DE2356996B2

DE2356996B2 - Vakuum-lichtbogenofen mit schleusenkammer

Info

Publication number: DE2356996B2
Application number: DE19732356996
Authority: DE
Inventors: Rudolf 6454 Grossauheim Randa
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1973-11-15
Filing date: 1973-11-15
Publication date: 1976-02-05
Also published as: JPS5340980B2; JPS5080540A; US3912848A; DE2356996A1

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Vakuum-Lichtbogenofen für Abschmelzelektroden mit einem einen Tiegel umschließenden Unterteil, einem beweglichen Oberteil für die Aufnahme der Abschmelzelektrode und einer zwischen Unterteil und Oberteil angeordneten Schleusenkammer mit einem konzentrisch zur Tiegelachse ausgerichteten Schleusenventil und mit einem Spritzschutzring für den Sitz des Schleusenventils.

Durch die DT-PS 1169617 gehört ein Vakuum-Lichtbogenofen der eingangs beschriebenen Gattung zum Stande der Technik, bei dem Ofenober- und Ofenunterteil beidseitig an eine dazwischen befindliche Schleusenkammer anstoßen und während des Schmelz-Prozesses in einer der Höhe der Schleusenkammer entsprechenden Distanz gehalten werden. Nach Beendigung des Schmelzprozesses kann beispielsweise das Ofenunterteil durch das Schleusenventil abgesperrt und das Ofenoberteil abgehoben werden, so daß das umgeschmolzene Metall unter Ausschluß der Atmosphäre abkühlen kann. Während des Schmelzbetriebes ist der Tiegelrand durch einen horizontal schwenkbaren Spritzschutzring vor Schmelzspritzen geschützt. Dieser Spritzschutzring, der mit einem zusätzlichen Antrieb ausgerüstet sein muß, kann aber nicht verhindern, daß während des gesamten Betriebs des Lichtbogenofens Schmelzenspritzer und Stäube in die Schleusenkammer eindringen und diese sowie die in ihr enthaltenen Antriebe für das Schleusenventil und den Spritzschutzring ⁶S gefährden. Außerdem ist der Schutz des Tiegelrandes nur unvollkommen möglich. Schließlich ruht das Schleusenventil nur mit seinem Eigengewicht auf dem Tiegelrand so daß die Dichtkräfte verhältnismäßig bescheiden sind. Der exzentrische Antrieb kann die Dichtkräfte ebenfalls nicht merklich unterstützen. Die Unterstützung der Dichtwirkung durch den atmosphärischen Druck tritt Denn Fm«:.. uC, ^...ν^.,^κ,,.., nur allmählich ein, so daß anfängliche Undichtigkeiten häufig bestehen bleiben. Auch der Spr.tzschutznng kann nicht zur Erhöhung der Dichtkräfte herangezogen werden. . ..

Durch die DT-AS 18 16 055 ist ferner eine Losung vorbekannt, durch welche der Anpreßdruck des Schleusenventils wirksam erhöht und das Innere der Schleusenkammer vor Verunreinigung und Beschädigung geschützt werden kann. Dies wird dadurch erreicht, daß das Ofenoberteil in die Schleusenkammer eiriführbar und wahlweise entweder auf dem Schleusenventil oder auf dem Tiegelrand absetzbar ist. Diese Lösung ist jedoch mit dem Nachteil verbunden, daß das relativ großblumige und schwere Ofenoberieil m die Schleusenkammer eingefahren werden muß. Dabei muß die Abdichtung gegenüber der Schleusenkammer durch eine -Masusch verformbare Dichtung erfolgen, die nur schwer herstellbar ist und trotzdem eine gewisse Störanfälligkeit herbeiführt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Ofe;,konstruktion anzugeben, bei der das Ofenoberteil nicht in die Schleusenkammer eingeführt werden muß, und bei der dennoch ein ausreichender Anpreßdruck des Ventildeckels bei gleichzeitig vollkommenem Schutz der Schleusenkammer gewährleistet ist.

Die gestellte Aufgabe wird bei dem eingangs beschriebenen Vakuum-Lichtbogenofen erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Spritzschutzring konzentrisch zur Tiegelachse ausgerichtet und vertikal beweglich innerhalb der Schleusenkammer angeordnet und bei geöffnetem Schleusenventil auf dessen Sitz, bei geschlossenem Schleusenventil hingegen auf dessen Oberseite absetzbar und gegen diese verspannbar ist, wobei der Spritzschutzring nach oben in ein-: Schürze ausläuft, die mit einer in der Schleusenkammer ortsfest angeordneten Gegenschürze über mindestens einen wesentlichen Teil des Hubes teleskopartig zusammenwirkt.

