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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlanlage zur Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung von Titanrohlingen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Die meisten bekannten Verfahren zur Herstellung von Titanrohlingen gliedern sich in zwei hintereinander ablaufende Verfahrensabschnitte.
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Der erste Verfahrensabschnitt dient der Erzeugung eines sogenannten Titanschwammes. Dabei wird regelmäßig Titandioxid zusammen mit Chlor erhitzt und unter Verwendung von flüssigem Magnesium zu einem Titanschwamm aufbereitet. Dieser Verfahrensabschnitt ist für die vorliegende Erfindung von untergeordneter Bedeutung und wird daher nicht weiter diskutiert.
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In einem nachfolgenden Verfahrensabschnitt wird der Titanschwamm, gegebenenfalls nach einem Pressschritt, mit Legierungsanteilen in einem vorbestimmten Mengenverhältnis zu einem sogenannten „Ingot” geschmolzen.
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Bei dem bekannten Verfahren (
DE 198 52 747 A1 ), von dem die Erfindung ausgeht, wird der Ingot zur Erhöhung der Legierungshomogenität in mindestens einem Umschmelzschritt in einem Schmelztiegel umgeschmolzen.
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Die
EP 0 479 757 B1 zeigt ein ähnliches Verfahren zur Herstellung von Titanrohlingen, wobei vor dem Umschmelzschritt eine Oberflächenbearbeitung bzw. -reinigung des Ingots vorgesehen ist.
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Der Reinigung des Ingots vor dem Umschmelzschritt kommt für die Reduzierung von Verunreinigungen innerhalb der Titanlegierung sowie für die Legierungshomogenität besondere Bedeutung zu.
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Es ist bekannt, dass die sich im Bereich der Oberfläche des Ingots ablagernden Verunreinigungen eine hohe mechanische Stabilität aufweisen. Daher hat es sich durchgesetzt, den Ingot vor einem Umschmelzschritt einer Drehbearbeitung zu unterziehen. Angesichts der Tatsache, dass die in Rede stehenden Ingots mehrere Meter lang und entsprechend von erheblichem Gewicht sind, stellt dies ganz besondere Anforderungen an die benötigte Drehmaschine. Ferner ist die für die Oberflächenbearbeitung benötigte Zeit beträchtlich und beträgt regelmäßig mehr als 10 Stunden. Eine Beschleunigung des Reinigungsschritts ist nur in begrenztem Maße möglich, da der Eingriff des Drehstahls mit der Oberfläche des Ingots zu einer Wärmeentwicklung führt, die durch Kühlmittel nur in entsprechend begrenztem Maße abgeführt werden kann.
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Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, das bekannte Verfahren derart weiterzubilden, dass sowohl die Qualität als auch die Geschwindigkeit des Reinigungsschritts erhöht werden.
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Das obige Problem wird bei einer Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlanlage zur Druchführung eines Verfahrens gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 gelöst.
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Wesentlich ist die Erkenntnis, dass in dem einem Umschmelzschritt vorgelagerten Reinigungsschritt eine Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlanlage, insbesondere eine Hochdruck-Wasserstrahlanlage, Einsatz finden kann. Durch den guten Wärmeabtransport läßt sich die Geschwindigkeit der Reinigung beträchtlich erhöhen.
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Es hat sich ferner in Versuchen gezeigt, dass sich durch die Verwendung eines Hochdruck-Flüssigkeitsstrahls die Qualität der Reinigung steigern lässt. Dies liegt unter anderem daran, dass auch in die Titanlegierung eingebettete Verunreinigungen, die erst nach dem Abtrag einer Oberflächenschicht mittels des Hochdruck-Flüssigkeitsstrahl zu Tage treten, durch die Energie des Hochdruck-Flüssigkeitsstrahls aus der Titanlegierung herausgelöst werden.
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Es ist weiter erkannt worden, dass alternativ oder zusätzlich ein Hochdruck-Flüssigkeitsstrahl genutzt werden kann, um die Innenseite des jeweiligen Schmelztiegels wie oben im Zusammenhang mit dem Ingot erläutert zu reinigen. Auch hier lässt sich der Abtrag einer metallischen Oberflächenschicht schnell bei hoher Reinigungsqualität realisieren.
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Vorschlagsgemäß ist die Anordnung so getroffen, dass der mindestens eine Hochdruck-Flüssigkeitsstrahl eine hinreichende Bewegungsenergie aufweist, um den Abtrag einer Oberflächenschicht des Ingots selbst und/oder der Innenseite des Schmelztiegels selbst bewirken zu können. Bevorzugte Auslegungen hierfür sind in Anspruch 2 angegeben.
