DE19831388A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Werkstücken oder Blöcken aus schmelzbaren Materialien - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Werkstücken oder Blöcken aus schmelzbaren MaterialienInfo
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
- B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
- B22D27/04—Influencing the temperature of the metal, e.g. by heating or cooling the mould
- B22D27/045—Directionally solidified castings
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Werkstücken
oder Blöcken aus schmelzbaren Materialien, bei dem flüssiges Ausgangsmaterial in
einer Gießform unter Einsatz einer Kühleinrichtung gerichtet erstarrt wird.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung von Werkstücken
oder Blöcken aus schmelzbaren Materialien mit einer Gießform, die mittels einer Hei
zeinrichtung beheizbar ist, und wobei dem Boden der Gießform eine Kühleinrichtung
zugeordnet ist.
Unter den Begriff "schmelzbare Materialien", wie er hier verwendet wird, sind Mate
rialien aus Keramik, einschließlich Saphire, Rubine, Spinelle, usw., Metalle, Metall-
Legierungen, oder aus der Gruppe der Halbleiter mit orientierter, multikristalliner oder
einkristalliner Struktur zu subsummieren.
Mit solchen Verfahren, die die Erfindung betreffen, sowie den entsprechenden Vor
richtungen wird das Ausgangsmaterial entweder in flüssiger Phase einer Gießform
zugeführt oder in der Gießform aufgeschmolzen und danach in der Gießform gerich
tet erstarrt.
Eine solche Art der Erstarrungsführung ist in unterschiedlichen Ausführungsformen
bekannt. Gemäß einem Verfahren bzw. einer entsprechenden Vorrichtung, beschrie
ben in der GB-A-2 279 585, wird die Gießform mit der Schmelze nach unten aus ei
nem Heizofen herausgezogen. Damit wird erreicht, daß die Erstarrungsfront von un
ten nach oben fortschreitet. Bei langen Bauteilen und bei Materialien mit geringer
Wärmeleitfähigkeit wird der Einfluß einer eingesetzten Kühlplatte bereits nach weni
gen Zentimetern unbedeutend. Danach erfolgt die Wärmeabfuhr im wesentlichen
seitlich über die Kokillenoberfläche, wodurch die Einstellung einer möglichst ebenen
Phasengrenze zwischen dem bereits erstarrten und schmelzflüssigen Material in der
Praxis nicht erreicht wird. Zum Herstellen großflächiger, gerichtet erstarrter Blöcke ist
dieses Verfahren ungeeignet, da bei großen Querschnitten die Wärmeleitwege aus
dem Zentrum des Blockes an die wärmeabführende seitliche Oberfläche zu lang
werden und damit keine ebenen Phasengrenzen in Verbindung mit ausreichend ho
hen Temperaturgradienten erreichbar sind.
Ritsua Kawamura et al zeigen im Technical Digest of the International PVSEC-9,
Miyazaki, Japan, 1996 in "Recent Progress in Electromagnetic Casting for Polycry
stalline Silicon Ingots", daß die Phasengrenze zwischen festem und flüssigem Silizi
um stark konkav ausgeprägt ist. Man erreicht mit diesem Verfahren keine parallelen
Stengelkristallstrukturen. Die maximale Blockgröße wird mit 22 cm × 22 cm
beschrieben.
Größere, gerichtet erstarrte Siliziumblöcke werden nach dem Stand der Technik n
Blöcken von 66 cm × 66 cm und einer Höhe von 2,5 cm im HEM-Verfahren (Heat-
Exchanger-Method) hergestellt. Im HEM-Verfahren wird nach dem Stand der Tech
nik die notwendige Energie zur Aufrechterhaltung der Erstarrungsgeschwindigkeit und
des Temperaturgradienten über einen zentralen Bereich des Kokillenbodens abge
führt. Bei konstanter Temperatur des oberhalb der Schmelzoberfläche angeordneten
Heizers bestimmt hierbei im wesentlichen der Wärmeübergangskoeffizient zwischen
Kokillenboden und Kühlplatte den abfließenden Wärmestrom und damit die Wachs
tumsgeschwindigkeit des kristallinen Blockes.
Der vorliegenden Erfindung liegt, ausgehend von dem vorstehend beschriebenen
Stand der Technik, die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung mit
den eingangs angegebenen Merkmalen derart weiterzubilden, daß die Erstarrung
der Schmelze definiert geführt und wobei zur Einleitung der Kühlphase kontinuierlich
von der Heizphase zu der Kühlphase übergegangen werden kann. Weiterhin sollen
die Vorrichtung und das Verfahren in Bezug auf diese definiert geführte Erstarrung
die Möglichkeit einer breiten Variation mit konstruktiv einfachen Mitteln bieten.
