DE19625008A1

DE19625008A1 - Tiegel zum induktiven Schmelzen oder Überhitzen von Metallen, Legierungen oder anderen elektrisch leitfähigen Werkstoffen

Info

Publication number: DE19625008A1
Application number: DE1996125008
Authority: DE
Inventors: Alok Dr Choudhury; Felix Mueller
Original assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Current assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Priority date: 1996-06-22
Filing date: 1996-06-22
Publication date: 1998-01-02

Description

Die Erfindung betrifft einen Tiegel zum induktiven Schmelzen oder Überhitzen von Metallen, Legierun gen oder anderen elektrisch leitfähigen Werkstof fen mit drei lotrecht und parallel zueinander und auf einem Kreisbogen verteilt und im Abstand zu einander angeordneten, die Schmelze umschließende Palisaden gleicher Länge und mit einem im Bereich des Tiegelbodens vorgesehenen, platten- oder ring förmigen, die Palisaden tragenden Teil, wobei die Palisaden zumindest teilweise mit Hohlräumen ver sehen sind, die von einem Kühlmittel durchflossen sind und mit einer die Palisaden mit Abstand von außen her umschlingenden, von einem Wechselstrom durchflossenen 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 Q 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 der Energieeintrag in die Schmelze dem aufzuschmelzenden Material anpaßbar ist. Außerdem sollen die Herstellkosten verringert und die Lichtbogenbildung ausgeschlossen werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die von jeweils zwei benachbarten Palisaden gebildeten Spalte unterschiedlich lang bemessen sind, wobei die oberen Enden der jeweils den kür zeren Spalten benachbarten Palisaden im oberen Randbereich zu geschlossenen Randpartien zusammen gefügt oder einstückig ausgebildet sind.

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 der an hängenden Zeichnung dargestellt, die einen Tiegel nach der Erfindung rein schematisch in perspekti vischer Ansicht zeigt.

Der Tiegel besteht aus insgesamt acht Palisaden 3 bis 10, die als prismatische Hohlkörper ausgebil det sind und die jeweils von einem in Längs richtung der Palisaden angeordneten Rohr 11 bis 18 durchsetzt sind, derart, daß das erwärmte, im Hohlraum jeder Palisade vorhandene, Kühlwasser durch diese Rohre nach unten zu abströmen kann.

Der Hohlraum jeder Palisade 3 bis 10 korrespon diert außerdem mit einem Kühlmittelzulauf, der von insgesamt vier Rohren 19, 20, 21, 22 gebildet ist. Während den beiden Zulaufrohren 19, 20 jeweils di rekt eine einzige Palisade 4 bzw. 8 zugeordnet ist, sind die Palisaden 3, 9, 10 zusammen mit ei nem Zulaufrohr 21 und die Palisaden 5, 6, 7 zusam men mit einem weiteren Zulaufrohr 22 verbunden, wobei die Palisaden 3, 9, 10 bzw. 5, 6, 7 jeder dieser beiden Palisaden-Gruppen jeweils über ein Paar Verbindungsstutzen 23, 24 untereinander ver bunden sind (der besseren Übersichtlichkeit wegen ist in der Zeichnung nur das eine Paar Verbin dungsstutzen dargestellt). Wie die Zeichnung zeigt, sind die Zulauf- und Ablaufanschlüsse 22, 25 der hinteren Gruppe von Palisaden 5, 6, 7 nach unten zu herausgezogen dargestellt, wobei deutlich erkennbar ist, daß neben einem einzigen Zulaufrohr 22 für die Palisade 6 drei Ablaufrohre 25, 26, 27 vorgesehen sind, von denen jedes einer Palisade 5, 6, 7 zugeordnet ist. Bei der in der Zeichnung vorn dargestellten Anordnung der Palisadengruppe 3, 9, 10 sind die Ablaufrohre 28, 29, 30 miteinander verbunden, so daß das abströmende Kühlmittel über das Rohr 30 der Rückkühlung zugeführt wird.