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Mit der Formulierung ”des Ingots 2 selbst” bzw. ”des Schmelztiegels selbst” soll klargestellt werden, dass hiermit der Abtrag einer Oberflächenschicht gemeint ist, die nicht auf Ablagerungen zurückgeht, sondern auf einen Abtrag des Ingotmaterials bzw. des Schmelztiegelmaterials. Mit diesem Abtrag geht selbstredend auch der Abtrag von Ablagerungen einher.
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Um die Ergebnisse während des Reinigungsschritts weiter zu optimieren, ist es gemäß Anspruch 5 vorgesehen, dem Hochdruck-Flüssigkeitsstrahl ein Abrasivmaterial wie Quarzsand oder dergleichen beizumischen. Dieser Quarzsand wird mit der übrigen Flüssigkeit auf einfache Weise weggespült.
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Der mindestens eine Hochdruck-Flüssigkeitsstrahl wird weiter vorzugsweise gemäß Anspruch 6 in einer Variante auf die im Wesentlichen zylindrische Mantelfläche des Ingots gerichtet. Dabei können gemäß Anspruch 7 unterschiedliche Winkel zwischen dem Hochdruck-Flüssigkeitsstrahl und der jeweiligen Oberfläche vorteilhaft sein. In besonders bevorzugter Ausgestaltung steht der Hochdruck-Flüssigkeitsstrahl im Wesentlichen senkrecht auf der jeweiligen Oberfläche. Damit haben sich für den vorschlagsgemäßen Reinigungsschritt die besten Ergebnisse gezeigt.
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Mindestens eine Hochdruckdüse zur Erzeugung des mindestens einen Hochdruck-Flüssigkeitsstrahls ist vorgesehen, wobei die Anordnung so getroffen ist, dass der mindestens eine Hochdruck-Flüssigkeitsstrahl wie oben erläutert im Wesentlichen senkrecht auf die Oberfläche des Ingots bzw. des Schmelztiegels gerichtet ist.
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Die weiter bevorzugten Ausgestaltungen gemäß den Ansprüchen 11 und 12 betreffen die Realisierung von Positioniereinrichtungen, um den vorschlagsgemäßen Reinigungsschritt auf besonders flexible und einfache Weise durchführen zu können.
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In einer wirtschaftlich besonders interessanten Variante ist es gemäß Anspruch 13 vorgesehen, dass die Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlanlage im Rahmen des Reinigungsschritts sowohl der Oberflächenbearbeitung des Ingots als auch der Oberflächenbearbeitung des Schmelztiegels dient. Dadurch, dass sich die Bauraumanforderungen einer Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlanlage im Bereich des zu reinigenden Objekts auf den für die mindestens eine Hochdruckdüse benötigten Bauraum reduzieren, lässt sich die vorgeschlagene Doppelnutzung der Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlanlage konstruktiv einfach umsetzen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
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1 ein Ablaufdiagramm für das Verfahren zur Durchführung durch die vorschlagsgemäße Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlanlage,
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2 eine vorschlagsgemäße Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlanlage in einer ganz schematischen Ansicht und
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3 eine geschnittene Seitenansicht der Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlanlage gemäß 2 entlang der dortigen Schnittlinie III-III.
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Die vorschlagsgemäße Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlanlage ist für die Durchführung eines Verfahrens, das der Herstellung von Titanrohlingen dient, die als Ausgangsmaterial für Produkte aus der Luftfahrtindustrie, der Medizintechnik, der Schmuck- und Uhrenindustrie oder dergleichen dienen kann. Der Titanrohling geht auf eine Titanlegierung zurück. Dabei handelt es sich regelmäßig um Titan-Aluminium-Legierungen.
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In einem Ingot-Erzeugungsschritt 1 wird aus einem Titanschwamm zusammen mit Legierungsbestandteilen ein länglicher Ingot 2 geschmolzen, der im Ergebnis aus einer Titanlegierung besteht. Insbesondere zur Erhöhung der Legierungshomogenität, gegebenenfalls aber auch zur Integration weiterer Legierungsanteile, wird der Ingot 2 in mindestens einem Umschmelzschritt 3 in mindestens einem Schmelztiegel umgeschmolzen (1).
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Wesentlich ist, dass die Oberfläche des Ingots 2 und/oder die Oberfläche der Innenseite des Schmelztiegels vor mindestens einem Umschmelzschritt 3 mit mindestens einem Hochdruck-Flüssigkeitsstrahl 5 einer Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlanlage 6 derart bearbeitet wird bzw. werden, dass jeweils eine Oberflächenschicht 7 des Ingots 2 selbst oder der Innenseite des Schmelztiegels selbst abgetragen wird.