Gelöst wird die Aufgabe bei dem eingangs angegebenen Verfahren dadurch, daß
zur definierten Führung der Erstarrungsfront während der Abkühlung des geschmol
zenen Materials in einen dem Boden der Gießform zugeordneten Körper eine
Kühlstruktur mit mindestens einem Wärmeleitkörper in mindestens eine zugeordnete
Ausnehmung von der Unterseite her in den Körper eingeführt wird.
Vorrichtungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die eingangs angegebene
Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß die Kühleinrichtung eine Kühlstruktur
mit mindestens einem Wärmeleitkörper umfaßt, der in mindestens eine zugeordnete
Ausnehmung in einem dem Boden zugeordneten Körper mittels eines Verschiebe
mechanismus von der Unterseite her in den Körper einführbar ist.
Mit dem angegebenen Verfahren sowie der angegebenen Vorrichtung kann eine Er
starrung des flüssigen, in die Gießform eingefüllten Ausgangsmaterials definiert vom
Boden der Gießform aus beginnend geführt werden, indem der Wärmeleitkörper in
unterschiedlichen Stellungen in der Ausnehmung des dem Boden der Gießform zu
geordneten Körpers geführt wird. Durch Nachstellung des mindestens einen Wärme
leitkörpers in der mindestens einen, diesem zugeordneten Ausnehmung kann die
Wärmeübertragung und damit die Kühlleistung definiert eingestellt und auch verän
dert werden. Weiterhin ist es möglich, durch eine entsprechende Geometrie des
Wärmeleitkörpers und der diesem zugeordneten Ausnehmung die Erstarrungsfront,
die sich vom Boden nach oben hin bewegt, zu beeinflussen. Je nach Anzahl der
Wärmeleitkörper und der zugeordneten Ausnehmung der eingesetzten Kühlstruktur
können Kristallisationsgeschwindigkeiten von 0,2 mm/min bis 2 mm/min erreicht wer
den mit Kühlleistungen im Bereich von 10 bis 150 k/W pro m2.
Um zusätzlich zu der Verstellung der Wärmeleitkörper in den zugeordneten Ausneh
mungen die abzuführende Wärmemenge pro Zeiteinheit zu verändern, kann es von
Vorteil sein, um die Kühlstruktur herum eine Gasatmosphäre aufrechtzuerhalten, de
ren Druck geändert werden kann. Durch Absenken des Gasdrucks auf einige mbar
kann dann die Leistungsdichte feinfühliger geregelt werden. Darüberhinaus sollte in
einem solchen Fall um die Wärmeleitköper herum eine Gasatmosphäre aus Argon
aufrechterhalten werden, wobei ständig mit einem solchen Gas gespült wird, da ge
rade mit Argon zusätzliche Verunreinigungen aus dem Heizraum entfernt werden
können.
Wie bereits erwähnt wurde, kann die Kühlstruktur mehrere Wärmeleitkörper umfas
sen, die in Schlitzen und/oder Sacklochbohrungen in dem Körper, der dem Boden
der Gießform zugeordnet ist, einführbar sind. Als Wärmeleitkörper bieten sich hierbei
Platten, Bolzen und/oder Stäbe an, die darüberhinaus mit unterschiedlichen Quer
schnittsgeometrien aufgebaut werden können. In einer besonders hervorzuheben
den Ausführungsform wird unterhalb des Bodens der Gießform eine Heizeinrichtung
angeordnet derart, daß der oder die Wärmeleitkörper durch die Heizeinrichtung in
den Körper, der der Unterseite des Bodens zugeordnet ist, im eingeführten Zustand
diese Heizeinrichtung durchdringen. Mit einer solchen Anordnung kann der Über
gang zwischen Aufheizung und Kühlung der Gießform nicht nur über die Einführung
der Wärmeleitkörper in die Ausnehmung(en) hinein bestimmt werden, sondern auch
durch zusätzliche Regelung der Heizeinrichtung, da es auch für die Aufrechterhal
tung der flüssigen Phase des Ausgangsmaterials wesentlich ist, den Boden der
Gießform zu beheizen. Die Heizeinrichtung kann hierbei in einer Trageplatte ange
ordnet werden, die dem Boden der Gießform zugeordnet ist und von der die Gieß
form getragen wird. Die Tragplatte wird dann mit Bohrungen oder Ausnehmungen
versehen, die dazu dienen, die insgesamt zur Wärmeübertragung zur Verfügung ste
hende Außenfläche in einem weiteren Bereich zu ändern, als dies allein über die
Grundfläche des Bodens der Gießform möglich wäre.
Bevorzugte Abmessungen solcher Wärmeleitkörper liegen bei einem Durchmesser
bzw. einer Dicke und/oder Breite von 5 mm bis 20 mm, vorzugsweise von 10 mm bis
14 mm. Die jeweils zwischen benachbarten Ausnehmungen verbleibende Stegbreite
sollte darüberhinaus im Körper, in den die Wärmeleitkörper hineingefahren werden,
zwischen 5 und 20 mm betragen. Weiterhin sollte die eingeführte Tiefe des Wärme
leitkörpers in den Körper mindestens 20 mm betragen, um die Kühlleistung in ausrei
chenden Bereichen einstellen zu können. Die einzelnen Wärmeleitkörper können
hierbei allerdings eine wesentlich größere Länge aufweisen, als sie der Eindringtiefe
von 50 mm entspricht, d. h. die Höhe der Wärmeleitkörper kann zwischen 100 und
150 mm, vorzugsweise etwa 130 mm, betragen.
