DE19622884A1

DE19622884A1 - Tiegel zum induktiven Schmelzen oder Überhitzen von Metallen, Legierungen oder anderen elektrisch leitfähigen Werkstoffen

Info

Publication number: DE19622884A1
Application number: DE19622884A
Authority: DE
Inventors: Matthias Dr Blum; Wilfried Goy; Franz Hugo; Karlheinz Hock
Original assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Current assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Priority date: 1996-06-07
Filing date: 1996-06-07
Publication date: 1997-12-11
Also published as: GB2313902B; GB2313902A; US5677926A; GB9711517D0

Description

Die Erfindung betrifft einen Tiegel zum induktiven Schmelzen oder Überhitzen von Metallen, Legierun gen oder anderen elektrisch leitfähigen Werkstof fen mit einer Vielzahl lotrecht und parallel zu einander und auf einem Kreisbogen verteilt und im Abstand zueinander angeordneten, die Schmelze um schließenden Palisaden und mit einem den Boden des Tiegels bildenden, kreisscheibenförmigen, die Pa lisaden tragenden Teil, wobei die Palisaden zumin dest teilweise mit Hohlräumen versehen sind, die von einem Kühlmittel durchflossen sind und mit ei ner die Palisaden mit Abstand von außen her um schlingenden, von einem Wechselstrom durchflosse nen Induktionsspule.

Bekannt ist ein Verfahren zum Schmelzen schwer schmelzbarer Metalle, insbesondere von Tantal, Wolfram, Thorium oder Legierungen dieser Metalle in einem wassergekühlten Behälter (DE 5 18 499), wobei der Behälter aus Stoffen von niedrigerem Schmelzpunkt als das Schmelzgut besteht, z. B. aus Quarzglas, Kupfer oder Silber und die Zuführung der zum Schmelzen erforderlichen Energie sowie die Kühlung des Behälters derart erfolgt, daß ein restloses Einschmelzen des Schmelzguts ohne Verun reinigungen durch das Tiegelmaterial bewirkt wird. Der Tiegel selbst ist mit Hilfe einer Indukti onsspule beheizbar, wobei ein umlaufender Tiegel strom dadurch verhindert wird, daß er aus einzel nen Segmenten zusammengesetzt ist, die gegeneinan der durch eine isolierende Schicht, z. B. aus Glim mer, getrennt sind.

Bekannt ist auch ein Hochfrequenz-Induktions-Tiegel, der aus einer Vielzahl von Palisaden ge bildet ist, die alle auf einer kreisscheibenförmi gen lotrecht und zusammen einen Hohlzylinder bil denden Bodenplatte angeordnet sind (US 3 461 215). Die strom- und wärmeleitenden Palisaden sind sämt lich von Kühlwasser durchströmt und von einer In duktionsspule umschlungen. Die Bodenplatte aus ei nem keramischen Werkstoff ist mit einem Verschluß versehen, über die die Schmelze abgezogen werden kann. Zwischen den Palisaden sind Streifen aus Isoliermaterial eingelegt.

Weiterhin ist auch ein Tiegel zum schlackelosen Schmelzen hochreiner reaktiver Metalle in einer Vakuumkammer bekannt (EP 0 276 544), bei dem die zueinander von der Induktionsspule umschlungenen Palisaden von Kühlwasser durchströmt sind und fest mit einer kreisscheibenförmigen Bodenplatte ver schraubt sind, wobei die rohrförmigen Palisaden einerseits durch Schlitze voneinander getrennt sind und andererseits sämtlich über die aus Metall gebildete Bodenplatte in elektrisch leitender Ver bindung miteinander stehen.

Die bekannten Tiegel haben den Nachteil, daß sie einen vergleichsweise schlechten thermischen Wir kungsgrad aufweisen. So wurde versucht, isolieren des Material der Schmelze bei zugeben, um den Wär meverlust durch die gekühlten Palisaden zu redu zieren, was aber wiederum zu einer, wenn auch ge ringen Kontaminierung der Schmelze führte (Schippereit u. a.). Diese Verunreinigung des Schmelzmaterials ist jedoch bei vielen modernen Applikationen unerwünscht, so daß dieses Verfahren von der Industrie nur bedingt angenommen wird.