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Die Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlanlage 6 ist also so ausgelegt, dass sie wie oben erläutert nicht nur die auf dem Ingot 2 vorhandenen Ablagerungen 8 abträgt, sondern auch eine Oberflächenschicht 7 der Titanlegierung des Ingots 2 selbst. Das gleiche gilt für die Reinigung des Schmelztiegels. Der Reinigungsschritt 4 ist exemplarisch in 3 dargestellt. Dabei sind die abgetragenen Oberflächenschichten 7, 8 im Sinne einer klaren Darstellung übertrieben dargestellt.
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Bei der obigen Flüssigkeit kann es sich grundsätzlich um beliebige Flüssigkeiten mit geeigneter Viskosität handeln. In besonders bevorzugter Ausgestaltung handelt es sich bei der verwendeten Flüssigkeit um Wasser.
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Um die obige Abtragsleistung zu garantieren, ist sicherzustellen, dass der Hochdruck-Flüssigkeitsstrahl 5 mit entsprechender Bewegungsenergie beaufschlagt wird. In besonders bevorzugter Ausgestaltung wird der Hochdruck-Flüssigkeitsstrahl 5 mit einem Volumenstrom in einem Bereich zwischen 10 l/min und 40 l/min betrieben.
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Zur Erzeugung des mindestens einen Hochdruck-Flüssigkeitsstrahls 5 ist eine Hochdruckdüse 9 vorgesehen, wobei der Flüssigkeitsdruck an der mindestens einen Hochdruckdüse 9 in einem Bereich zwischen 500 bar und 6.000 bar liegt. Damit lassen sich die zum Abtragen der obigen Oberflächenschicht 7 erforderlichen Bewegungsenergien leicht erzeugen.
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Während der Ingot 2 selbst wie erläutert aus einer Titanlegierung besteht, ist die Oberfläche der Innenseite des Schmelztiegels vorzugsweise aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung ausgestaltet. Der vorschlagsgemäße Abtrag einer Oberflächenschicht der Innenseite des Schmelztiegels führt dazu, dass vom Schmelztiegel ausgehende Verunreinigungen des Ingots 2 beim Umschmelzen kaum mehr auftreten.
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Je nach Ingot-Material ist ein unterschiedlicher Abtrag der jeweiligen Oberflächenschicht vorteilhaft. Ganz generell beträgt die Dicke der vom Ingot 2 abgetragenen Oberflächenschicht 7 mindestens etwa 0,01 mm. Vorzugsweise beträgt die maximale Dicke der vom Ingot 2 abgetragenen Oberflächenschicht 7 etwa 0,2 mm.
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Die Dicke der vom Schmelztiegel abgetragenen Oberflächenschicht beträgt ebenfalls mindestens etwa 0,01 mm. Vorzugsweise bleibt die Dicke der vom Schmelztiegel abgetragenen Oberflächenschicht unter etwa 0,5 mm.
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Um die Abtragleistung weiter zu erhöhen, ist dem Hochdruck-Flüssigkeitsstrahl 5 vorzugsweise ein Abrasiv-Material beigemischt, wobei es sich bei dem Abrasiv-Material in besonders bevorzugter Ausgestaltung um Quarzsand oder dergleichen handelt. Andere Abrasiv-Materialien sind hier anwendbar.
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Der mindestens eine Hochdruck-Flüssigkeitsstrahl 5 ist vorzugsweise auf die Oberfläche der Langseite des Ingots 2 gerichtet. Im Einzelnen ist der Ingot 2 hier im Wesentlichen zylindrisch ausgestaltet, wobei der mindestens eine Hochdruck-Flüssigkeitsstrahl 5 auf die im Wesentlichen zylindrische Mantelfläche des Ingots 2 gerichtet ist.
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In besonders bevorzugter Weiterbildung liegt der Winkel zwischen dem mindestens einen Hochdruck-Flüssigkeitsstrahl 5 und der jeweiligen Oberfläche des Ingots 2 bzw. des Schmelztiegels in einem Bereich zwischen etwa 30° und etwa 90°, vorzugsweise zwischen etwa 80° und etwa 90°.