Mit einer solchen Lösung sind die Vorteile verbunden, daß bei eingefahrenem Schleusenventil durch Anpressen des Spritzschutzringes auf das Schleusenventil ein ausreichender Dichtdruck erzeugbar ist. Bei seitlich ausgefahrenem Schleusenventil ist der Spritzschutzring auf die Dichtfläche bzw. den Tiegelrand absenkbar und schützt diesen gegen Verschmutzung. Durch das teleskopar'.ige Zusammenwirken der beiden Schür?en. welche konzentrisch zur Tiegelachse angeordnet sind und im wesentlichen den Durchmesser der Tiegelöffnung besitzen, wird gewährleistet, daß keine Schmelzenspritzer und Stäube seitlich austreten und die Schleusenkammer verunreinigen bzw. beschädigen können. Der Aufwand für den vertikalen Antrieb des Spritzschutzringes ist dabei denkbar gering.

Eine besonders einfache und zuverlässig funktionierende Lösung ist gemäß der weiteren Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Spritzschutzring in einer seitlich der Tiegelachse gelagerten, die Schürzen haarnadelförmig umgreifenden Schwinge schwenkbar befestigt ist, deren der Lagerung abgekehrtes Ende bzw. Joch mit einem Antrieb in Verbindung steht. Der Spritzschutzring ist in der Schwinge um eine Achse drehbar gelagert, die durch die Mitte des Schleusenventils und zur Schwenkachse der Schwinge parallel verläuft. Durch die Eigcnelastizität der Schwinge wird

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in Verbindung mit der Zapfenlagerung eine nahezu lcardanische Aufhängung erreicht, die eine gleichmäßige Auflage bzw. Anpressung gewährleistet.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes sei nachfolgend an Hand der Figuren naher erläutert. Es zeigen

F i g. 1 bis 3 Längsschnitte durch einen Vakuumlichtbogenofen im Bereich der Schleusenkammei in verschiedenen Betriebsphasen.

F i g. i zeigt den Vakuumofen in der Schmelzstellung. Eine Abschmelzelektrode 10 ist auf einem Teil ihrer Länge von einem beweglichen Ofenoberteil 11 umgeben, welches- aus einem vakuumdichten Kessel mit einem Anschluß an entsprechende, in der Zeichnung nicht dargestellte Vakuumpumpen besteht. Das Ofenoberteil 11 besitzt an seinem unteren Ende einen Ringflansch 12, mit dem sich das Ofenoberteil unter Zwischenschaltung einer Rundschnurdichvjng mittelbar auf einer Schleusenkammer 13 abstützt. Die äußere Form der Schleusenkammer 13 entspricht im wesentlichen derjenigen eines flachen Quaders. Konzentrisch zur Abschmelzelektrode 10 ist in der oberen Begrenzungswand 14 der Schleusenkammer 13 eine Öffnung 15 angeordnet, in die unter Zwischenschaltung einer Rundschnurdichtung eine onsfeste Schürze 16 eingesetzt ist. Diese Schürze hat die Form eines hohlzylindrischen Stuizcns und ragt von oben merklich in den Innenraum der Schleusenkammer 13 hinein, hierbei allseitig die Abschmelzelektrode 10 umgebend.

Die Schleusenkammer 13 besitzt eine untere Begrenzungswand 17, in der konzentrisch zur Abschmelzelektrode 10 eine öffnung 18 für den Durchtritt der Abschmelzelektrode angeordnet ist. An die untere Begrenzungswand 17 bzw. an die öffnung 18 schließt sich unter Zwischenschaltung einer Rundschnurdichtung mittels eines Ringflansches 19 eine Kokille 20 an, in der ein zu erzeugender Ingot 21 durch Wärmeentzug und Kristallisation gebildet wird. Während des Umschmelzprozesses der Abschmelzelektrode 10 zum Ingot 21 befindet sich am oberen Ende des Ingots ein Schmelzsee 22, der von den abfallenden Tropfen der Abschmelzelektrode genährt wird und dessen Phasengrenze 23 sich auf Grund einer kontinuierlichen Kristallisation fortlaufend nach oben verschiebt. F i g. 1 zeigt den Vakuumofen kurz vor Beendigung der Umschmelzphase. Die Kokille 20 ist von einem Kühltopf 24 unter Belassung eines Hohlraums 25 umgeben, der zur Aufnahme eines Kühlmediums dient. Die Führung des Kühlmediums wird durch ein zylindrisches Leitblech 26 begünstigt.

