DE19629636A1

DE19629636A1 - Tiegel zum induktiven Schmelzen oder Überhitzen von Metallen, Legierungen oder anderen elektrisch leitfähigen Werkstoffen

Info

Publication number: DE19629636A1
Application number: DE19629636A
Authority: DE
Inventors: Alok Dr Choudhury; Matthias Dr Blum; Harald Scholz; Wilfried Goy
Original assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Current assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Priority date: 1996-07-23
Filing date: 1996-07-23
Publication date: 1998-01-29
Also published as: US5991328A

Description

Die Erfindung betrifft einen Tiegel zum induktiven Schmelzen oder Überhitzen von Metallen, Legierun gen oder anderen elektrisch leitfähigen Werkstof fen mit lotrecht und parallel zueinander und auf einem Kreisbogen verteilt und im Abstand zueinan der angeordneten, die Schmelze umschließende Pali saden etwa gleicher Länge und mit einem im Bereich der unteren Enden der Palisaden vorgesehenen, platten- oder ringförmigen, die Palisaden Halten den Teil, wobei die Palisaden zumindest teilweise mit Hohlräumen oder Kanälen versehen sind, die von einem Kühlmittel durchflossen sind und mit einer die Palisaden mit Abstand von außen her umschlin genden, von einem Wechselstrom durchflossenen In duktionsspule.

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 beizugeben, 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 Pallisaden 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.

Bekannt ist schließlich ein geschlitzter Tiegel (EP-A-0 169 765), bei dem die einzelne Palisaden vom Kühlmittel durchflossen sind, wobei ihr Quer schnitt rechteckig ausgebildet ist. Die einzelnen Palisaden sind gleichmäßig verteilt auf einem Kreisbogen angeordnet, wobei zwischen den Palisa den Schlitze vorgesehen sind und der Innenraum des Tiegels von einem vielflächigen, regelmäßigen, ge raden Prisma gebildet ist.

Charakteristisch beim geschlitzten Tiegel (Kaltwandtiegel) ist der Umstand, daß durch die notwendigen hohen Schmelzleistungen/Leistungs dichten und die daraus resultierenden Kräfte sich ausgeprägte Badkuppen ausbilden. Da auf Grund des Wirkprinzips des Kaltwandtiegels eine Schlitzung des mehr oder weniger zylindrischen Tiegels not wendig ist, ergeben sich an der Stelle der Schlit ze starke Störungen des Magnetfeldes, die zu Ein schnürungen bis hin zu Instabilitäten der Schmelz säule führen. Alle bekannten Ausführungsformen müssen deshalb mit hohem Aufwand eine große Pali sadenanzahl realisieren, um die Störung in den Schlitzbereichen möglichst zu vergleichmäßigen.

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. Schließlich soll dieser die Bildung einer beson ders stabilen Schmelzsäule ermöglichen und dabei Störungen des Magnetfeldes ausschließen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Palisaden des Tiegels sich lotrecht vom die Palisaden haltenden Teil aus bis nahe an ihren oberen Randbereich erstreckende Schlitze aufwei sen, die sich jeweils von der Außenfläche aus ra dial bis zur vielflächigen Innenwand des Tiegels erstrecken, wobei die einzelnen Palisaden mit Ab stand zueinander und gleichmäßig verteilt auf dem die Palisaden haltenden Teil angeordnet sind und die von allen Palisaden zusammen gebildete Innen wand ein gerades, regelmäßiges Prisma mit gleichen Parallelogrammflächen und zwei kongruenten Deck flächen bildet.

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 rein schematisch darge stellt; und zwar zeigen:

Fig. 1 einen geschlitzten Tiegel mit einer po lygonalen Innenwand, in perspektivi scher Darstellung und teilweise im Schnitt,

Fig. 2 die perspektivische Abbildung einer einzigen Palisade des Tiegels gemäß Fig. 1, vergrößert und in Teilstücken dargestellt,

Fig. 3 die Draufsicht auf einen aus insgesamt sechs Palisaden bestehenden Tiegel, und zwar in stark schematisierter Darstel lung und

Fig. 4 die perspektivische Ansicht zweier be nachbarter, in Teilstücken dargestell ter Palisaden ähnlich denjenigen nach Fig. 2.