Im einfachsten Fall werden die Wärmeleitkörper als runde Stifte ausgeführt. Aus Sta
bilitätsgründen sollte der Durchmesser eines solchen Wärmeleitkörpers in der Aus
führung als runder Bolzen nicht kleiner 10 mm gewählt werden. Das Verhältnis zwi
schen der wirksamen Tauschfläche und der ebenen Fläche ist jedoch bei einer ver
bleibenden Stegbreite von 10 mm im Bolzendurchmesserbereich zwischen 10 und
20 mm nahezu unabhängig von dem gewählten Bolzendurchmesser. Um die Kühllei
stung zusätzlich zu erhöhen, können die einzelnen Wärmeleitkörper im Querschnitt
gesehen eine kreuz- oder sternförmige Form aufweisen. Solche Wärmeleitkörper tre
ten dann in Ausnehmungen des dem Boden der Gießform zugeordneten Körpers mit
einer daran angepaßten Querschnittsform ein, so daß jeweils große Flächen, sowohl
in den Ausnehmungen als auch an den Kühlkörpern, zur Verfügung gestellt werden.
Um einen möglichst großen Bereich von Kühlleistungen zu haben, innerhalb dessen
die Kühlleistung variiert werden kann, sollte das Verhältnis der Summe der Quer
schnittsflächen der Wärmeleitkörper zu der Summe der Querschnittsflächen der
Ausnehmungen zwischen 1,5 : 1 und 5,5 : 1 betragen. Hieraus ergeben sich mögli
che Kühlleistungen von etwa 10 bis 150 kW/m2.
Die Verschiebung der Wärmeleitkörper in den Ausnehmungen des Körpers, der dem
Boden der Gießform zugeordnet ist, kann technisch leicht durch einen Hubmecha
nismus realisiert werden. Mit einem Hub von 50 mm und einem Wärmeleitkörper aus
Kupfer mit einem Durchmesser von 12 mm und einer wirksamen Wärmeleitkörperhö
he von 130 mm und einem Bohrungsabstand von 26 mm und einem
Bohrungsdurchmesser von 14 mm kann der Wärmeübergangskoeffizient bei 1000
mbar Argonatmosphäre zwischen Tragplatte und Wärmeleitkörper bei einer Tragplat
tentemperatur von 1400°C von 10 W/(m2 × K) bis etwa 240/(m2 × K) eingestellt wer
den. Diese Werte entsprechen etwa 1400 bis 1500 Wärmeleitkörper pro
Quadratmeter.
Der Wärmeverlust durch die Wärmedämmung wird durch das kleine Verhältnis von
Durchmesser zu Bohrungslänge vernachlässigbar, so daß bei zurückgezogener
Kühlstruktur die Wärmeverluste durch die offene Durchdringung vertretbar sind.
Weiterhin ist es möglich, durch Absenken des Gasdrucks auf einige mbar die abge
führte Leistungsdichte noch feinfühliger zu regeln. Hierzu kann die gesamte
Kühlstruktur in einer hinsichtlich des Drucks veränderbaren Kammer angeordnet
werden. Für eine effektive Wärmeabfuhr ist es besonders günstig, wenn der Körper
ein integraler Teil des Bodens der Gießform ist und darüberhinaus dieser Boden
noch strukturiert ist, beispielsweise mit Erhöhungen und Vertiefungen, wobei in die
Erhöhungen des Bodens der Gießform von unten die jeweiligen Wärmeleitkörper in
entsprechenden Bohrungen hineingefahren oder herausgezogen werden können.
Wie bereits vorstehend erwähnt ist, ermöglicht die erfindungsgemäße Anordnung die
Einstellung eines Wärmeprofils direkt über der Kokillen- bzw. Gießformbodenfläche.