Auch die Anordnung und Gestaltung der Palisaden selbst sowie deren elektrische Verbindung mitein ander oder deren Isolation voneinander, waren be reits Gegenstand zahlreicher Untersuchungen. Die US 3 223 519 beschreibt beispielsweise voneinander isolierte Tiegelsegmente, wohingegen beim Tiegel nach dem EP 0 276 544 die Palisaden in einem ge wissen Abstand voneinander angeordnet und mitein ander elektrisch leitend verbunden sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu grunde, einen Tiegel des in Frage stehenden Typs zu schaffen, der ohne isolierendes Schlackemateri al auskommt und bei dem die Energieverluste ver ringert sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Platte mit einer der Anzahl der Palisaden entsprechenden Anzahl von den unteren Stirn- oder Fußflächen der Palisaden angepaßten Aufstandsflä chen versehen ist, wobei in Umfangsrichtung be trachtet jede zweite dieser Aufstandsflächen mit einer elektrisch isolierende Folie belegt ist, und wobei die Platte im Bereich jeder Aufstandsfläche Paare von Bohrungen aufweist, die mit den Hohlräu men in den Palisaden korrespondieren, wobei je weils eine der beiden Bohrungen in der Platte mit einer Kühlmittelkammer und die andere der beiden Bohrungen mit einer von einem topfförmigen Tiegel bodenstück des Tiegels gebildeten Kammer verbunden ist, wobei alle Palisaden zusammen von einem Ring aus elektrisch isolierendem Werkstoff umgriffen sind, der die Palisaden auf der Platte hält.

Weitere Merkmale und Einzelheiten sind in den Pa tentansprüche näher gekennzeichnet und beschrie ben.

Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausfüh rungsmöglichkeiten zu; eine davon ist in den an hängenden Zeichnungen dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 den Längsschnitt durch den Tiegel nach der Erfindung,

Fig. 2 die die Palisade tragende Platte in der Draufsicht,

Fig. 3 den Schnitt durch die Platte nach Fig. 2,

Fig. 4 und 5 Einzelheiten der Platte nach den Fig. 2 und 3 in stark vergrößerter Darstel lung.

