DE19738682B4

DE19738682B4 - Schmelzbehälter

Info

Publication number: DE19738682B4
Application number: DE1997138682
Authority: DE
Inventors: Felix Müller; Franz Hugo
Original assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Current assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Priority date: 1997-09-04
Filing date: 1997-09-04
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2017-09-05
Also published as: DE19738682A1

Abstract

Schmelzbehälter mit einem in einem Durchlass seines Bodens angeordneten Auslauf, welcher einen aus einzelnen fluidgekühlten Metallsegmenten gebildeten Trichter hat, der zur induktiven Beheizung von einer mit Wechselstrom beaufschlagbaren Spule umgeben ist und bei dem die Metallsegmente an ihrer oberen Seite einen gemeinsamen Metallring bilden, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzbehälter (1) aus Keramik besteht, dass in dem Durchlass (3) des Schmelzbehälters (1) ein Keramikeinsatz (5) angeordnet ist, welcher aus einem unmittelbar in dem Durchlass (3) sitzenden Keramikring (6) und einem gegen diesen Keramikring (6) anliegenden Dauereinsatz (7) aus Keramik besteht, und dass die Metallsegmente (11) mit ihrem Metallring (10) lösbar in dem Dauereinsatz (7) gehalten sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schmelzbehälter mit einem in einem Durchlass seines Bodens angeordneten Auslauf, welcher einen aus einzelnen fluidgekühlten Metallsegmenten gebildeten Trichter hat, der zur induktiven Beheizung von einer mit Wechselstrom beaufschlagbaren Spule umgeben ist und bei dem die Metallsegmente an ihrer oberen Seite einen gemeinsamen Metallring bilden.

Ein Schmelzbehälter mit einem solchen Auslauf ist beispielsweise in der DE 40 11 392 A1 beschrieben. Dabei handelt es sich bei dem Schmelzbehälter um einen metallischen Behälter, was ausdrücklich in der Schrift gesagt ist. Der Energieabfluss der Metallschmelze über die wassergekühlten Metallsegmente wird durch induktive Beheizung ausgeglichen. Hierzu ist ein sehr hoher Energieaufwand erforderlich. Will man den ausfließenden Metallstrahl stoppen, so braucht man nur die Spulen der Induktionsheizung zu deaktivieren. Durch anschließendes Aktivieren der Induktionsheizung lässt sich das Auslaufen des Schmelzbehälters wieder in Gang setzen.

Zum Stand der Technik ist auch die EP 0 047 431 A1 zu nennen: Diese Schrift zeigt eine Pfanne zur Aufnahme von geschmolzenem Material, in deren Boden ein auswechselbarer Zapfenstein mit Hilfe eines Ringes fixiert ist. Durch den Zapfenstein fließt die Schmelze ab und wird in der darunterliegenden Granulationskammer zerstäubt.