Über diese besondere Ausgestaltung des Bodens der Kokille bzw. der Gießform
kann, im Bereich der Vertiefungen, von der Bodenfläche aus gesehen, die Stengel
kristallgröße beeinflußt werden. Die tiefsten Punkte dieser einzelnen Vertiefungen
werden so zu den entsprechenden Wärmeleitkörpern ausgerichtet, daß die Kristalli
sation an den tiefsten (kältesten) Punkten des Kokillenbodens beginnt. Damit kann
bewußt zum Erreichen bestimmter Zielsetzungen, zum Beispiel zur Einleitung einer
thermischen Konvektion, eine leicht planare oder leicht konvex gekrümmte Phasen
grenze zwischen festem und flüssigem Material eingestellt werden. Untersuchungen
haben gezeigt, daß speziell mit der Zielsetzung der Reinigung beim gerichteten Er
starren eine leicht gekrümmte Phasengrenzfläche von Vorteil ist.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgen
den Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeich
nung zeigt
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine Schmelzvorrichtung gemäß
der Erfindung, wobei die Kühlstruktur mit aus den Ausnehmungen heraus
gefahrenen Wärmeleitkörpern dargestellt ist,
Fig. 2 die Anordnung der Fig. 1, allerdings mit in den Ausnehmungen eingeführ
ten Wärmeleitkörpern,
Fig. 3A bis 3C drei verschiedene mögliche Querschnittsformen der Wärmeleit
körper, wie sie in der Anordnung der Fig. 1 und 2 eingesetzt werden
können, und
Fig. 4 einen schematischen Aufbau einer Anordnung, bei der die Wärmeleitkörper
in Ausnehmungen, die direkt im Boden der Gießform gebildet sind, ver
schiebbar sind, wobei zusätzlich der Boden der Gießform strukturiert ist.
Wie die Fig. 1 und 2 zeigen, umfaßt die Schmelzvorrichtung einen Ofen mit einer
oberen Ofenkammer 1a und einer unteren Ofenkammer 1b, in die eine Gießform
bzw. Kokille 15, auf der Außenseite mit einer Wärmeisolation 2 versehen, mit geeig
neten Stützen 7 gehalten ist. Die Wärmeisolation 2 ist mit einer seitlichen Wärme
dämmung 14, einer unteren Wärmedämmung 16 und einer oberen Wärmedämmung
20 versehen, so daß die Kokille allseitig von dieser Wärmeisolation 2 umgeben ist.
Die obere Ofenkammer 1a ist an der unteren Ofenkammer 1b mit Flanschverbindun
gen 12, im Bereich derer eine Dichtung 12a eingefügt ist, verbunden, so daß die
Ofenkammer 1a, 1b durch Abnehmen der oberen Ofenkammer 1a geöffnet und wie
der dicht verschlossen werden kann. Unterhalb des Bodens 19 der Kokille 15 ist eine
untere Heizeinrichtung 3 angeordnet. Weiterhin ist oberhalb der Kokille eine obere
Heizeinrichtung 4 vorgesehen. Die beiden Heizeinrichtungen 3 und 4 werden über
jeweilige Stromzuführungen 5 und 6 elektrisch versorgt, um die jeweilige Heizlei
stung 3, 4 einstellen zu können. Der Raum zwischen der oberen und unteren Ofen
kammer 1a und 1b und der Kokille 15 bzw. der diese umgebenden Wärmeisolation 2
kann über einen Evakuierungsstutzen 11 evakuiert werden, um den Druck innerhalb
dieser Kammer 1a, 1b zu verändern.
Wie vorstehend erwähnt ist, ist die Kokille 15 bzw. zusammen mit der Wärmeisolati
on 2 so auf Stützen 7 gehalten, daß zwischen dem Boden der unteren Ofenkammer
1b und dem Boden der Kokille 15 ein ausreichender Freiraum verbleibt. In diesem
Bereich, d. h. unterhalb des Bodens der Kokille 15, ist eine Kühlstruktur 26 angeord
net, die eine Kühlplatte 9 umfaßt, von der einzelne, zueinander beabstandete Wär
meleitkörper 10 vorstehen. Diesen einzelnen Wärmeleitkörpern 10 sind Ausnehmun
gen 17 zugeordnet, die sowohl durch die untere Wärmedämmung 16 als auch durch
die Tragplatte 13, auf der die Kokille 15 mit ihrem Boden aufsteht, hindurchführen.
Weiterhin sind diese Ausnehmungen 17 in Bezug auf die untere Heizeinrichtung 3,
die im Bereich der Kokillentragplatte 13 angeordnet ist, so gelegt, daß sie zwischen
einzelnen Wendeln der Heizeinrichtung 3 hindurchführen und in die Kokillentragplat
te 13 in Form von Sacklöchern 13a hineinreichen.
Die Kühlplatte 9 ist mit einem Hubstempel 8 so gehalten, daß sie damit in Richtung
des Pfeils 27 in Fig. 1 nach oben verschoben werden kann, so daß dadurch die
einzelnen Wärmeleitkörper 10 in die zugeordneten Ausnehmungen 17 eingeführt
werden können. Der Hubstempel 8 besitzt weiterhin eine Kühlwasserzu- und Abfüh
rung 18, um die Kühlplatte 9, die einen entsprechenden Hohlraum 28 für das Kühl
medium aufweist, zwangsgekühlt werden kann.
Um ein Werkstück oder einen Block aus einem schmelzbaren Material herzustellen,
wird das aufgeschmolzene, flüssige Material in die auf Schmelztemperatur vorge
heizte Gießform bzw. Kokille 15 eingegossen bzw. in der Kokille aufgeschmolzen.