Der Tiegel besteht aus einer Vielzahl von einzel nen, aus elektrisch leitfähigem Werkstoff gefer tigten Palisaden 3, 3′, . . . gleicher Konfiguration, die sämtlich lotrecht auf einer horizontal ausge richteten Bodenplatte 4, die ebenfalls aus leitfä higem Material besteht, stehen und die jeweils mit zwei Längsbohrungen 5, 6 bzw. 5′, 6′ bzw. 5′′, 6′′ usw. versehen sind. Jede Palisade ist jeweils mit Abstand zur jeweils benachbarten Palisade angeord net, so daß ein elektrischer Kontakt über ihre lotrechten Seitenflächen ausgeschlossen ist. Die unteren Stirn- oder Fußflächen der Palisaden 3, 3′, . . . ruhen jeweils auf der kreisringförmigen Bodenplatte 4, deren Oberseite (wie dies Fig. 2 zeigt) in eine der Anzahl der Palisaden entspre chende Anzahl von kreisringabschnittförmigen Auf standsflächen 4a, 4a′, . . . bzw. 4b, 4b′, . . . aufge teilt ist (bei der dargestellten Ausführungsform sind insgesamt 18 Aufstandsflächen 4a, 4b, . . . vor gesehen), wobei in Umfangsrichtung betrachtet je weils die zweite Aufstandsfläche 4a, 4a′, 4a′′, . . . geringfügig gegenüber der unmittelbar benachbarten Aufstandsfläche 4b, 4b′, 4b′′, . . . in der Bodenplatte vertieft vorgesehen ist. Auf die vertieften Auf standsflächen 4a, 4a′, 4a′′, . . . sind jeweils Folien zuschnitte 7, 7′, 7′′, . . . aus einem elektrisch iso lierenden Werkstoff aufgelegt, so daß die Obersei ten der jeweils benachbarten Aufstandsflächen in derselben Ebene liegen. Jede der Aufstandsflächen 4a, 4a′, . . . bzw. 4b, 4b′, . . . weist zwei lotrecht verlaufende Bohrungen 8, 8′, 8′′, . . . bzw. 9, 9′, 9′′, . . . auf, von denen jeweils die eine Boh rung 9, 9′, . . . über eine Hülse 10, 10′, . . . mit einer ersten Kühlmittelkammer 1 in Verbindung steht und jeweils die andere Bohrung 8, 8′, . . . über eine in der Bodenplatte 4 radial verlaufende Bohrung 12, 12′, . . . in die von einem topfförmigen Tiegelbo denstück 13 und einem pilzförmigen Kühlmittelleit stück 15 gebildete Ringkammer 17 einmündet, die ihrerseits über den zentralen Kanal 23 mit der Kühlmittelleitung 16 verbunden ist. Alle Palisaden 3, 3′, . . sind von einem mit der Tiegelhalteplatte 19 verschraubten Isolierring 18 umschlossen, der sie in ihrer lotrechten Stellung fixiert und fest auf die Bodenplatte 4 preßt. Um sicher zu stellen, daß die Bohrungen 5, 5′, . . . bzw. 6, 6′, . . . in den Pa lisaden 3, 3′, . . . eine dichte und druckfeste Ver bindung mit den Bohrungen 8, 8′, . . . bzw. 9, 9′, . . . aufweisen, sind jeweils Dichtringe 20, 20′, . . . zwi schen den unteren Stirnflächen der einzelnen Pali saden 3, 3′, . . . und dem Bodenstück 4 eingelegt. Das Tiegelbodenstück 13 ist topfförmig ausgebildet und ist mit einem Flansch 13′ versehen, der seiner seits fest mit der Bodenplatte 4 und dem Bodenteil 15′ des Kühlmittelstücks 15 verschraubt ist. Um einen ausreichenden Energieeintrag von der die Pa lisaden 3, 3′, . . . umgreifenden Induktionsspule 20 aus in die Schmelze, insbesondere in den unteren Teil der Schmelze, zu bewirken, weist das topfför mige Tiegelbodenstück 13 einen umlaufenden Rand 13′′ auf, der sich bis an die Innenflächen der Pa lisaden 3, 3′, . . . erstreckt und mit einer Vielzahl von sich radial erstreckenden Schlitzen 21 verse hen ist, die gleichmäßig auf dem Umfang des Randes 13′′ verteilt angeordnet sind, wobei ihre Anzahl der Anzahl der Palisaden (18 Stück) entspricht. Die Schlitze verlaufen im übrigen lotrecht und fluchten mit den Spalten, die die Palisaden 3, 3′, . . . miteinander bilden. Es sei noch erwähnt, daß die einander zugekehrten Seitenwände der Pali saden, d. h. die die Schlitze zwischen sich bilden den Seitenwände mit elektrisch isolierte Schichten versehen, z. B. mit Aluminiumoxid (Al₂O₃)beschichtet sind. Entsprechend sind auch die korrespondieren den Schlitze 21, 21′, . . . am umlaufenden Rand 13′′ mit elektrisch isolierendem Werkstoff überzogen. Die Bohrungen 5, 5′, . . . bzw. 6, 6′, . . . in den ein zelnen Palisaden sind jeweils an ihrem oberen Ende paarweise miteinander durch Querbohrungen 22, 22′, . . . verbunden, so daß das durch die eine Bohrung aufwärts strömende Kühlmittel jeweils über die parallele Nebenbohrung in derselben Palisade 3, 3′, . . . zurückströmen kann. Um eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Innenflächen der Palisaden 3, 3′, . . . einerseits und dem Tiegelboden stück 13 im Bereich des Kragens 13′′ auszuschlie ßen, ist zwischen den Palisaden und dem Kragen 13′′ eine elektrisch isolierende Folie 24 einge legt.

