze eintauchende Rohre oder Zuführungen zu bringen,, Um zu erreichen, daß das Metall in einem der Rohre oder Schächte aufsteigt, durch die Vakuumkammer strömt und in dem anderen Rohr oder Schacht zurückfließt, muß eine .Druckdifferenz zwischen den Rohren oder Schächten entweder durch mechanisches oder induktives Pumpen oder durch Hindurchblasen von Gasblasen durch das Steigrohr erzeugt werden_o Dieses letztere Verfahren ist als R-H Vakuum-Umlauf entgasungsverfahren bekannt„

Sowohl bei der Gießlöffelentgasung als auch bei der kontinuierlichen Entgasung nach dem R-H Verfahren ist es häufig wünschenswert, dem geschmolzenen Metall während der Entgasung Wärme zuzuführen, um vorzeitige Erstarrung zu vermeiden _a He bekannt, ist die Frequenz der Induktionsströme zur Bewegung der Schmelze, die dazu aus magnetischem Werkstoff, wie beispielsweise Stahl bestehen muß, zu niedrig (0,5 Herz bis 1,0 Herz), um wirksame Y/ärme zu erzeugen· Dagegen ist'die Frequenz von Induktionsströmen zur Erwärmung der geschmolzenen Masse unvereinbar mit dem Umrühren oder Bewegen der Schmelze» Bei der Verwendung eines Gasblasenstromes für nichtmagnetische Metalle oder Legierungen und/oder für Stähle zum Bewegen der Schmelze oder zur Erzielung einer fortgesetzten Umwälzung in der mit zwei eintauchenden Rohren versehenen, kontinuierlich arbeitenden Entgasungskammer entstanden erhebliche Auswaschungen und Materialabtragungen in der feuerfesten Auskleidung in

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der Nähe des Eintrittes der Gasblasen, wodurch die Zerstörung des feuerfesten Putters beschleunigt wurde₀

In der Vergangenheit wurden Versuche unternommen, Lichtbogenheizeinrichtungen zu verwenden, die mit Graphitelektroden ausgestattet waren, von denen aus der Strom in die Schmelze geleitet wurde-. Das bei der Vakuumentgasung auftretende heftige Kochen verursachte jedoch das teilweise Eintauchen diecer Graphitelektroden und eine dementsprechende Verunreinigung der Schmelze oder aber die Elektroden mußten soweit von der Oberfläche der Schmelze entfernt werden, daß sie wirkungslos wurden» Darüberhinaus muß der elektrische Lichtbogen-Schmelzofen mit Wechselstrom betrieben werden, wodurch ein dauernden v(echselfeld erzeugt wird, das nicht dazu benützt werden kann, Metall in eine vorbestimmte Richtung zu bewegenb

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung dieser den eingangs genannten bekannten Verfahren und Vorrichtungen anhaftenden Nachteile ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, bei der das Bad geschmolzenen Lie tails unter Vakuum gleichzeitig erwärmt und bewegt oder umgerührt wird₀

Es liegt ebenso im Sinne der Zielsetzung der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzusehen, bei dem eine Plasma—Lichtbogeneinrichtung zur Veredelung geschmolzenen Metalls verwendet wird. ·

Ferner wird angestrebt, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bewegen oder Umrühren und zur Erwärmung sowohl von nichtmagnetischen- als auch von magnetischen Metallen im Vakuum zu schaffen. . ■ ·

Es liegt ebenso im Sinne der Zielsetzung der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, bei der die Be-

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wegung des Bades geschmolzenen Metalles ausschließlich mittels Gleichstrom erfolgt„ «

Die Aufgabe der Erfindung erstreckt sich weiterhin darauf, zur Erwärmung und zum Bewegen eine Vorrichtung zur Veredelung geschmolzenen Metalles vorzusehen, bei der ein einziger Gleichstromgenerator oder eine Gleichstromversorgung sowohl die Erwärmungswie auch die Bewegungseinrichtung versorgte

Es liegt ebenso im Sinne der Zielsetzung der Erfindung, eine Vorrichtung zur Entgasung zu a chaffen, bei der durch die die Schmelze bewegenden Kräfte die geringstmögliche Abtragung und Auswaschung des feuerfesten Futters erfolgt.