Danach wird die Eingießöffnung verschlossen, beispielsweise in Form eines auf die
Kokille 15 aufgesetzten Deckels, und die Schmelze wird für eine vorgegebene Zeit
belassen, um Verunreinigungen zu flotieren oder zu sedimentieren. Danach wird die
untere Heizeinrichtung 3 abgeschaltet und die Kühlstruktur 26 bzw. die dieser zuge
ordneten Wärmeleitkörper 10 mit fest vorgegebener Geschwindigkeit in die Aufneh
mungen 17 in der unteren Wärmedämmung 16 und der Kokillentragplatte 13 einge
schoben. Alternativ zu einer vorgegebenen Geschwindigkeit kann eine Positionsre
gelung der jeweiligen Stellung der Kühlstruktur 26 in den Ausnehmungen 17 bzw.
der Sacklöcher 13a in der Kokillentragplatte 13 in Abhängigkeit der abzuführenden
Kühlleistung vorgenommen werden. Während dieser Kühlung mittels der Kühlstruk
tur 26 wird ständig über die Kühlmittel-Zufuhr- und Abführstutzen 18 Kühlmittel der
Kühlplatte 9 zugeführt. Über den Evakuierungsstutzen 11 kann bei Bedarf die Ofen
kammer evakuiert werden, was immer dann erforderlich oder von Vorteil ist, wenn
oxidationsempfindliche Materialien eingesetzt werden.
Die Fig. 2 zeigt nun die Anordnung der Fig. 1 mit in die Kokillentragplatte 13 voll
ständig eingefahrenen Wärmeleitkörpern 10 der Kühlstruktur 26. In dieser Stellung
ist die untere Heizeinrichtung 3 ausgeschaltet und die obere Heizeinrichtung 4 wird
weiterhin betrieben und auf eine Temperatur eingestellt bzw. geregelt, die die Ober
fläche der Schmelze 21 weiterhin oberhalb des Schmelzpunkts hält: Der zum Kristal
lisieren notwendige Wärmeabfluß erfolgt über den bereits erstarrten Teil des Blocks
23 und den Kokillenboden und von dort auf die Kokillentragplatte 13. Von der Kokil
lentragplatte 13 fließt die Wärme über den Spalt zwischen den Bohrungen/Ausneh
mungen 17, 13a und den Wärmeleitkörpern 10 in die Kühlplatte 9 ab und wird von
dort an das Kühlmittel übertragen. Es ist ersichtlich, daß über die Eintauchtiefe der
Wärmeleitkörper 10 in die Kokillentragplatte 13 die abzuführende Wärmemenge sehr
fein eingestellt und geregelt werden kann. Auf diese Art und Weise kann die Erstar
rung des Blocks sowie die Bildung von Stengelkristallen sehr genau, beginnend von
dem Kokillenboden aus, eingestellt und geführt werden.
Nachdem der Block 23 erstarrt ist, wird die Kühlstruktur 26 in Richtung des Pfeils 24
in Fig. 2 nach unten verfahren, so daß sie vollständig aus dem Eingriff der Kokillen
tragplatte 13 sowie der unteren Wärmedämmung 16 gelangt. Danach wird die Heiz
temperatur der oberen Heizeinrichtung 4 auf einen Wert unterhalb der Solidus-Tem
peratur reduziert. Nun wird wieder die untere Heizeinrichtung 3 eingeschaltet und de
ren Temperatur auf die Blockfußtemperatur eingestellt. Es erfolgt eine geregelte Er
höhung der Heiztemperatur auf den Wert der oberen Heizeinrichtung 4. Nach einem
Temperaturausgleich in dem Ofenraum wird die Temperatur im Ofenraum über eine
vorgegebene Haltezeit beibehalten. Danach erfolgt ein programmiertes Absenken
der Heiztemperatur der oberen und der unteren Heizeinrichtung 3, 4.
Die Fig. 3A bis 3C zeigen drei verschiedene Querschnittsformen von Wärmeleit
körpern 10, wie sie in der Anordnung, die vorstehend anhand der Fig. 1 und 2
beschrieben ist, eingesetzt werden können. In Fig. 3A ist beispielhaft ein Feld mit
insgesamt 9 Wärmeleitkörpern 10 gezeigt, die einen kreuzförmigen Querschnitt auf
weisen. Die Ausnehmungen 13a in der Kokillentragplatte 13 sind, wie oben rechts in
Fig. 3A angedeutet ist, entsprechend dem Querschnitt der Wärmeleitkörper 10 ge
formt, so daß ein schmaler Spalt zwischen der Wandung der Ausnehmungen 13a in
der Kokillentragplatte 13 und dem jeweils darin eingeführten Wärmeleitkörper 10 ver
bleibt. Durch diese Kreuzform können die Wärmeleitkörper 10 mit großen Oberflä
chen ausgestattet werden, um eine hohe Wärmeübertragung über diese Wärmeleit
körper 10 zu erzielen.