Für nicht reaktive Metallschmelzen und für Metallschmelzen, in denen geringe Keramikanteile nicht stören, setzt man in der Regel keramische Schmelzbehälter oder Schmelzbehälter mit einer keramischen Auskleidung ein. Den Aus lauf für die Metallschmelze erzeugt man in solchen Fällen ebenfalls aus keramischen Werkstoffen. Hierdurch wird der unerwünscht hohe Energieabfluss vermieden. Als nachteilig hat es sich jedoch herausgestellt, dass während des Betriebs Metall in das Keramik penetriert und die Standzeit des keramischen Materials dadurch stark begrenzt. Vor allem bei höheren, häufig wechselnden und hohen Betriebs temperaturen ergibt sich eine wesentlich geringere Lebensdauer des Auslaufs gegenüber dem keramischen Schmelzbehälter. Die kürzere Lebensdauer des Auslaufs macht es erforderlich, die Anlage stillzusetzen und den Auslauf auszuwechseln. Ein weiterer Nachteil dieser Systeme ist, dass der Wärmeverlust durch die Keramik von dem durchfließenden Metall ausgeglichen werden muss, weil das Metall während des Durchflusses durch den Auslauf abkühlt. Deshalb muss das Metall in dem keramischen Vorratsgefäß auf eine Temperatur oberhalb der Temperatur am Austritt aus dem Auslauf erhitzt werden. Dieser Vorgang ist in hohem Maße ineffizient, da dazu zum einen enorme Energiemengen benötigt werden und zum anderen aufgrund der hohen Temperaturen die Lebensdauer der keramischen Auskleidung des Vorratsgefäßes reduziert wird. Weiterhin muss der Massenstrom durch den Auslauf in der Regel mehr als 11 kg/min betragen, da sonst die Schmelze im Auslauf erstarrt und der Produktionsvorgang abgebrochen werden muss. Weiterhin hat eine höhere Temperatur im Schmelzstrahl Vorteile bei der Weiterverarbeitung des Schmelzstrahles, wie z.B. Gießen, Zerstäuben etc. zur Folge. Bei einem Auslauf mit Metallsegmenten konnte eine Überhitzung des Metallstrahles 70°C über Liquidustemperatur bei einer Schmelzrate von 15 Kg/min beobachtet werden, d. h. mit einem Auslauf mit Metallsegmenten kann sowohl die Standzeit des Auslaufes als auch durch geringere Betriebstemperatur die Standzeit des keramischen Vorratsgefäßes erhöht werden. Ein Ersatz des keramischen Auslaufs durch einen Auslauf mit Metallsegmenten hat man bislang nicht in Erwägung gezogen, weil solche Ausläufe für keramische Schmelzbehälter, die gegenüber Schmelzbehältern aus Metall eine relativ geringe Lebensdauer haben, zu teuer sind und die dauerhafte Verbindung des Kupferteiles mit der Keramik noch nicht gelöst wurde.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Schmelzbehälter mit einem Auslauf so zu gestalten, dass er möglichst kostengünstig herstellbar ist und sein Auslauf nicht die Standzeit des Schmelzbehälters begrenzt.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Schmelzbehälter aus Keramik besteht, dass in dem Durchlass des Schmelzbehälters ein Keramikeinsatz angeordnet ist, welcher aus einem unmittelbar in dem Durchlass sitzenden Keramikring und einem gegen diesen Keramikring anliegenden Dauereinsatz aus Keramik besteht, und dass die Metallsegmente mit ihrem Metallring lösbar in dem Dauereinsatz gehalten sind.

Durch einen solchen Keramikring und einen den Metallring mit den Metallsegmenten haltenden Dauereinsatz wird erreicht, dass bei Erneuerung des Keramikgefäßes der Dauereinsatz mit dem die Metallsegmente haltenden Metallring erhalten bleibt. Da nur der Keramikring und der Schmelzbehälter beziehungsweise seine keramische Auskleidung Verschleißteile bilden, können diese erneuert werden, ohne dass dabei die Anordnung mit den Metallsegmenten erneuert werden muss. Gegenüber einem Schmelzbehälter mit keramischem Auslauf aus Keramik ergibt sich eine Erhöhung der Produktivität durch Minimierung der Stillstandzeit der Anlage. Da der keramische Schmelzbehälter gegenüber einem metallischen Schmelzbehälter Wärme schlecht leitet, kommt es infolge der induktiven Beheizung des Auslaufs nicht zu einer unerwünschten Aufheizung des Schmelzbehälters. Das führt zu einer höheren Lebensdauer der Keramik des Schmelzbehälters und zu einer besseren Energieeffizienz durch geringere Temperaturen im Schmelzbehälter. Weiterhin lässt sich durch die Begrenzung des Aufheizens des Metallstrahles auf den Bereich des Auslaufs die Auslauftemperatur genauer regeln, wodurch der Massenfluss des auslaufenden Metallstrahls bes ser zu regeln und eine erhöhte Ausbringung zu erreichen ist.