In Fortbildung des Erfindungsgedankens wird ebenso angestrebt, eine Vorrichtung zur Erwärmung, zum Bewegen oder zur Entgasung geschmolzener Metalle zum Zwecke ihrer Veredelung in einem Schmelzofen, in einem Gießlöffel oder durch kontinuierlichen Umlauf einer Schmelze durch eine Kammer mit zwei Beaufschlagungsrohren zu schaffenο

Ferner wird zur Stützung der erfindungsgemäßen Aufgabe angestrebt, eine Vorrichtung mit zwei Beaufschlagungsrohren zur Entgasung zu schaffen, durch die nichtmagnetische geschmolzene Lietalle ohne Benützung mechanischer Pumpen oder Gasblasenförderung gepumpt werden können_β

Schließlich ist angestrebt, die genannten Verfahren und Vorrichtungen so auszubilden, daß sie leicht und wirtschaftlich durchgeführt bzw„ hergestellt werden können und daß die Vorrichtung widerstandsfähig aufgebaut und das Vei-fahren ergiebig und wirkungsvoll ist»

Diese Aufgabe ist bei dem Verfahren der einleitend angegebenen Gattung dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß die Oberfläche

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des betreffenden Metalles- der ionisierten Gassäule eines Plasma-* Lichtbogens ausgesetzt und daß ein Gleichstrom von der G-assäule durch das geschmolzene Metall geleitet wird und schließlich, daß ein gerichtetes statisches Magnetfeld durch das geschmolzene Metall guer zur Richtung des durch dieses fließenden Gleichstromes angelegt wird_o

Durch eine derartige Ausgestaltung solchen Verfahrens be- ! steht der Vorteil, daß ohne weitere Maßnahmen in einem einzigen ■ Prozeß durch die auftretenden Kräfte das Metall bewegt wird und ■ daß der Schmelze durch den hohen Strom soviel Wärme zugeführt | wird, daß eine vorzeitige Erstarrung vermieden wird» Ein weite- ; rer Vorteil kann darin erblickt werden, daß zur Stromversorgung ■ lediglich Gleichstrom benötigt wird und daß die Gefahr von 7er— ■■ unreinigungen durch das Fortfallen mechanischer Hilfsmittel zum ^!

Bewegen der Schmelze vermieden wirdo

Aus wirtschaftlichen Gründen ist es wünschenswert, die Ver— i wendung mehrerer Gleichstromquellen zu vermeiden» Nach einer j Weiterbildung des Verfahrens ist es daher möglich, das Magnetfeld aus der gleichen Gleichspannungsquelle zu erzeugen, wie den Plasma-Lichtbogen«

Die Erfindung umfaßt weiterhin eine die Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens ermöglichende Vorrichtung, bei der erfindungsgemäß eine Einrichtung zur Herstellung eines Pias—j ma-Lichtbogens, der eine ionisierte Gassäule hoher Temperatur auf die Oberfläche des geschmolzenen Metalles zu· dessen Erwärmung übergreifen läßt, vorgesehen ist, wobei der Plasma-Lichtbogen außerdem einen hohen Gleichstrom im wesentlichen geradlinig durch das geschmolzene Metall fließen läßt und die eine Einrichtung zur Erzeugung eines das geschmolzene Metall in vorbestimmten quer zum Strompfad verlaufender Richtung durchsetzen den Magnetfeldes besitzt, derart, daß ein Teil des geschmolzenen

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Metalles sich in einer Richtung bewegt, die von der durch den Schnitt des Strompfades mit der Richtung des Magnetfeldes gebildeten Ebene wegführt»

Durch eine derartige Ausbildung der Vorrichtung besteht der Vorteil, daß sowohl magnetische wie auch nicht-magnetische' Metalle verarbeitet werden können und daß das Metall bei der Entgasung kontrollierbar bewegt oder umgerührt werden kann, ohne daß dazu mechanische Hilfsmittel und die damit verbundene Verunreinigungsgefahr oder ein G-asblasenstrom benötigt wird_o Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß die Verweilzeit auch von nicht-

magnetischen Metallen in der Entgasungskammer nach den Erfordernissen der Entgasung eingerichtet werden kann, da durch die zugeführte Wärme die Gefahr einer vorzeitigen Erstarrung nicht besteht ο Schließlich besitzt dies-e Ausgestaltung der Vorrichtung den Vorzug, sowohl zur kontinuierlichen Entgasung nach dem R-H Verfahren als auch zur diskontinuierlichen Entgasung von Metallschmelzen geeignet zu sein_e

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung stehen der Strompfad und die Richtung des Magnetfeldes senkrecht aufeinander.

Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß das Bewegen oder Um- ■ rühren der Schmelze mit optimalem Wirkungsgrad erfolgt„

Wie bereits ausgeführt, sind bisher bei Vorrichtungen zur Entgasung von Metallen nach dem R-H-Verfahren Einrichtungen nötig, welche das geschmolzene Metall aus dem Gießlöffel duuch das Steigrohr in die darüberbefindliche Vakuumkammer befördern» Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungs-*

emäßen Vorrichtung sind der Plasma-Lichtbogen und das das Metallbad quer zu dem von dem Plasma-Lichtbogen erzeugten Strompfad durchsetzende Magnetfeld so angeordnet, daß ein Teil des Me-

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talles in Richtung auf das Fallrohr gedrängt wird, wodurch über dem Steigrohr ein niedrigerer statischer Druck herrscht als über dem Fallrohre

Hierdurch entsteht der Vorteil, daß das flüssige Metall das in die Schmelze eintauchende Steigrohr selbsttätig hinaufsteigt, ohne weitere Hilfsmittel durch die Kammer strömt und über das Fallrohr zurück in den Gießlöffel gelangte

Mitunter ist es jedoch nicht notwendig nach einem Entgasungs» verfahren zu arbeiten, das zu seiner Durchführung die vorstehend beschriebene, etwas aufwendigere Vorrichtung benötigte Für diesen Fall steht erfindungsgemäß eine weitere Ausführungsform zur Verfügung, die so ausgebildet ist, daß das Gehäuse einen der Aufnahme geschmolzenen Metalls dienenden Gießlöffel umschließt.

Diese, wie auch die nachstehend beschriebene Ausführungsform besitzt den Vorteil, daß der apparative Aufwand geringer gehalten werden kann.

Nach dieser weiteren vorteilhaften Ausführungsform besteht die Vorrichtung aus einem Gießlöffel und einem darüber angebrachten, abnehmbaren Deckel, der einen Anschluß zur Evakuierung sowie die Plasma-Lichtbogeneinrichtung besitzt.

In der Zeichnung ist das Verfahren der erfindungsgemäßen Art anhand einer seine Durchführung ermöglichenden Vorrichtung in mehreren beispielsweise wiedergegebenen Ausführungsformen schematisoh veranschaulicht. Es zeigen

Fig. 1: Schnitt durch eine Vorrichtung zur Entgasung und Erwärmung geschmolzenen Metalles mittels eines Plasma-Lichtbogens.

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Fig, 2: Schnittdarstellung längs der Linie 2-2 von Figur 1, Fig. 3J Schnittdarstellung längs der Linie 3-3 von Figur 1,

Fig. 4: Schnitt einer Ausführungsform der Vorrichtung, bei der das Gehäuse den Gießlöffel"umschließt«

Fig. 5: Schnittdarstellung längs der Linien 5-5 von Figur 4,

Figo 6: Schnitt einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung, bei der der Gießlöffel einen abnehmbaren, dicht schließenden Deckel besitzt.

In der Zeichnung sind Teile mit gleicher oder vergleichbarer Aufgabe mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet»

Wie aus Figo 1, 2 und 3 hervorgeht, besteht die Vorrichtung im wesentlichen aus einem Gehäuse A, das die Form einer Muschel 10 besitzt und eine hohle Kammer 12 umschließt und vonweichem zwei mit dem Inneren der Kammer in Verbindung stehende Rohre 14 und 16 nach unten führen» Das Gehäuse A ist so über einem Behälter oder einem Gießlöffel 18 mit geschmolzem Metall 20 befestigt] daß die Rohre .14 und 16 in ein Bad geschmolzenen Metalles eintauchen und zwar bis zu einen Punkt unterhalb einer darauf schwimmenden Schlackenschicht 21, Sowohl die Kammer 12 und ihre Rohre 14 und 16 als auch der Gießlöffel 18 selbst sind mit geeignetem hitzebeständigem Futter 15 ausgekleidet, um sie gegen den Angriff des heißen geschmolzenen Metalls zu schützen» Der obere Teil der Kammer 12 besitzt ein Absaugrohr 22, das zu einem nichtdargesteilten, mehrstufigen Vakuumpumpsystem führt und zum Auspumpen der Kammer 12 und zur Herstellung eines verminderten Druckes in dieser im Bereich von fünf Tausendstel bis fünfhundert Tausendstel Millimeter Quecksilbersäule dient· Das Vakuum im Gehäuse A saugt das geschmolzene Metall durch beide Rohre 14 und 16 in das Innere der Kammer 12 bis zu einer vorbe-