In Fig. 3B ist eine Anordnung aus neun Wärmeleitkörpern 10 gezeigt, die jeweils ei
nen kreisförmigen Querschnitt besitzen. Solche Wärmeleitkörper 10 dringen dann in
Ausnehmungen 13a (nicht dargestellt) mit einer entsprechenden Querschnittsform
ein, so daß wiederum ein geringer Spalt, wie dies in Fig. 3A gezeigt ist, verbleibt.
Eine dritte Querschnittsform für die Wärmeleitkörper 10 ist in Fig. 3C dargestellt,
wobei diese Querschnittsform sternförmig ist. Mit dieser Sternform kann, gegenüber
der Anordnung der Fig. 3A, ein noch größerer Oberflächenbereich, je nach Anzahl
der Zacken oder Stege, erzielt werden.
Die spezifische Oberfläche entsprechend den einzelnen Querschnittsformen der
Fig. 3A, 3B und 3C sollte unter Beachtung der Temperatur, der Wärmeleitfähig
keit, der Länge der Wärmeleitkörper 10 und der mechanischen Stabilität gewählt
werden. So sollten die Wärmeleitkörper 10 eine Dicke und/oder Breite, in Fig. 3B
mit dem Bezugszeichen 29 bezeichnet, von 5 bis 20 mm, vorzugsweise 10 bis 14
mm, aufweisen. Benachbarte Wärmeleitkörper 10 sollten mindestens etwa 50 mm
beabstandet sein bzw. die Dicke des Stegs, der zwischen benachbarten Wärmeleit
körpern 10 verbleibt, in Fig. 3B mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnet, sollte 50
mm betragen. Die Länge bzw. Höhe der Wärmeleitkörper, d. h. in Richtung senkrecht
zu der Zeichenebene der Fig. 3A bis 3C, sollte im Bereich von 100 bis 150 mm
liegen, vorzugsweise etwa 130 mm betragen.
Wie bereits vorstehend erwähnt wurde, kann der Ofenraum mit einem Gas, vorzugs
weise Argon, gefüllt werden, und der Druck im Ofenraum während der Kühlung bzw.
während des Verfahrens der Kühlstruktur 26 in Richtung der Kokillentragplatte 13,
geregelt werden. Der Druck wird hierbei so eingestellt, daß die volle Hubhöhe der
Wärmeleitkörper genutzt wird, um ein möglichst feinfühliges Regelverhalten zu
erzielen.
In Fig. 4 ist schematisch eine Kokille 15 mit Wärmeisolation 2 dargestellt. In dieser
Ausführungsform ist keine gesonderte Kokillentragplatte 13a vorhanden, wie bei der
Anordnung der Fig. 1 und 2, auf denen der Boden der Kokille aufgesetzt wird
sondern der Kokillenboden selbst, in Fig. 4 mit dem Bezugszeichen 33 bezeichnet
ist, mit Bohrungen bzw. Ausnehmungen 13a versehen, in die wiederum die jeweili
gen Wärmeleitkörper 10 der Kühlstruktur 26 eindringen. Darüberhinaus ist der Kokil
lenboden 33, der der Schmelze zugeordnet ist, strukturiert, indem einzelne Vertiefun
gen 25 und Erhöhungen 35, beispielsweise mit einem dreieckförmigen Querschnitt,
zur Erhöhung der Wärmeaustauschfläche vorgesehen sind. Wie in Fig. 4 zu erken
nen ist, sind hierbei die jeweiligen Ausnehmungen 13a so angeordnet, daß sie je
weils einer entsprechenden Erhöhung 35 der Strukturierung des Kokillenbodens 33
zugeordnet sind. Diese Strukturierung des Kokillenbodens mit den Vertiefungen 25
ist darüberhinaus zur Vorgabe von Startpunkten für das Kristallwachstum, jeweils am
Boden der einzelnen Vertiefungen, von Vorteil. Es ist verständlich, daß die Seiten
wände 19 der Kokille 15 dicht mit dem Kokillenboden 33 verbunden sind.
Mit der Anordnung, wie sie in den Fig. 1 und 2 sowie der Fig. 4 dargestellt sind,
unter Berücksichtigung der jeweiligen Querschnittsformen der Wärmeleitkörper 10,
können Kühlleistungen im Bereich von 10 bis 150 kW/m2, und zwar durch unter
schiedliche Positionierungen der Wärmeleitkörper 10 in den jeweiligen Ausnehmun
gen 13a, erreicht werden, so daß die jeweilige Erstarrungsgeschwindigkeit definiert
eingestellt werden kann. Darüberhinaus können in einer Weiterbildung der Anord
nung, wie sie dargestellt ist, die einzelnen Wärmeleitkörper unterschiedlich zueinan
der verschoben werden, um durch eine unterschiedliche Stellung in den jeweiligen
Ausnehmungen 13a an unterschiedlichen Stellen des Kokillenbodens unterschiedli
che Wärmemengen abzuführen. Beispielsweise könnten in einer speziellen
Ausführungsform die außenliegenden Wärmeleitkörper 10 früher oder später als die
weiter in der Mitte liegenden Wärmeleitkörper 10 in die jeweiligen Ausnehmungen
13a zur Anpassung des Erstarrungsprofils bzw. der Erstarrungsfront in die Ausneh
mungen eingeführt werden, hierzu müßte dann der in den Figuren dargestellte Hub
mechanismus bzw. Hubstempel 8 in mehrere einzelne, den jeweiligen Wärmeleitkör
pern zugeordnete Hubstempel unterteilt werden.