Der Tiegel gemäß Fig. 1 besteht aus insgesamt sechzehn Palisaden 3, 3′, . . . , die als prismatische Hohlkörper ausgebildet sind und die jeweils von in Längsrichtung der Palisaden verlaufenden Kanälen 5, 5′, . . . durchzogen sind, derart, daß das im Hohl raum jeder Palisade 3, 3′, . . . vorhandene Kühlwasser in Pfeilrichtung durch diese Kanäle strömen kann. Die Hohlräume oder Kanäle 5, 5′, . . . jeder Palisade 3,3′, . . . korrespondieren entweder mit einer Kühl mittelzulauf- 11, 11′, . . . . oder einer Kühlmittel rücklauföffnung 12, 12′, . . . , die mit entsprechenden Bohrungen 13, . . . im Bodenteil 4 korrespondieren, die ihrerseits über Rohrstutzen 16, 16′, . . . bzw. 17, 17′, . . . mit (zeichnerisch nur angedeuteten) Verteilerleitungen 14 bzw. 15 verbunden sind. Wie die Fig. 1 und 2 zeigen, strömt beispielsweise bei der Palisade 3′′′ das Kühlwasser von der Ver teilerleitung 14 aus über die Rohrstutzen 16,16′ und Bohrungen 13, . . . im Bodenteil 4 und über die beiden äußeren Kühlmittelzulauföffnungen 11, 11′ in die Kanäle 5, 5′ ein und über die Kühlmittelrück lauföffnungen 12, 12′ über entsprechende Bohrungen im Bodenteil und die Rohrstutzen 17, 17′ zurück in die Verteilerleitung 15.

Jede Palisade 3, 3′, . . . ist mit beispielsweise drei Schlitzen 7a, 7b, 7c, 7a′, 7b′, 7c′, . . . versehen, die sich vom Bodenteil 4 aus bis fast zum oberen Ende der Palisade 3, 3′, . . . erstrecken. Alle Palisaden zusammen bilden einen Tiegel 10, dessen Innenwand ein vielflächiges Prisma bildet. Im in Fig. 1 beispielhaft dargestellten Fall sind es insgesamt sechzehn ebene Flächen, die die Schmelze im Tiegel seitlich umschließen.

Fig. 3 zeigt einen Tiegel in der Draufsicht, der aus insgesamt nur sechs Palisaden 3, 3′, . . . zusam mengefügt ist. Zweckmäßigerweise sind die schmalen Längsseiten der Palisaden 3, 3′, . . mit Fasen oder Abschrägungen 18′ . . . bzw. 19, . . versehen, so daß sich die Spalte 20, 20′, . . . zwischen jeweils zwei einander benachbarten Palisaden 3, 3′, . . so ausbil den lassen, daß die Spalte 20, 20′, . . . jeweils ei nen bestimmten Bereich aufweisen, in dem die Fasen der benachbarten Palisaden 3, 3′, . . . parallel zu einander verlaufen. Es ist klar, daß die Länge der Schlitze 7, 7a, 7b, . . . auch unterschiedlich bemessen sein kann′ um die Wirkung der Induktionsspule 6 auf die Schmelze im Inneren des Tiegels 10 örtlich zu begrenzen.

Nach der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe sollen insbesondere die Störstellen zwischen den Palisaden 3, 3′, . . . reduziert werden, was dadurch erreicht wird, daß die Störstelle jeweils in den Bereich einer Seitenkante des prismatischen bzw. polygonalen Innenraumes verlegt wurden, so daß sie einen größeren Abstand zur sich ausbildenden Schmelzsäule aufweisen. Dies führt dazu, daß sich während des Schmelzvorganges ein besonders gleich mäßiger Meniskus ausbildet, welcher keine bzw. ei ne sehr geringe Einschnürung aufweist.