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stimmten Höhe, welche von dem darin herrschenden Druck,dem spezifischen Gewicht des geschmolzenen Metalles und der Höhe des Gehäuses über den Gießlöffel 18 abhängte Um nun eine gerichtete Strömung zwischen den Rohren zu schaffen, wird der statische Druck über bzw₀ in den beiden Rohren verändert, so daß das geschmolzene Metall in der Steigröhre 14 aufsteigt-und durch das Rücklaufrohr 16 zurückströmt» Dieser Vorgang ist unter der Bezei'chnung R-H Vakuum—Umlauf entgasungsverfahren für die kontinuierliche Entgasung geschmolzenen Stahls bekannt»

ITach der Erfindung ist eine Plasma-Lichtbogeneinrichtung, allgemein mit B bezeichnet, in dem Gehäuse angebracht und lenkt eine heiße Gassäule auf die Oberfläche des geschmolzenen Metalls 20 in der Kammer 12 mit dem Zweck, sowohl das Metall zu erwärmen, als auch einen hohen Strom durch dieses hindurchzu— schicken» Die von dem Plasma—Lichtbogen ausgehende Hitze hält das geschmolzene Metall auf einer vorbestimmten Temperatur, um die vorzeitige Erstarrung oder Erhärtung zu verhindern, während die Oberfläche der Vakuumentgasung unterzogen wird. Der durch das geschmolzene Metall fließende Strom bewirkt darin einen magnetischen Fluß, welcher mit dem magnetischen Fluß einer ein/ Magnetfeld erzeugenden Einrichtung, allgemein als 0 bezeichnet, in Wechselwirkung tritt»

Durch bestimmte Festlegung der Richtung des Stromes, der von dem Plasma-Lichtbogen B durch die Schmelze in der Kammer 12 fließt und unter Berücksichtigung des durch den Magneten C erzeugten Magnetfeldes kann das geschmolzene Metall in eine Vorzugsrichtung bewegt werden, um die Höhe der Metallsäule über dem Rücklauf rohr 16 um einen Betrag ^h zu vergrößern· Die das Metall bewegende Kraft ist in ihrer Größe im wesentlichen durch die folgende Gleichung bestimmt:

F =? i.lo R .sinjZi .

Hierin bedeuten: " _in

909851/1269 " ~

- ίο - :

]p - die gesamte resultierende Kraft i -- der durch das Metall fließende Strom 1 - Länge des im Magnetfeld befindlichen Leiters (? - Fluidichte des Magnetfeldes ;

0 ~ der vom Magnetfeld und dem Leiter eingeschlossene I Winkele

Die Plasma-Lichtbogeneinrichtung B ist schematisch dargestellt, da sie in verschiedenen Ausführungsformen und unterschiedlichen Betriebsbedingungen benutzt werden kann und im. Rahmen dieser Erfindung keine spezielle Ausführungsform beansprucht wird. ι

Me wesentlichen Grundlagen des Betriebes sind jedoch dargestellt, um die Merkmale zu veranschaulichen» normalerweise besteht die Einrichtung B aus einem ringförmigen'Gehäuse 30, das zum Schutz gegen die hohen Betriebstemperaturen in bekannter Y/eise wassergekühlt sein kann«» Die besondere Ausführungsform nach Fig. 1 stellt eine Einrichtung zur Erzeugung eines übergesprungenen Lichtbogens dar. Eine Stabelektrode 32 ist als Kathode mit dem negativen Pol eines Generators 34 verbunden, dessen anderer Pol mit der Anode 36 in Verbindung stehen kann. Ein Gas,' wie beispielsweise Argon,wird über einen Einlaß 38 zugeführt und zwischen der Elektrode 32 und der Anode 36 entstellt ein nicht übergesprungener Lichtbogen« Ein Teil des Lichtbogens