Claims (22)
1. Verfahren zur Herstellung von Werkstücken und Blöcken aus schmelzbaren
Materialien, bei dem flüssiges Ausgangsmaterial in einer Gießform unter Ein
satz einer Kühleinrichtung gerichtet erstarrt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
zur definierten Führung der Erstarrungsfront während der Abkühlung des ge
schmolzenen Materials in einen dem Boden der Gießform zugeordneten Körper
eine Kühlstruktur mit mindestens einem Wärmeleitkörper in mindestens eine
zugeordnete Ausnehmung von der Unterseite her in den Körper eingeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Führung der Er
starrungsfront eine Kühlleistung im Bereich von 10 bis 150 kW/m2 durch unter
schiedliche Positionierungen des Wärmeleitkörpers eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck um die
Kühlstruktur herum während der Abkühlung in definierter Weise zur Änderung
der abzuführenden Wärmemenge pro Zeiteinheit verändert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine
Wärmeleitkörper während der Abkühlung von einem Edelgas, insbesondere Ar
gon, umgeben ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Wärmeleit
körper entsprechend einer gewünschten Führung der Erstarrungsfront während
der Abkühlung zu unterschiedlichen Stellungen in den zugeordneten Ausneh
mungen verschoben werden.
6. Vorrichtung zur Herstellung von Werkstücken oder Blöcken aus schmelzbarem
Material mit einer Gießform, die mittels einer Heizeinrichtung beheizbar ist, und
wobei dem Boden der Gießform eine Kühleinrichtung zugeordnet ist, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung eine Kühlstruktur (25) mit mindestens
einem Wärmeleitkörper (10) umfaßt, der in mindestens eine zugeordnete Aus
nehmung (17, 13a) in einem dem Boden (19) zugeordneten Körper (13;
33) mittels eines Verschiebemechanismus (18) von der Unterseite her in den
Körper (13; 33) einführbar ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlstruktur
(25) mehrere Wärmeleitkörper (10) umfaßt, die in zugeordnete Schlitze und/oder
Sacklochbohrungen (13a) im Körper (13; 33) einführbar sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Boden der
Gießform eine Heizeinrichtung (3) zugeordnet ist und der Wärmeleitkörper (10)
durch die Heizeinrichtung (3) im eingeführten Zustand hindurchragt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme
leitkörper (10) durch Platten, Bolzen und/oder Stäbe gebildet sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die Wärmeleitkörper (10) eine Dicke und/oder Breite (29) von 5 mm bis 20 mm,
vorzugsweise von 10 bis 14 mm, aufweisen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die verbleibende
Stegbreite (30) zwischen benachbarten Ausnehmungen (13a) im Körper zwi
schen 5 und 20 mm beträgt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einführtiefe
des Wärmeleitkörpers (10) in den Körper mindestens etwa 20 mm beträgt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Wär
meleitkörpers zwischen 100 und 150 mm, vorzugsweise etwa 130 mm, beträgt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwi
schen dem Wärmeleitkörper (10) und der Ausnehmung (17) mit Argon gefüllt
(gespült) ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeleitkör
per (10) senkrecht zu seiner Höhe einen kreuz- oder sternförmigen Querschnitt
aufweist, wobei die Ausnehmung (17) diesem Querschnitt jeweils angepaßt ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeleitkör
per (10) zumindest an seinem dem Körper abgewandten Ende mit einem Kühl
medium (18) zwangsgekühlt ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der
Summe der Querschnittsflächen der Wärmeleitkörper (10) zu der Summe der
Querschnittsflächen der Ausnehmungen (13a) zwischen 1,5 : 1 und 5,5 : 1
beträgt.
18. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (33) ein
integraler Teil des Bodens der Gießform (15) ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (13)
eine Tragestruktur (13) bildet, auf die die Gießform (15) aufgesetzt ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (33) der
Gießform (15) auf seiner der Schmelze zugewandten Seite Erhöhungen und
Vertiefungen (25) aufweist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ausneh
mung (13a) in eine Erhöhung (35) hinein erstreckt.
22. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlstruktur
(26) in einer hinsichtlich des Drucks veränderbaren Kammer (1a, 1b) angeord
net ist.