Da Keramik ein geringeres spezifisches Gewicht hat als Metall, wirken auf den Keramikring relativ hohe Auftriebskräfte, welche die Tendenz haben, den Keramikring in dem Durchlass nach oben zu bewegen, so dass er auf der Metallschmelze aufschwimmen will. Das kann man auf einfache Weise verhindern, indem gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung der Keramikring an seiner dem Schmelzbehälter abgewandten Seite einen größeren Durchmesser hat als behälterinnenseitig.

Der Schmelzbehälter zentriert sich bei der Montage zwangsläufig auf dem Keramikring, welcher mit dem Dauereinsatz gehäusefest abgestützt ist, wenn gemäß einer anderen Weiterbildung der Durchlass im Boden des Schmelzbehälters sich nach unten hin mit einer konischen Mantelfläche erweitert und der Keramikring mit einer entsprechenden konischen Außenmantelfläche gegen die Mantelfläche des Durchlasses anliegt.

Wenn man auf den Effekt des Zentrierens verzichten will, dann kann man jedoch auch vorsehen, dass der Durchlass an seiner Unterseite eine Durchmessererweiterung aufweist und der Keramikring an seiner Unterseite einen in diese Durchmessererweiterung eingreifenden Flansch hat.

Konstruktiv besonders einfach sind die Mittel zum Befestigen des Metallringes im Dauereinsatz gestaltet, wenn der Dauereinsatz in seiner Innenmantelfläche zur Halterung des Metallringes eine umlaufende Nut hat und zum Aufschieben auf den Metallring vertikal in zumindest zwei Ringabschnitte aufgeteilt ist.

Bei größeren Strahlquerschnitten ist ein Stoppen des Strahls allein durch Deaktivierung der induktiven Beheizung des Auslaufs nicht möglich. In solchen Fällen kann man vorsehen, dass an der Unterseite des Trichters ein von Streben des gemeinsamen Metallringes gehaltener Absperrschieber angeordnet ist. Ein solcher Absperrschieber ermöglicht es, den Metallstrahl zu stoppen, indem er unter die Auslauföffnung gefahren wird. Anschließend kann man die induktive Beheizung deaktivieren, so dass der Metallstrahl im Auslauf erstarrt. Ein Öffnen des Absperrschiebers wird danach möglich, wenn man zuvor die induktive Beheizung wieder aktiviert.

Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon stark schematisch dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Die Zeichnung zeigt in
1 einen senkrechten Schnitt durch einen unteren Bereich eines Schmelzbehälters mit Auslauf gemäß der Erfindung,
2 eine Draufsicht auf einen Dauereinsatz des Schmelzbehälters,
3 einen gegenüber 1 im Maßstab vergrößerten Bereich des Auslaufs,
4 eine gegenüber den 1 und 2 geänderte Ausführungsform eines Bauteils des Auslaufs.
Die 1 zeigt einen unteren Bereich eines Schmelzbehälters 1 aus Keramik. Dieser hat einen Boden 2 mit einem Durchlass 3, welcher eine sich nach unten hin im Querschnitt erweiternde konische Mantelfläche 4 hat. Mit dieser konischen Mantelfläche 4 sitzt der Schmelzbehälter 1 auf einem Keramikeinsatz 5, der einen Keramikring 6 und einen Dauereinsatz 7 hat. Der Keramikring 6 hat eine konische Außenmantelfläche 8, mit der er gegen die Mantelfläche 4 des Durchlasses 3 anliegt. Der Dauereinsatz 7 ist gehäusefest abgestützt und wird entweder durch Schrauben zum Schmelzbehälter 1 hin vorgespannt oder aber der Schmelzbehälter 1 stützt sich aufgrund seines Gewichtes auf dem Keramikeinsatz 5 ab.
Der Dauereinsatz 7 hat innenseitig eine umlaufende Nut 9, in welche ein Metallring 10 mit seiner Peripherie greift. Dieser Metallring 10 verbindet Metallsegmente 11 miteinander, welche zusammen einen Trichter 12 bilden, durch den das flüssige Metall aus dem Schmelzbehälter 1 ausläuft. Die Metallsegmente 11 sind wie bei solchen Ausläufen üblich fluidgekühlt und von einer Spule 13 umgeben, die eine induktive Beheizung darstellt. Die 1 lässt zusätzlich einen Absperrschieber 14 erkennen, mit dem man den Trichter 12 an seiner Unterseite absperren kann.
Die 2 zeigt, dass der Dauereinsatz 7 durch eine vertikale Teilung 15 in zwei Ringabschnitte 16, 17 unterteilt ist. Dadurch wird es möglich, diese Ringabschnitte 16, 17 über den Rand des Metallrings 10 zu schieben und dann den Dauereinsatz 7 in den Keramikring 6 einzusetzen.
Die 3 lässt erkennen, dass der Metallring 10 mehrere nach unten gerichtete Streben 18 hat, welche den Absperrschieber 14 halten und führen.
Bei der in 4 gezeigten Ausführungsform hat der Boden 2 des Schmelzbehälters 1 an seiner Unterseite eine Durchmessererweiterung 19, in die der Keramikring 6 mit einem Flansch 20 greift.