Der beschriebene Tiegel kann besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden, indem man die einzelnen Palisaden 3, 3′, . . . aus Blechen fertigt und zu einem polygonalen Tiegel zusammenfügt. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist ein Zu schnitt aus einem soliden, starkwandigen Metall blech mit vier Längsbohrungen 5a′ bis 5d′ verse hen, die dann mittels Querbohrung 21 miteinander verbunden sind, wobei die Querbohrung 21 ab schnittsweise mit Hilfe von in die Querbohrung 21 eingelöteten Stopfen 22, 23, 24 in zwei Hohlräume oder Kammern 25, 26 aufgeteilt ist, in die die Boh rungen 5a bis 5d paarweise einmünden. Die Abbil dung zeigt im übrigen den von zwei benachbarten Palisaden 3, 3′ gebildeten Spalt oder Schlitz 20′ in vergrößerter Darstellung. Der Tiegel 10 kann eine gewisse Konizität aufweisen, damit ein Skull z. B. bei Legierungswechsel einfach gezogen werden kann. Besonders vorteilhaft ist es, wenn diese Ko nizität über die Höhe des Tiegels nicht einheit lich ist.

Um eine hohe mechanische Stabilität zu erreichen, werden die Palisaden auf dem Bodenteil 4 von einem metallischen, die Fußteile der Palisaden umschlie ßenden Ring gehalten (nicht näher dargestellt).

Um einen besonders hohen elektromagnetischen Tie gelwirkungsgrad zu realisieren, sind die Tiegelpa lisaden 3, 3′, . . . über die Höhe teilweise ge schlitzt. Für die erfindungsgemäße Tiegelausfüh rung muß jedoch darauf geachtet werden, daß die elektromagnetische Wirksamkeit dieser Zusatz schlitze 7, 7a, . . . geringer ist als die der Schlit ze 20, 20′, . . . zwischen den eigentlichen Palisaden 3, 3′, . . . Denn diese Zusatzschlitze 7, 7a, . . . liegen räumlich näher am Schmelzenmeniskus und sollen diesen nicht lokal einschnüren.

Die Höhe und Breite dieser Zusatzschlitze 7a, 7b, 7c, . . . in den Palisaden 3, 3′, . . . ist gegen über den Palisaden 20, 20′, . . . derart reduziert, daß der magnetische Widerstand größer ist, damit ein direkter Felddurchgriff von der Induktionsspu le 6 zur Schmelze weitgehend reduziert wird.

Bezugszeichenliste

3, 3′, . . . Palisade
4 Palisadenhalter, Bodenteil
5, 5′, . . . , Hohlraum, Kanal
5a, 5b, 6 Induktionsspule
7, 7a, 7b, 7c; Schlitze
7a′, 7b′, 7c′, . . .
8, 8′, . . . Außenfläche
9,9′, . . . Innenfläche
10 Tiegel
11, 11′ Kühlmittelzulauföffnung
12, 12′ Kühlmittelrücklauföffnung
13, . . . Bohrung
14 Verteilerleitung
15 Verteilerleitung
16, 16′, . . . Rohrstutzen
17, 17′, . . . Rohrstutzen
18, 18′, . . . Abschrägung, Fase
19, 19′, . . . Abschrägung, Fase
20, 20′, . . . Schlitz, Spalt
21 Querbohrung
22 Stopfen
23 Stopfen
24 Stopfen
25 Kammer
26 Kammer