Bezugszeichenliste

3, 3′, . . ., 3 ^x Palisade
4 Bodenplatte
4a, 4a′, . . ., 4a^x Aufstandsfläche
4b, 4b′, . . ., 4b^x Aufstandsfläche
5, 5′, . . ., 5 ^x Längsbohrung
6, 6′, . . ., 6 ^x Längsbohrung
7, 7′, . . ., 7 ^x Isolierfolie
8, 8′, . . ., 8 ^x Bohrung
9, 9′, . . ., 9 ^x Bohrung
10, 10′, . . ., 10 ^x Hülse
11 Kühlmittelkammer
12, 12′, . . ., 12 ^x Querbohrung
13 Tiegelbodenstück
13′ unterer Rand des Tiegelbodenstücks
13′′ oberer Kragen des Tiegelbodenstücks
14 Ringkammer
15 Kühlmittelleitstück
15′ Fußteil des Kühlmittelleitstücks
16 Kühlmittelleitung
17 Kühlmittelleitung
18 Isolierring
19 Tiegelhalteplatte
20 Induktionsspule
21, 21, . . . Schlitz
22, 22′, . . . Querbohrung
23 zentraler Kanal
24 elektrisch isolierende Folie
25 konkave Ausbuchtung, Vertiefung

Claims

1. Tiegel zum induktiven Schmelzen oder Überhit zen von Metallen, Legierungen oder anderen elektrisch leitfähigen Werkstoffen mit einer Vielzahl von lotrecht und parallel zueinander und auf einem Kreisbogen verteilt und im Ab stand zueinander angeordneten, die Schmelze umschließenden Palisaden (3, 3′, . . .) und mit einer kreisscheibenförmigen, die Palisade (3, 3′, . . .) tragenden Platte (4), wobei die Palisaden zumindest teilweise mit Hohlräumen versehen sind, die von einem Kühlmittel durchflossen sind und mit einer die Palisaden (3, 3′, . . .) mit Abstand von außen her um schlingenden, von einem Wechselstrom durch flossenen Induktionsspule (20), dadurch ge kennzeichnet, daß die Platte (4) mit einer der Anzahl der Palisaden (3, 3′, . . .) entspre chenden Anzahl von den unteren Stirn- oder Fußflächen der Palisaden (3, 3′, . . .) angepaßten Aufstandsflächen (4a, 4a′, . . . bzw. 4b, 4b′, . . .) versehen ist, wobei in Umfangsrichtung be trachtet jede zweite dieser Aufstandsflächen (4a, 4a′, . . .) mit einer elektrisch isolieren den Folie (7, 7′, . . .) belegt ist, und wobei die Platte (4) im Bereich jeder Aufstandsflä che (4a, 4a′, . . . und 4b, 4b′, . . .) Paare von Bohrungen (8, 8′, . . ., 9, 9′, . . .) aufweist, die mit den Hohlräumen (5, 5′, . . ., 6, 6′, . . .) in den Palisaden (3, 3′, . . .) korrespondieren, wo bei jeweils eine der beiden Bohrungen (9, 9′, . . .) in der Platte (4) mit einer ersten Kühlmittelkammer (11) und die andere der bei den Bohrungen (8, 8′, . . .) mit einer von einem topfförmigen Tiegelbodenstück (13) des Tie gels gebildeten zweiten Kammer (14) verbunden ist, wobei alle Palisaden (3, 3′, . . .) zusammen von einem Ring (18) aus elektrisch isolieren dem Werkstoff umgriffen sind, der die Palisa den (3, 3′, . . .) auf der Platte (4) hält.

2. Tiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das topfartig ausgeformte Tiegelbo denstück (13) mit seinem sich radial nach au ßen zu erstreckenden Flansch (13′) am offenen Teil des Tiegelbodenstücks (13) fest mit der Platte (4) verbunden ist, wobei das Tiegelbo denstück (13) zusätzlich mit einem umlaufen den Kragen (13′′) im Bereich der Bodenpartie versehen ist, der mit einer der Anzahl der Palisaden (3, 3′, . . .) entsprechenden Anzahl von radialen Schlitzen (21, 21′, . . .) versehen ist, die mit den von den Palisaden (3, 3′, . . .) gebildeten Spalten korrespondieren.