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Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1072696A1 (de) * | 1999-07-26 | 2001-01-31 | ALD Vacuum Technologies Aktiengesellschaft | Vorrichtung zum Herstellen von gerichtet erstarrten Blöcken und Betriebsverfahren hierfür |
EP1162290A1 (de) * | 2000-05-04 | 2001-12-12 | ALD Vacuum Technologies Aktiengesellschaft | Verfahren und Vorrichtung zum Einschmelzen und Erstarren von Metallen und Halbmetallen in einer Kokille |
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DE19855061B4 (de) * | 1998-11-28 | 2012-05-16 | Ald Vacuum Technologies Ag | Schmelzofen zum Schmelzen von Silizium |
ITVI20120246A1 (it) * | 2012-10-01 | 2014-04-02 | Graphite Hi Tech S R L Unipersonal E | Contenitore in grafite con coperchio. |
Families Citing this family (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10047397B4 (de) * | 2000-09-26 | 2004-02-05 | Ald Vacuum Technologies Ag | Vorrichtung zum Schmelzen und gerichteten Erstarren eines Metalls |
US7000675B2 (en) * | 2003-04-09 | 2006-02-21 | Tooling And Equipment International | Chill assembly |
DE102006017621B4 (de) * | 2006-04-12 | 2008-12-24 | Schott Ag | Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von multikristallinem Silizium |
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Family Cites Families (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US1976386A (en) * | 1931-01-08 | 1934-10-09 | Katherine Parsons | Casting of ingots |
US2420003A (en) * | 1942-09-14 | 1947-05-06 | Miller Engineering Corp | Temperature control mold |
GB1126538A (en) | 1965-07-16 | 1968-09-05 | United Aircraft Corp | Improvements in and relating to chill plate construction |
US3321932A (en) * | 1965-10-21 | 1967-05-30 | Raymond C Stewart | Ice cube tray for producing substantially clear ice cubes |
US3538981A (en) * | 1968-08-05 | 1970-11-10 | United Aircraft Corp | Apparatus for casting directionally solidified articles |
FR2158138B1 (de) | 1971-11-05 | 1974-11-15 | Onera (Off Nat Aerospatiale) | |
US3939895A (en) * | 1974-11-18 | 1976-02-24 | General Electric Company | Method for casting directionally solidified articles |
DE2646060A1 (de) * | 1976-10-13 | 1978-04-20 | Friedhelm Prof Dr Ing Kahn | Verfahren und vorrichtungen zur steuerung des waermehaushalts von giessformen |
GB2041236A (en) | 1979-01-18 | 1980-09-10 | Crystal Syst | Method and apparatus for growing crystals |
DE3323896A1 (de) * | 1983-07-02 | 1985-01-17 | Leybold-Heraeus GmbH, 5000 Köln | Verfahren und vorrichtung zum gerichteten erstarren von schmelzen |
GB2279585B (en) | 1993-07-08 | 1996-11-20 | Crystalox Ltd | Crystallising molten materials |
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- 1998-07-14 US US09/445,318 patent/US6464198B1/en not_active Expired - Fee Related
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- 1998-07-14 EP EP98943727A patent/EP0996516B1/de not_active Expired - Lifetime
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19855061B4 (de) * | 1998-11-28 | 2012-05-16 | Ald Vacuum Technologies Ag | Schmelzofen zum Schmelzen von Silizium |
EP1072696A1 (de) * | 1999-07-26 | 2001-01-31 | ALD Vacuum Technologies Aktiengesellschaft | Vorrichtung zum Herstellen von gerichtet erstarrten Blöcken und Betriebsverfahren hierfür |
DE19934940A1 (de) * | 1999-07-26 | 2001-02-08 | Ald Vacuum Techn Ag | Vorrichtung zum Herstellen von gerichtet erstarrten Blöcken und Betriebsverfahren hierfür |
DE19934940C2 (de) * | 1999-07-26 | 2001-12-13 | Ald Vacuum Techn Ag | Vorrichtung zum Herstellen von gerichtet erstarrten Blöcken und Betriebsverfahren hierfür |
EP1162290A1 (de) * | 2000-05-04 | 2001-12-12 | ALD Vacuum Technologies Aktiengesellschaft | Verfahren und Vorrichtung zum Einschmelzen und Erstarren von Metallen und Halbmetallen in einer Kokille |
DE10021585C1 (de) * | 2000-05-04 | 2002-02-28 | Ald Vacuum Techn Ag | Verfahren und Vorrichtung zum Einschmelzen und Erstarren von Metallen und Halbmetallen in einer Kokille |
DE102009022412A1 (de) | 2009-05-22 | 2010-11-25 | Ald Vacuum Technologies Gmbh | Vorrichtung zum gerichteten Erstarren geschmolzener Metalle |
WO2010133200A1 (de) | 2009-05-22 | 2010-11-25 | Ald Vacuum Technologies Gmbh | Vorrichtung zum gerichteten erstarren geschmolzener metalle |
ITVI20120246A1 (it) * | 2012-10-01 | 2014-04-02 | Graphite Hi Tech S R L Unipersonal E | Contenitore in grafite con coperchio. |
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