Claims

1. Tiegel (10) zum induktiven Schmelzen oder Überhitzen von Metallen, Legierungen oder an deren elektrisch leitfähigen Werkstoffen mit lotrecht und parallel zueinander und auf ei nem Kreisbogen verteilt und im Abstand zuein ander angeordneten, die Schmelze umschließen den Palisaden (3, 3′, . . . ) etwa gleicher Länge und mit einem im Bereich der unteren Enden der Palisaden (3, 3′, . . . ) vorgesehenen, plat ten- oder ringförmigen, die Palisaden (3, 3′, . . . ) haltenden Teil (4), wobei die Pa lisaden (3, 3′, . . . ) zumindest teilweise mit Hohlräumen (5, 5′, . . . ) oder Kanälen versehen sind, die von einem Kühlmittel durchflossen sind und mit einer die Palisaden (3, 3′, . . . ) mit Abstand von außen her umschlingenden, von einem Wechselstrom durchflossenen Indukti onsspule (6), dadurch gekennzeichnet, daß die Palisaden (3, 3′, . . . ) sich lotrecht vom die Palisaden haltenden Teil (4) aus bis nahe an ihren oberen Randbereich erstreckende Schlit ze (7a, 7b, 7c; 7a′, 7b′, . . . ) aufweisen, die sich jeweils von der Außenfläche (8, 8′, . . . ) aus bis zur vielflächigen Innenwand (9, 9′, . . . ) des Tiegels (10) erstrecken, wobei die einzelnen Palisaden (3, 3′, 3′′, . . . ) mit Abstand zueinander und gleichmäßig verteilt auf dem die Palisaden haltenden Teil (4) an geordnet sind und die von allen Palisaden zu sammen gebildete Innenwand (9, 9′, 9′′, . . . ) ein gerades, regelmäßiges Prisma mit gleichen Parallelogrammflächen und zwei kongruenten Deckflächen umschreibt.

2. Tiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die im wesentlichen als parallele pipede, mit Längsbohrungen (5a, . . . ) versehene Metallzuschnitte ausgebildeten Palisaden (3, 3′, . . . ) an ihren schmalen Längsseiten mit Abschrägungen oder Fasen (18, . . . 19, . . . ) ver sehen sind, wobei die Fasen jeweils zweier benachbarter Palisaden einen Längsschlitz (20, . . . ) bilden.

3. Tiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Palisaden als längliche, eben flächige Körper ausgeformt sind, die jeweils von zwei Stirnflächen (Grund- und Deckfläche) begrenzt sind, die ähnlich, jedoch nicht kon gruent sind und im wesentlichen schmale Rechtecke bilden, und die als gleichschenkli ge Trapezflächen ausgeformten Seitenflächen begrenzen, wobei alle Palisaden zusammen ei nen vieleckigen, pyramidenstumpfförmigen Tie gelinnenraum einschließen.

4. Tiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Palisaden als flache, lange, nach oben hin sich verjüngende Zuschnitte ausgeformt sind und zusammen einen etwa re gelmäßigen, pyramidenstumpfförmigen Tiegelin nenraum ausbilden.

5. Tiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Palisaden als flache, lange, nach oben hin sich verbreiternde Zuschnitte ausgeformt sind und zusammen einen sich etwa kelchförmigen, nach oben hin erweiternden Tiegelinnenraum ausbilden.

6. Tiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Palisaden als im wesentlichen flache, lange, sich nach beiden Enden zu ver jüngende Zuschnitte ausgeformt sind und zu sammen einen etwa faßförmigen Tiegelinnenraum ausbilden.

7. Tiegel nach einem oder mehreren der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (20, 20′, . . . ) zwischen den ein zelnen Palisaden (3, 3′, . . . ) breiter bemessen sind als die Schlitze (7a, 7b, 7c, . . . ) in den einzelnen Palisaden, wobei für den magneti schen Fluß (Φ) sich etwa das Verhältnis Φ_{Schlitz zwischen den Palisaden}<Φ_Schlitz<Φ_{Schlitz in Palisadenmitte} und für die Flußdichte (B) multipliziert mit der Fläche (A) zwischen Schlitz und Palisade B × A ergibt, wobei A proportional r² ist.