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Bei dem dargestellten und insoweit bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt der Winkel zwischen dem mindestens einen Hochdruck-Flüssigkeitsstrahl 5 und der jeweiligen Oberfläche des Ingots 2 bzw. des Schmelztiegels etwa 90°. Der mindestens eine Hochdruck-Flüssigkeitsstrahl 5 wird hier und vorzugsweise also im Wesentlichen senkrecht auf die Oberfläche des Ingots 2 gerichtet. Das führt zu einer optimalen Abtragsleistung. Die gleiche Ausrichtung ist entsprechend vorteilhaft für die Reinigung des Schmelztiegels.
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Je nach Art der Verunreinigung des Ingots 2 bzw. des Schmelztiegels kann es vorteilhaft sein, dass der mindestens eine Hochdruck-Flüssigkeitsstrahl 5 zeitlich gepulst, also diskontinuierlich, auf die jeweilige Oberfläche des Ingots 2 bzw. des Schmelztiegels gerichtet wird. Hierbei können rechteckförmige, dreiecksförmige o. dgl. Impulsformen Anwendung finden.
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Es wurde schon darauf hingewiesen, dass mehrere Umschmelzschritte 3 gemäß 1 vorgesehen sein können. Dabei kann es gemäß Pfeil 3a in 1 vorgesehen sein, dass beim ersten Umschmelzschritt 3 auf den Reinigungsschritt 4 verzichtet wird. Denkbar ist auch, dass gemäß Pfeil 3b bei dem jeweils folgenden Umschmelzschritt 3 auf den Reinigungsschritt 4 verzichtet wird. Denkbar ist schließlich, dass einem Umschmelzschritt 3 stets ein Reinigungsschritt 4 vorgelagert ist, wie durch den Pfeil 3c in 1 angedeutet ist.
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Um die gesamte Oberfläche des Ingots 2 reinigen zu können, ist es vorzugsweise vorgesehen, dass eine motorische Ingot-Positioniereinrichtung 10 für die Positionierung des Ingots 2 vorgesehen ist, wobei der Ingot 2 während des Reinigungsschritts 4 mittels der Ingot-Positioniereinrichtung 10 um seine Längsachse 11 gedreht wird. Dies lässt sich einer Zusammenschau der 2 und 3 entnehmen.
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In weiter bevorzugter Ausgestaltung ist eine motorische Düsen-Positioniereinrichtung 12 für die Positionierung der mindestens einen Hochdruckdüse 9 vorgesehen, wobei die mindestens eine Hochdruckdüse 9 mittels der Düsen-Positioniereinrichtung 12 zumindest entlang der Längsachse 11 des Ingots 2 motorisch verfahren wird.
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Bei geeigneter Ausgestaltung der Düsen-Positioniereinrichtung 12 ergibt sich sogar die Möglichkeit, dass die Richtung des jeweils aus der mindestens einen Hochdruckdüse 9 austretenden Hochdruck-Flüssigkeitsstrahls 5 mittels der Dilsen-Positioniereinrichtung 12 motorisch einstellbar ist.
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Der Begriff „motorisch” ist hier stets weit zu verstehen. Darunter sind alle Möglichkeiten der gesteuerten, selbsttätigen Verstellung zusammengefaßt. Hierzu gehören elektrische, hydraulische, pneumatische Verstellmöglichkeiten jeglicher Art.
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Mit den obigen Positioniereinrichtungen 10, 12 ist es denkbar, dass Verunreinigungen im Ingot 2 bzw. im Schmelztiegel punktuell beseitigt werden. In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn die Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlanlage 6 mit einem Sensorsystem, insbesondere mit einem Kamerasystem, ausgestattet wird, mit dem Verunreinigungen punktuell erfasst und durch eine geeignete Ansteuerung der Positioniereinrichtungen 10, 12 punktuell beseitigt werden. Hier zeigt sich ein weiterer Vorteil der Anwendung eines Hochdruck-Wasserstrahls, nämlich die Möglichkeit, im Rahmen des Reinigungsschritts 4 vorbestimmte Oberflächenschichten des Ingots 2 punktuell abzutragen.
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Im einzelnen ist es vorzugsweise vorgesehen, dass der Ingot 2 und/oder die mindestens eine Hochdruckdüse 9 in Abhängigkeit von den Sensordaten des obigen Sensorsystems derart positioniert wird bzw. werden, dass der Hochdruck-Flüssigkeitsstrahl 5 auf die eine sensorisch erfaßte Verunreinigung aufweisende Stelle des Ingots 2 gerichtet ist und dass anschließend mittels des Hochdruck-Flüssigkeitsstrahls 5 ein gezielter Oberflächenabtrag an dieser Stelle vorgenommen wird.