Die obere Fläche der unteren Begrenzungswand 17 ist in einer ringförmigen Zone um die Öffnung 18 herum als Ventilsitz ausgebildet, auf den ein Schleusenventil 27 aufsetzbar ist. in der Darstellung gemäß F i g. 1 ruht auf dem nicht näher bezeichneten Ventilsitz ein Spritzschutzring 28, der nach oben in eine Schürze 29 ausläuft, die ebenfalls in Form eines hohlzylindrischen Stutzens ausgebildet ist und um ein solches Maß nach oben in den Innenraum der Schleusenkammer 13 hineinragt, daß sie die ortsfest angeordnete Gegenschürze 16 bei allen Stellungen des Spritzschutzringes 28 übergreift. Die Schürze 29 und ihre Gegenschürze 16 sind im Durchmesser derart aufeinander abgestimmt, daß eir.e gegenseitige Bewegung bei ausreichender Abschirmwirkung ohne Behinderung möglich ist. Es ist zu erkennen, daß die beiden Schürzen 16 bzw. 29 den Raum unmittelbar um die Abschmelzelektrode 10 herum heerenzen. in dem eine starke Hitzeentwicklung bei

gleichzeitigem Auftreten von Schmelzenspritzern und Staubbildung stattfindet. Der außerhalb dieses Raums hinter den Schürzen liegende Innenraum der Schleusenkammer 13 ist auf diese Weise zuverlässig abgeschirmt und geschützt.

In dem vorstehend genannten Raum der Schleusenkammer i3 befindet sich außer dem Schleusenventil 27 eine Antriebsspindel 30, die mit dem anzutreibenden Schleusenventil 27 über eine Spindelmutter 31 und ein Übertragungsgestänge 32 zusammenwirkt. Die Antriebsspindel 30 ist in Lagerböcken 33 bzw. 34 in der Schleusenkammer 13 ortsfest gelagert. Bei einer Betätigung der Antriebsspindel 30 läßt sich das Schleusenventi! 27 in Richtung des eingezeichneten Pfeils parallel zur Schnittebene hin und her bewegen. Das Schleusenventil rollt dabei auf federnd gelagerten Rollen 35 auf entsprechenden Schienen ab.

Im Innern der Schleusenkammer 13 befindet sich seitlich weit außerhalb der Tiegelachse ein Lagerbock 36, an dem eine haarnadelförmig gebogene Schwinge 37 mittels einer Schwenkachse 38 gelagert ist. Die Richtung der Schwenkachse 38 verläuft senkrecht zur Zeichenebene. Die Schwinge 37, von der naturgemäß nur der hinter der Zeichenebene gelegene Schenkel mit dem zugehörigen Lagerbock sichtbar ist, verläuft vom Lagerbock 36 ausgehend parallel zur Schnittebene durch die Schleusenkammer 13 um die Schürze 29 herum und wieder zurück bis zu einem zweiten Lagerbock. der zu dem Lagerbock 36 symmetrisch (in bezug auf die Schnittebene) angeordnet ist. Am Joch 37a der Schwinge befindet sich ein Fortsatz 39 mit einer eingesetzten Spindelmutter 40, die mit einer senkrechten Amriebsspindel 41 zusammenwirkt. Die Antriebsspindel 41 ist in der oberen bzw. unteren Begrenzungswand der Schleusenkammer 13 gelagert. Bei Betätigung der Antriebsspindel 41 bewegt sich die Spindelmutter 40 und damit die Schwinge 37 je nach Drehrichtung aufwärts oder abwärts und nimmt dabei den Spritzschutzring 28 und die Schürze 29 mit, die mit der Schwinge 37 über eine Schwenkachse 42 verbunden sind. Die Schwenkachse 42 verläuft zur Schwenkachse 38 parallel, wobei der Spritzschutzring 28 bzw. die Schürze 29 gegenüber der Schwinge 37 leichte Schwenkbewegungen ausführen können. Spindelmutter 40 und Antriebsspindel 41 bilden den sogenannten Antrieb 43 für die Schwinge 37. die auf Grund ihrer Abmessungen eine gewisse Verwindung zuläßt, so daß der Spritzschutzring 28 zu einer ganzflächigen Auflage auf dem vorgesehenen Ventilsitz gebracht werden kann.