1: Schmelzbehälter
2: Boden
3: Durchlass
4: Mantelfläche
5: Keramikeinsatz
6: Keramikring
7: Dauereinsatz
8: Außenmantelfläche
9: Nut
10: Metallring
11: Metallsegmente
12: Trichter
13: Spule
14: Absperrschieber
15: Teilung
16: Ringabschnitt
17: Ringabschnitt
18: Strebe
19: Durchmessererweiterung
20: Flansch

Claims

Schmelzbehälter mit einem in einem Durchlass seines Bodens angeordneten Auslauf, welcher einen aus einzelnen fluidgekühlten Metallsegmenten gebildeten Trichter hat, der zur induktiven Beheizung von einer mit Wechselstrom beaufschlagbaren Spule umgeben ist und bei dem die Metallsegmente an ihrer oberen Seite einen gemeinsamen Metallring bilden, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzbehälter (1) aus Keramik besteht, dass in dem Durchlass (3) des Schmelzbehälters (1) ein Keramikeinsatz (5) angeordnet ist, welcher aus einem unmittelbar in dem Durchlass (3) sitzenden Keramikring (6) und einem gegen diesen Keramikring (6) anliegenden Dauereinsatz (7) aus Keramik besteht, und dass die Metallsegmente (11) mit ihrem Metallring (10) lösbar in dem Dauereinsatz (7) gehalten sind.
Schmelzbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikring (6) an seiner dem Schmelzbehälter (1) abgewandten Seite einen größeren Durchmesser hat als behälterinnenseitig.
Schmelzbehälter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchlass (3) im Boden (2) des Schmelzbehälters (1) sich nach unten hin mit einer konischen Mantelfläche (4) erweitert und der Keramikring (6) mit einer entsprechenden konischen Außenmantelfläche (8) gegen die Mantelfläche (4) des Durchlasses (3) anliegt.
Schmelzbehälter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchlass (3) an seiner Unterseite eine Durchmessererweiterung (19) aufweist und der Keramikring (6) an seiner Unterseite einen in diese Durchmessererweiterung (19) eingreifenden Flansch (20) hat.
Schmelzbehälter nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dauereinsatz (7) in seiner Innenmantelfläche zur Halterung des Metallringes (10) eine umlaufende Nut (9) hat und zum Aufschieben auf den Metallring (10) vertikal in zumindest zwei Ringabschnitte (16, 17) aufgeteilt ist.
Schmelzbehälter nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Unterseite des Trichters (12) ein von Streben (18) des gemeinsamen Metallringes (10) gehaltener Absperrschieber (14) angeordnet ist.