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Üblicherweise erfolgt das Umschmelzen des Ingots 2 bei vertikal ausgerichtetem Ingot 2. Dies liegt daran, dass der Ingot 2 beim Umschmelzen regelmäßig als Elektrode im Rahmen eines VAR(Vacuum-Arc-Remelting)-Prozess eingesetzt wird, wobei die Titanlegierung entsprechend vom Ingot 2 in den Schmelztiegel abschmilzt.
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Bei dem dargestellten und insoweit bevorzugten Ausführungsbeispiel ist es vorgesehen, den Ingot 2 nach dem Umschmelzschritt 3 in seine horizontale Position zu bringen, um die Bewegung des Ingots 2 um seine Längsachse 11 leicht realisieren zu können.
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In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist es allerdings vorgesehen, dass der Ingot 2 während des Umschmelzschritts 3 und und während des Reinigungsschritts 4 in gleicher Orientierung ausgerichtet ist, wobei es sich bei dieser Ausrichtung hier und vorzugsweise um die vertikale Ausrichtung handelt. Damit kann auf eine aufwendige Handhabung des Ingots 2, die für dessen Orientierungsänderung erforderlich wäre, ohne weiteres verzichtet werden.
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Es wurde schon darauf hingewiesen, dass die vorschlagsgemäße Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlanlage 6 mindestens eine Hochdruckdüse 9 zur Erzeugung mindestens eines Hochdruck-Flüssigkeitsstrahls 5 aufweist, wobei die Anordnung so getroffen ist, dass der mindestens eine Hochdruck-Flüssigkeitsstrahl 5 im Wesentlichen senkrecht auf die zu bearbeitende Oberfläche des Ingots 2 bzw. des Schmelztiegels gerichtet ist.
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Es wurde ebenfalls bereits erläutert, dass vorzugsweise eine motorische Ingot-Positioniereinrichtung 10 für die Positionierung des Ingots 2 vorgesehen ist, wobei der Ingot 2 mittels der Positioniereinrichtung 10 um seine Längsachse 11 drehbar ist. Hierfür ist der Ingot 2 auf zwei parallel verlaufende, geringfügig voneinander beabstandete Rollen 13, 14 aufgelegt, wobei eine Rolle 13 einen Reibantrieb für den Ingot 2 bereitstellt.
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Die Längsachse 11 des Ingots 2 ist stets parallel zu den Längsachsen der Rollen 13, 14 ausgerichtet. Der lichte Abstand zwischen den beiden parallelen Rollen 13, 14 ist stets kleiner als der Durchmesser des Ingots 2.
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Vorzugsweise ist auch eine motorische Düsen-Positioniereinrichtung 12 in obigem Sinne vorgesehen, wie 2 in einer besonders einfach zu realisierenden Variante zeigt. Die mindestens eine Hochdruckdüse 9 ist hier in einem Düsengehäuse 15 angeordnet, das in einer Längsführung 16 parallel zur Längsachse 11 des auf den Rollen 13, 14 aufliegenden Ingots 2 geführt ist. Das Düsengehäuse 15 lässt sich beispielsweise über einen Riemenantrieb in der Längsführung 16 verfahren.
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Weiter vorzugsweise läßt sich auch die Richtung des jeweils aus der mindestens einen Hochdruckdüse 9 austretenden Hochdruck-Flüssigkeitsstrahls 5 mittels der Düsen-Positioniereinrichtung 12 motorisch einstellen. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass hierfür das Düsengehäuse 15 zweigeteilt ist, die beiden Gehäuseteile gegeneinander schwenkbar sind und für die motorische Schwenkbarkeit mindestens ein entsprechender Schwenkantrieb vorgesehen ist.
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Schließlich ist es denkbar, dass die mindestens eine Hochdruckdüse 9 mittels der Düsen-Positioniereinrichtung 12 auch in Richtung des Hochdruck-Flüssigkeitsstrahls 5 verstellbar ist.
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Es wurde schon darauf hingewiesen, dass die Hochdruck-Flüssigkeitsanlage 6 im Rahmen des Reinigungsschritts 4 sowohl der Oberflächenbearbeitung des Ingots 2 als auch der Oberflächenbearbeitung des Schmelztiegels dienen kann. Um auf eine entsprechende Umrüstung der Hochdruck-Flüssigkeitsanlage 6 verzichten zu können, ist es vorzugsweise vorgesehen, dass, wie ebenfalls bereits angesprochen, der Ingot 2 beim Umschmelzen und bei der Oberflächenbearbeitung in gleicher Orientierung ausgerichtet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19852747 A1 [0005]
- EP 0479757 B [0006]