trifft auf den Emitter 40 und heizt diesen auf Emissionstemperatur en auf. Sobald der Emitter 40 heiß genug ist, kann der Argon-Gasstrom erhöht werden, um eine Gassäule im Inneren der Kammer zu bilden. Dies wird durch einen Gasstrom unterstützt^ der sich bereits durch die Wirkung des Vakuums allein in dem geschmolzenen Metall des Steigrohres 14 entwickelt. Bun wird ein Gleichstromgenerator 42, der zwischen dem Emitter 40 und einer : Elektrode 44 im Steigrohr 14 gelegt ist, eingeschaltet, um eine " Spannungsdifferenz an die Gassäule 50 zu legen· Der G-leichstrom-j

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generator 42 wird bei etwa 50 Volt betrieben und schickt einen Strom von ca. 2 000 bis 10 000 Ampere durch die ionisierte Gassäule, durch das geschmolzene Metall und zurück zur Elektrode 44. Die Flammentemperatur der Gassäule beträgt ca. 26 000 K, und die Lichtbogenlänge kann in dem beschriebenen Vakuum 1,50 m bis 2,— m erreichen.

Die Elektrode 44 besteht, wie in Fig. 3 dargestellt, aus einer Vielzahl von Speichen 44a, 44b, 44c und 44d, vorzugsweise aus Graphit oder Stahl, die radial in das Steigrohr 14 reichen. Die Enden der Einzelelektroden schließen im wesentlichen bündig mit dem Inneren des feuerfesten Futters 15 des Steigrohres ab. Geeignete hitzebeständige Abdichtungen 46 isolieren die Elektrodenelemente elektrisch von der Stahlwandung des Steigrohres 14 des Gehäuses A und erlauben die Aufrechterhaltung des gewünschten Vakuums in dex Kammer 12 ohne Leckverluste. Durch einen hohlen Ring 48, der die äußeren Enden der -Elemente 44 umfaßt, wird Kühlwasser geschickt, um sie bei genügend niedriger Temperatur zu halten und zu verhindern, daß sie in dem geschmolzenen Metall schmelzen.

Die Plasma-Lichtbogeneinrichtung B ist in der oberen Abdeckung des Gehäuses A vorzugsweise so angebracht, daß ihre Austrittsdüse genau über dem Steigrohr 14 liegt. In Fällen, wo eine Anbringung genau über der Anode nicht möglich ist, sucht sich der Lichtbogen seine Anode selbst und beschreibt dabei einen Bogen. Elektromagnetische Ablenkung ist ebenfalls möglich. Die ionisierte Gassäule 50 hat im wesentlichen vertikale Rieh- , tung und wird durch die Radial- oder Ringform der Elektrode 44 , dann in genau vertikaler Richtung gehalten. Der durch die Gassäule und in vertikaler Richtung durch das geschmolzene Metall | fließende Gleichstrom von etwa 8 000 Ampere baut eine ringförmige Magnetfeldsäule auf, deren Feldlinien in einer vorbestimmten Richtung gepolt sind. Dieses elektromagnetische Feld wird unab-

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hängig davon aufgebaut, ob das geschmolzene Metall Stahl oder ein anderer magnetischer Werkstoff ist. »

Die damit zusammenwirkende Magnetfeldeinrichtung C besteht aus einem geeigneten geschichteten Y/eicheisenkern 52, der die Form eines "C" oder einer teilweise geschlossenen Schleife hat, j und dessen Polschuhe 54 und 56 sich in einer geringen Entfernung von dem Gehäuse A unmittelbar über dem Steigrohr 14 befin-¹ den₀ Dies veranschaulicht Figo 2₀ Bin G-leichstromgenerator 58 schickt einen hohen Strom durch die Windungen 60, so daß das _t starke, von den Polschuhen 54 und 56 ausgehende Magnetfeld den durch die Schmelze gehenden Strompfad schneidet. Geeignete nichtmagnetische rostfreie Stahlfenster 62 und 64 sind in dem muschelförmigen Gehäuse 10 so angebracht, daß der magnetische Fluß durch sie hindurch unbehindert das geschmolzene Metall :

durchsetzen kann, während die Muschel 10 aus einem magnetischen Werkstoff besteht. Ebenso kann die ganze Muschel aus einem > widerstandsfähigen nichtmagnetischen Material hergestellt sein,' so daß die Magnetfeldlinien des Magnetes C frei durch sie hin- !