Da alle Palisaden 3 bis 10 auf einer (nur teilwei se dargestellten) Isolatorplatte 33 befestigt sind und alle Kühlwasserablaufrohre Metallrohre sind, ergeben sich insgesamt vier verschiedene elektri sche Stromkreise I bis IV. Wie die Zeichnung au ßerdem zeigt, sind die Palisaden 3 bis 10 von ei ner Induktionsspule 2 umschlossen, die im Schnitt dargestellt ist und deren Wirkungsweise und Aus führung im einzelnen nicht näher beschrieben wer den muß, da diese dem Fachmann gut bekannt ist.

Im Gegensatz zu den bekannten Vorrichtungen bietet der vorstehend beschriebene Tiegel den Vorteil, einerseits auf isolierendes Schlackenmaterial ver zichten zu können, und andererseits im Einflußbe reich des Magnetfeldes am Tiegelumfang keinen ge schlossenen Stromweg zu besitzen da nicht alle Pa lisaden elektrisch leitend verbunden sind.

Bei dem im Vorstehenden beschriebenen Tiegel sind nur bestimmte Palisaden miteinander elektrisch leitend verbunden, ohne daß die Nachteile eines komplett geschlossenen Kurzschlußringes in Kauf zu nehmen sind. Die gegenseitige Stabilisierung der elektrisch miteinander verbundenen Palisaden er höht die Festigkeit eines Tiegelsegmentsystems er heblich und verlängert damit die Standzeit dieser Aggregate.

Wie die Zeichnung zeigt, sind die Palisaden der beiden Palisadengruppen 3, 9, 10 bzw. 5, 6, 7 jeweils über ihre oberen Partien fest miteinander verbun den, so daß die zwischen den Palisaden 3, 9, 10 bzw. 5, 6, 7 gebildeten Spalte 34, 35 bzw. 36, 37 jeweils nicht bis zur oberen Kante des Tiegels reichen. Die Spalte 34, 35, 36, 37 sind darüber hinaus ver schieden lang bemessen bzw. weisen die Längen l₁, l₂, l₃, l₄ auf, so daß der Energieeintrag im Be reich der oberen Partien der beiden Palisadengrup pen 3, 9, 10 bzw. 5, 6, 7 verschieden groß ist.

Eine besondere Beanspruchung erfahren Tiegelpali saden ohne zusätzliche Stabilisierung, wenn die Schmelze über sie hinweg fließt, beispielsweise bei Kipptiegeln. Die vorliegende Erfindung erlaubt hier die teilweise Verbindung einzelner bzw. der besonders beanspruchten Tiegelsegmente. Einzelne Palisaden werden durch die elektrisch leitende Verbindung zu Palisadengruppen. Feldtheoretisch bewirkt jeder Spalt oder jede Lücke zwischen den einzelnen Palisaden eine Erhöhung der in der Schmelze umgesetzten Leistung.

Der vorliegende Tiegel ermöglicht es, nur an dem Ort eine unwesentliche Feldschwächung in Kauf zu nehmen, an dem die Palisaden besonderen mechani schen Beanspruchungen ausgesetzt sind. In dem Be reich, wo keine Verbindung der Palisaden besteht, kann das Magnetfeld nahezu ungeschwächt in die leitfähige Charge eingekoppelt werden. Die zum Schmelzen oder Überhitzen notwendige Heizleistung wird in diesen Bereichen weiterhin (nahezu) unge schwächt in das zu erwärmende Material einge bracht.

Wie die Zeichnung weiterhin zeigt, sind die ein zelnen Palisaden 3 bis 10 als prismatische Hohl körper ausgebildet. Diese Bauweise hat im wesent lichen den Vorteil geringerer Herstellungskosten. Die Palisadengruppen 3, 9, 10 bzw. 5, 6, 7 können je weils aus mehreren Einzelpalisaden zusammengesetzt sein, beispielsweise miteinander verschweißt oder verschraubt sein; sie können aber auch aus Gußtei len hergestellt werden, in die Schlitze oder Spal te 34, 35, 36, 37 hineingesägt oder gefräßt werden.