3. Tiegel nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Tiegelbodenstück (13) topfförmig ausgebildet ist, wobei die auf der offenen Seite umlaufende Randpartie zu einem sich radial nach außen zu erstreckenden Flansch (13′) erweitert ist, mit dem das Tie gelbodenstück (13) auf der Platte (4) auf liegt, und wobei das Tiegelbodenstück (13) im Bereich seiner den Boden bildenden Partie zu einem sich radial nach außen zu erstreckenden Kragen (13′′) erweitert ist, und wobei die zentrale, der Schmelze zugekehrte Partie (Z) des Bodens eine konkave Ausbuchtung oder Ver tiefung (25) aufweist und der diese zentrale Partie (Z) umschließende kreisringförmige Be reich kegelig ausgeformt ist.

4. Tiegel nach den vorherigen Ansprüchen, ge kennzeichnet durch ein Kühlmittelleitstück (15) mit einem etwa kreisscheibenförmigen, mit der Bodenplatte (4) fest verbundenen Fuß teil (15′) und einem vom Fußteil (15′) aus sich lotrecht nach oben zu erstreckenden pilz- oder schirmartig ausgeformten Oberteil (15′′), das sich bis kurz vor die Bodenpartie des Tiegelbodenstücks (13) erstreckt und mit einem zentralen Kanal (23), der mit einer Kühlmittelleitung (16) korrespondiert, verse hen ist.

5. Tiegel nach einem oder mehreren der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der der Schmelze zugekehrte Boden des topfförmigen Tiegelbodenstücks (13) in eine etwa zylindrische, die Seitenwand bildende Partie übergeht, deren Außendurchmesser (D) geringer bemessen ist als der Innendurchmes ser (L) des Tiegels, wobei das Tiegelboden stück (13) im Bereich des Übergangs vom Boden zur Seitenwand mit einem Kragen (13′′) verse hen ist, der sich bis an die Innenwand des Tiegels erstreckt, die ihrerseits von hier aus bis zur Platte (4) einen verjüngten Durchmesser (M) besitzt.

6. Tiegel nach einem oder mehreren der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die den Tiegel umschließende Induktionsspule (20) sich in Richtung auf die Platte (4) zu mindestens bis in die Ebene erstreckt, in der auch der mit radialen Schlitzen versehene obere Kragen (13′′) des topfförmigen Tiegel bodenstücks (13) angeordnet ist.

7. Tiegel nach einem oder mehreren der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Palisaden (3, 3′, . . .) gebildeten und/oder die im oberen Kragen (13′′) vorgese henen Schlitze (21, 21′, . . .) mit einem Iso lierwerkstoff, beispielsweise einer Keramik oder Kunststoffmasse, ausgefüllt sind.

8. Tiegel nach einem oder mehreren der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Palisaden (3, 3′, . . .) auf ihrer Außenflä che von einem Gewebe aus elektrisch isolie renden Fasern und/oder von einem Kunststoffilm umschlossen sind.

9. Tiegel nach einem oder mehreren der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Umfangsrichtung gesehen die Breite jeder Aufstandsfläche (4a, 4a′, . . . bzw. 4b, 4b′, . . .) geringfügig größer bemessen ist als die Brei te der zugeordneten Palisade.

10. Tiegel nach einem oder mehreren der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Tiegelbodenstück (13) eine etwa topfförmige Konfiguration aufweist und mit seinem of fenen Rand der Platte (4) zugekehrt, mit die ser fest verbunden ist, wobei die den Boden bildende Partie kegelig ausgeformt und die Kegelspitze der Schmelze zugekehrt ist und an ihrem zulaufenden Abschnitt abgeflacht ist oder hier mit einer kalottenförmigen Vertie fung (25) versehen ist.