durchtreten können. Die verschiedenen dargestellten Generatoren 32, 42 und 58 können Abgriffe eines einzigen Siliziumgleich— richters sein₀

Durch geeignete Anordnung der gerichteten Feldlinien des von dem Magneten 0 erzeugten Magnetfeldes sowie des Strompfades des Plasma-Lichtbogens 50 wird das in die Kammer 12 gesogene geschmolzene Metall in dichtung auf und über das Rücklauf rohr 16 bewegt. Der kleine Höhenunterschied ^h bewirkt einen Druckausgleich, durch welchen geschmolzenes Metall 20 von dem Gießlöffel 18 in das Steigrohr 14, durch die Kammer 12 und zurück durch das Rücklaufrohr 16 in den Gießlöffel strömt. Alle Teile des geschmolzenen Metalles werden hierdurch gleichmäßig dem Vakuum ausgesetzt. Die von dem Plasma-Lichtbogen B gelieferte Hitze hält die geschmolzene Masse bei einer Temperatur, welche die Erstarrung während der Entgasung verhindert.

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Während der Entgasung können durch den Aufgabetrichter 66 Legierungsstoffe oder andere passende Zusätze zugeführt werden. Nach Abschluß der Entgasung werden die Plasma-Lichtbogeneinrichtung B, der Magnet G und das Vakuum abgetrennt, wodurch das geschmolzene Metall durch beide Rohre 14 und 16 in den Gießlöffel 18 zurückfließt_o Hieran anschließend wird der Gießlöffel zu den Gießformen transportiert und der Verschlußstab wird angehoben, damit das geschmolzene Metall durch den Ausguß 70 ausfließt„

In Figo 4 und Figo 5 ist ein Gehäuse A1 dargestellt, in welches ein vollständiger Gießlöffel 72 eingebracht werden kann_e Das Gehäuse A1 kann aus einem unteren Behälterteil 74 bestehen, in das der Gießlöffel 72 abgesenkt/hermetisch durch einen Deckel 76 abgeschlossen wird oder es kann als Kammer ausgeführt werden, in die der Gießlöffel hineingerollt oder hineingeschoben wirdo Die äußere Wandung des Gießlöffel besteht vorzugsweise aus rostfreiem Stahl oder einem anderen nichtmagnetischem Metall und das feuerfeste Futter 80 ist an den unteren Ecken so ausgeführt, daß das Innere glatt und kantenfrei ist· Der Gießlöffel kann jedoch auch aus Kohlenstoffstahl bestehen, vorausgesetzt, daß in der Nachbarschaft der Polschuhe nichtmagnetis-che Gebiete vorgesehen sind, welche es ermöglichen, daß das Magnetfeld durch den Gießlöffel hindurchtritt„ Luft und andere Gase werden aus dem Gehäuse A1 über das· Absaugrohr 78, welches mit einer Mehrstufen-Vakuumeinrichtung oder einem anderen geeigneten Vakuumpumpsystem verbunden ist, abgesaugte

Eine Plasma-Lichtbogeneinrichtung B1 ist im Deckel 76 so angeordnet, daß die hiervon ausgehende Lichtbogensäule auf den Mittelpunkt des geschmolzenen Metallbades 20 gerichtet ist. Die Plasma-Kanone Bt besteht aus einer ringförmigen Düse 82 mit einer axial angeordneten Stabelektrode 84 und einer ringförmigen Anode 86 nahe ihrem unteren Ende. Über einen Einlaß

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'wird Argon in die Düse gepreßt,, Eine Stromversorgung 90 ist mit der Kathode 84 und der Anode 86 verbunden und verursacht einen nichtübergesprungenen Lichtbogen 92 zwischen diesen. Im Mittelpunkt des Bodens des Gießlöffels 72 befindet sich eine Ringanode 94, welche aus einer Reihe von vertikalen, das feuerfeste Futter 80 von unten nach oben durchdringenden Stäben besteht und vom Gehäuse isoliert ist. Wenn der Kammerinnen— druck ca. 100 mm Quecksilbersäule erreicht hat, wird ein Gleichstromgenerator 96 eingeschaltet und gleichzeitig der in die Düse gepreßte Argonstrom erhöht, wodurch eine Lichtbogensäule 100 von der Anode 86 auf das Metallbad 20 überspringt«, Eine wassergekühlte Platte 98 hält die Elektroden auf einer gemäßigten Temperatur.