Bezugszeichenliste

2 Induktionsspule
3 Palisade
4 Palisade
5 Palisade
6 Palisade
7 Palisade
8 Palisade
9 Palisade
10 Palisade
11 Kühlmittel-Rücklaufrohr
12 Kühlmittel-Rücklaufrohr
13 Kühlmittel-Rücklaufrohr
14 Kühlmittel-Rücklaufrohr
15 Kühlmittel-Rücklaufrohr
16 Kühlmittel-Rücklaufrohr
17 Kühlmittel-Rücklaufrohr
18 Kühlmittel-Rücklaufrohr
19 Kühlmittel-Zulaufrohr
20 Kühlmittel-Zulaufrohr
21 Kühlmittel-Zulaufrohr
22 Kühlmittel-Zulaufrohr
23 Verbindungs-Stutzen
24 Verbindungs-Stutzen
25 Kühlmittel-Rücklaufrohr
26 Kühlmittel-Rücklaufrohr
27 Kühlmittel-Rücklaufrohr
28 Kühlmittel-Rücklaufrohr
29 Kühlmittel-Rücklaufrohr
30 Kühlmittel-Rücklaufrohr
31 Kühlmittel-Rücklaufrohr
32 Kühlmittel-Rücklaufrohr
33 Bodenteil, Isolierstück
34 Spalt
35 Spalt
36 Spalt
37 Spalt

Claims

1. Tiegel zum induktiven Schmelzen oder Überhit zen von Metallen, Legierungen oder anderen elektrisch leitfähigen Werkstoffen mit lot recht und parallel zueinander und auf einem Kreisbogen verteilt und im Abstand zueinander angeordneten, die Schmelze umschließenden Pa lisaden (3 bis 10) gleicher Länge und mit ei nem im Bereich des Tiegelbodens vorgesehenen, platten- oder ringförmigen, die Palisaden tragenden Teil (33), wobei die Palisaden (3 bis 10) zumindest teilweise mit Hohlräumen versehen sind, die von einem Kühlmittel durchflossen sind und mit einer die Palisaden mit Abstand von außen her umschlingenden, von einem Wechselstrom durchflossenen Indukti onsspule (2), dadurch gekennzeichnet, daß die von jeweils zwei benachbarten Palisaden ge bildeten Spalte oder Schlitze (34 bis 37) un terschiedlich lang (l₁ bis l₄) bemessen sind, wobei die oberen Enden der jeweils den kürze ren Spalten oder Schlitzen benachbarten Pali saden (3, 9, 10 bzw. 5, 6, 7) im oberen Randbe reich zu geschlossenen Randpartien zusammen gefügt oder hier einstückig ausgebildet sind.

2. Tiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Spaltbreite zwischen den einzel nen Palisaden mindestens so bemessen ist, daß entsprechend dem Isolationsmedium oder unter Vakuum kein nennenswerter Strom über die Sei tenflächen von Palisade zu Palisade fließt.

3. Tiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Schmelz- oder Behandlungsprozeß luftoffen, unter Schutzgasatmosphäre oder bei Unterdruck durchgeführt wird.

4. Tiegel nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Spalte je weils zweier benachbarter, über ihre oberen Enden miteinander verbundenen Palisaden von einer ersten Palisade aus betrachtet in Tie gelumfangsrichtung bis zur letzten Palisade in gleichmäßigen Schritten zu oder abnimmt.

5. Tiegel nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Spalte je weils zweier benachbarter, über ihre oberen Enden miteinander verbundener Palisaden ab wechselnd größer und kleiner bemessen sind.

6. Tiegel nach einem oder mehreren der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Palisaden (3 bis 10) als prismatische Hohlkörper ausgebildet und ihre die Außenflä che des Targets bildenden Wandpartien als plane Flächen ausgebildet sind, die zusammen ein Hohlprisma mit polygonaler Grund- und Deckfläche bilden.

7. Tiegel nach einem oder mehreren der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die der den Tiegel umschlingenden Indukti onsspule zugekehrten Außenflächen als plane Flächen ausgeformt sind und der Tiegel die Konfiguration eines regelmäßigen, im wesent lichen hohlen Prismas mit polygonaler Grund- und Deckfläche aufweist.

8. Tiegel nach einem oder mehreren der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fußteile oder unteren Enden der Palisaden einzeln oder gruppenweise über Segmente oder Riegel elektrisch leitend miteinander verbun den sind.