F i g. 2 zeigt den Vakuumofen in einer Stellung unmittelbar nach Beendigung des Umschmelzprozesscs. Der Rest der Abschmelzelektrode 10 ist bereits nach oben in das Ofenoberte^;! U hochgezogen worden und daher in der Zeichnung nicht mehr sichtbar. Durch Betätigung des Antriebs 43 wurde die Spindelmutter 40, die Schwinge 37 und tier Spritzschutzring 28 mit der Schürze 29 um ein solches Maß angehoben, daß der entstandene Raum zwischen dem Ventilsitz und der unteren Begrenzungsfläche des Spritzschutzringes 28 für das Einfahren des Schleusenventils 27 ausreicht. Die Schürzen 16 und 29 schieben sich hierbei teleskopartig übereinander. Das Schleusenventil 27 befindet sich gerade am Anfang seiner Bewegung in Richtung des eingezeichneten Pfeils, die durch eine Betätigung der Antriebsspindel 30 bewirkt wird.

Fig.3 zeigt den Vakuumofen in einer Stellung, in der das Schleusenventil 27 die vorgesehene Position über der Öffnung 18 erreicht hat. Die Drehung der An-

triebsspindel 30 ist zum Stillstand gekommen, worauf die Schwinge 37 unter dem Einfluß des Antriebs 43 abwärts bewegt wurde. Hierbei setzte der Spritzschutzring 28 auf der Oberseite des Schleusenventils 27 auf. Durch entsprechendes Weiterdrehen des Antriebs 43 kann der Spritzschutzring 28 mittels der Schwinge 37 zunehmend gegen das Schleusenventil 17 verspannt werden und drückt dieses an den entsprechenden Ventilsitz mit großer Kraft an, so daß die Abdichtwirkung bereits zu einem Zeitpunkt vorhanden ist, in dem ein atmosphärischer Druckunterschied auf beiden Seiten des Schleusenventils 27 die Dichtwirkung noch gar nicht unterstützen kann. Das in F i g. 3 nicht dargestellte Ofenoberteil 11 ist bereits entfernt worden und kann bereits in Verbindung mit einer weiteren Kokille und einer Schleusenkammer für einen weiteren Umschmelzprozeß eingesetzt werden, während dem die in der Kokille 20 enthaltene Schmelze bzw. der Ingot 21 unter Ausschluß der Atmosphäre abkühlen kann. Zur Entnahme des Ingots 21 wird die Kokille 20 nach unten abgezogen. Im Anschluß daran kann diese oder eine andere Kokille an die Öffnung 18 herangebracht wer den. worauf die Schwinge 37 mit dem Spritzschutzring 28 angehoben und das Schleusenventil 27 in die ir I- i g. 1 dargestellte Position zurückgefahren werden

ίο Nach Aufsetzen des mit einer neuen Abschmelzelek trode 10 beschickten Ofenoberteils 11 ist der Ofen füi einen erneuten Umschmelzprozeß betriebsbereit. Wäh rend der Umschmelzzeit kann eine weitere Schmelze bzw. ein weiterer Ingot in einer benachbarten Kokille

'5 20 analog den vorstehenden Ausführungen unter Aus Schluß der Atmosphäre abkühlen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vakuum-Lichtbogenofen für Abschmelzelektroden, mit einem einen Tiegel umschließenden Unterteil, einem beweglichen Oberteil für die Aufnahme der Abschmelzelektroden, einer zwischen Unterteil und Oberteil angeordneten Schleusenkammer mit einem Schleusenventil und mit einem konzentrisch zur Tiegelachse ausgerichteten Spritzschutzring, dadurch gekennzeichnet, daß der Spritzschutzring (28) vertikal beweglich innerhalb der Schleusenkammer (13) angeordnet und bei geöffnetem Schleusenventil (27) auf dessen Sitz, bei geschlossenem Schleusenventil hingegen auf dessen Oberseite absetzbar und gegen diese verspannbar ist, wobei der Spritzschutzring nach oben in eine Schürze (29) ausläuft, die mit einer in der Schleusenkammer ortsfest angeordneten Gegenschürze (16) über mindestens einen wesentlichen Teil der Vertikalbewegung teleskopartig zusammenwirkt.

2. Vakuum-Lichtbogenofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spritzschutzring (28) in einer seitlich der Tiegelachse gelagerten, die Schürzen (16, 29) haarnadelförmig umgreifenden Schwinge (37) schwenkbar befestigt ist, deren der Lagerung abgekehrtes Ende bzw. Joch (37a) mit einem Antrieb (43) in Verbindung steht.

3. Vakuum-Lichtbogenofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkachse (42) des Spritzschutzringes (28) parallel zur Schwenkachse (38) der Schwinge (37) und durch die Tiegelachse verläuft.