Eine ein Magnetfeld erzeugende Einrichtung 0Ί enthält einen U-förmigen, geschichteten V/eiehei senke rn 102, dessen Polschuhe 104 und 106 parallel zur Ebene der Elektroden 94 stehen und eine Spule 108, welche auf den Kern gewickelt ist und mit der Gleichstromversorgung 110 über den Vorwiderstand 112 verbunden ist» Der Strom des Plasma-Lichtbogens und das Magnetfeld des Magneten C1 schneiden sich so, daß die erzeugte Kraft das geschmolzene Metall am Boden des Gießlöffels in einer horizontalen Ebene bewegt, und zwar in eine Richtung, welche mit der Richtung des Magnetflusses einen Winkel von 90 ° einschließt» Demzufolge wird das geschmolzene Metall ähnlich wie bei-einer sich bewegenden Welle umgewälzt, wodurch im oberen Teil der Fig.fjfein Kamm und im unteren Teil eine Absenkung entstehte Auf diese Weise wird das magnetische oder nichtmagnetische geschmolzene Metall im Gießlöffel fortlaufend umgewälzt, wodurch alle Teile dem entgasenden Vakuum ausgesetzt werden_e Gleichzeitig wird der Schmelze Wärme aus der Energie des Plasma-Lichtbogens 100 zugeführt.

Pig. .6 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der das' Gehäuse A2 aus einer Haube 120 für einen Gießlöffel 118 besteht„

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Luft und Gase werden über das obere Äbsaugrohr 120 abgesaugt und eine Plasma-Lichtbogeneinrichtung B1, welche in der Haube oder Abdeckung 120 angebracht ist, richtet eine ionisierte Gassäule 100 und einen hohen Strom in das Schmelzbad» In ähnlicher Weise erzeugt der Magnet G1 einen Magnetfluß, der im ^v rechten Winkel zu dem Strompfad die Schmelze durchsetzt, um die geschmolzene Masse umzuwälzen, ähnlich v/ie dies in Fig. und 5 gezeigt wurde«, Die Haube 120 kann entweder auf den Ringflansch des Gießlöffels 118 abgesenkt werden oder eine hydraulische Hebevorrichtung 126 kann den Gießlöffel 118 auf der Plattform 128 anheben.

Wie aus der oben stehenden Beschreibung hervorgeht, kann die Erhitzung, das Umrühren oder Bewegen und die Entgasung bei einem Gießlöffel und/oder bei einem kontinuierlich arbeitenden Entgasungssystem dadurch angewendet herden, daß mittels einer Gleichstrom-Plasma-Lichtbogeneinrichtung der Schmelze Wärme zugeführt und ein hoher Strom durch sie hindurch geschickt wird und daß sie dem gerichteten Magnetfluß eines Gleichstrommagneten ausgesetzt wird, wobei die Richtung des Magnetflusses mit dem Strompfad in der Schmelze einen rechten Winkel einschließt. Keinerlei mechanische Rührwerke oder Einrichtungen zur Erzeugung von Gasblasen werden benötigte Ebenso wird aus dem Vorstehenden deutlich, daß dieselben Verfahren und Vorrichtungen für Schmelzofen verwendbar sind, wobei das Metall· zur selben -Zeit geschmolzen und durch Vakuumentgasung veredelt werden kann·

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Claims

Dipl.-lng. Dipl. oec. publ. 132 82

DIETRICH IEWINSKY fVinni 196$

PATENTANWALT Jk ^Γ* ^Jun! "⁰^

t Manchen 21 - GoUhudsb. 81

frlafon 5617« 5621~IV/He_e

Pennwalt Corporation, Philadelphia 2, Three Penn Genter Plaza,

Pennsylvania, USA

Patentansprüche: _:

• Verfahren zur Veredelung von Metallen durch Einbringen des ', geschmolzenen Metalles in ein. Vakuum, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des betreffenden Metalles der ioni- ; sierten Gassäule eines Plasma -Lichtbogens ausgesetzt, und daß ein Gleichstrom von der Gassäule durch das geschmolzene Metall geleitet wird und schließlich, daß ein gerichtetes ^! statisches Magnetfeld durch das geschmolzene Metall quer zur Richtung des durch dieses fließenden Gleichstromes ange-legt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld senkrecht auf dem Strom steht_β

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld von einer Gleichstromquelle erzeugt wird«

4· Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld von der gleichen Gleichspannungsquelle erzeugt wird, wie der durch den Plasma-Lichtbogen hindurchfließende Gleichstrom«

5· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Legierungs- oder andere Zuschläge dem geschmolzenen Metall hinzugefügt werden·

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6ο Vorrichtung für die Durchführung des Verfahrens gemäß einem der vorherigen Ansprüche zum Heizen, zum Umrühren und zur Entgasung geschmolzenen Metalles mit einem Gehäuse zur Aufnahme des flüssigen Metalles und einer Vakuumeinrichtung, mit der sich das jeweilige geschmolzene Metall einem Vakuum mit einem vorbestimmten verminderten Durck aussetzen läßt, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (B oder B1) zur Herstellung eines Plasma-Lichtbogens,' der eine ionisierte Gassäule (50 j 100) hoher Temperatur auf die Oberfläche des geschmolzenen Metalles (20) zu dessen Erwärmung übergreifen läßt, und der außerdem einen hohen Gleichstrom im wesentlichen geradlinig durch das geschmolzene Metall fließen läßt, sowie durch eine Einrichtung (Kern 01) zur Erzeugung eines das geschmolzene Metall in vorbestimmter, quer zum Strompfad verlaufender Richtung durchsetzenden Magnetfeldes, derart, daß ein Teil des geschmolzenen Metalles sich in einer Richtung bewegt, die von der durch den Schnitt des Strompfades mit der Richtung des Magnetfeldes gebildeten Ebene wegführte

Ό Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Strompfad und die Richtung des Magnetfeldes aufeinander senkrecht stehenο

Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7» dadurch gekennzeichnet, daß der Strompfad im wesentlichen vertikal verläuft und der magnetische Fluß von einem gleichstromerregten Elektromagneten (102) mit parallel zum Boden des Gehäuses (72;118) verlaufendem Feld erzeugt ist»

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Fluß in dem geschmolzenen Metall nahe dem Gehäuseboden verläuft.

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10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse eine hohle Kammer (12) besitzt, von welcher zwei Rohre (14, 16) nach unten führen und das geschmolzene Metall bei Anwendung der Yakuumeinrichtung nach oben bis zu einer vorbestimmten Höhe in den oberhalb gelegenen inneren Teil der Kammer fördern, sowie dadurch, daß ein zweiter Behälter (18) mit einem Metallbad, in das beide Rohre (14, 16) eintauchen, vorgesehen ist und daß das Magnetfeld längs einer im wesentlichen senkrecht auf der von den gedachten Achsen der Rohre gebildeten Fläche stehenden Linie verläuft und schließlich, daß das geschmolzene Metall in einem Rohr höher als in dem anderen stehend, durch die hohle Kammer in dem Rohr mit dem niedrigeren statischen Druck aufsteigend und in dem anderen Rohr in den Behälter zurückströmend, umläuft.

11· Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß " die Plasma—Lichtbogeneinrichtung (B) einen übergesprungenen Lichtbogen besitzt«

12, Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine der -Elektroden (44) des übergesprungenen Lichtbogens mit dem Inneren eines der Rohre (14) verbunden ist₀

15» Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Elektrode (14) des übergesprungenen Lichtbogens aus einer Vielzahl von über, den Umfang verteilten, leitenden Elementen (44a-d), die durch die Wand des Rohres (14) hindurchgehen, besteht,

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Elektrode (44) des übergesprungenen Lichtbogens wassergekühlt ist.

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15. Vorrichtung nach Anspruch 6^ dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse einen der Aufnahme geschmolzenen Metalls dienenden Gießlöffel (72)umschließt«,

16o Vorrichtung nach Anspruch ,6» dadurch gekennzeichnet ι daß das Gehäuse (A2) aus einem Gießlöffel (118) und einem darüber angebrachten, abnehmbaren Deckel (12P) Deateht»

909851/1269