DE3230784C2

DE3230784C2 - Nachweiseinrichtung zum Nachweis einer Grenzschicht bei durch Elektroschlacke-Umschmelzen hergestellten Hohlkörpern

Info

Publication number: DE3230784C2
Application number: DE3230784A
Authority: DE
Inventors: Bernard Chelmsford Mass. Harris; Howard J. Kokomo Ind. Klein
Original assignee: Cabot Corp Boston Mass; Cabot Corp
Current assignee: Haynes International Inc
Priority date: 1981-08-20
Filing date: 1982-08-19
Publication date: 1986-12-04
Also published as: BR8204763A; US4433242A; GB2104423A; JPH0238308B2; GB2104423B; DE3230784A1; JPS5841667A

Abstract

Es wird ein verbessertes Nachweissystem zur Verfügung gestellt, das die Lage der Grenzschicht - geschmolzenes Metall/Schlacke - während dem Schmelzvorgang von Hohlkörpern, Hohlprofilen oder Hohlbarren nachweist, die in einem Elektroschlacke-Umschmelzverfahren hergestellt wurden. Das Nachweissystem umfaßt eine Gammastrahlenquelle (30) und einen Szintillationszähler (40). Die Quelle (30) und der Zähler (40) verbleiben außerhalb des Schmelztiegels (1) und werden beide in festgelegten Abstandsverhältnissen zueinander und in bezug auf den Formkern (10) gehalten. Die Strahlung aus der Quelle (30) wird durch den Schmelztiegel (1) und durch die ringförmige Schmelzzone (9) geführt, die zwischen den Seitenwänden des aufwärts bewegten Formkerns (10) und dem Schmelztiegel (1) definiert ist. Der Zähler (40) liefert ein elektrisches Antwortsignal auf die Rate der Strahlenereignisse, die dadurch nachgewiesen wurden.

Description

(S; Produktion von Abfall mit sich bringt Infolgedessen wurde das zuvor beschriebene Elektroschlacke-Um-

% schmelzverfahren in breitem Umfang dahingehend verändert, daß es das Schmelzen von hohlen Barren zuläßt

^; mit Hilfe derer die Herstellung von hohlen oder röhrenförmigen Enderzeugnissen leichter und schneller mit einem Minimum an Abfallproduktion bewerkstelligt wird. Eine derartige Abänderung des Verfahrens umfaßt die Verwendung eines im Inneren gekühlten Formkerns (mandrel) von geeigneten Dimensionen, wobei der Formkern zentral innerhalb des Schmelztiegels angeordnet ist Der Formkern wird aufwärts vom Boden des

j?'¹; Schmelztiegels aus bewegt, sobald die abschmelzbare Elektrode geschmolzen und der Tiegel gefüllt ist Demge-

i?| maß umgrenzt der Raum zwischen dem zentral angeordneten Formkern und den angrenzenden Wandungen des

P) Tiegels eine ringförige Schmelzzone. Bei der sogenannten Elektroschlacke-Umschmelzerzeugung von Hohlkör-

;; pern bzw. Hohlprofilen wird der Formkern aufwärts mit einer derartigen Geschwindigkeit bewegt daß die

i;_;: Verfestigung des geschmolzenen Metalls in seiner Nähe so verläuft, wie der Formkern durch das geschmolzene

κ? Metall hindurch dringt Das bedeutet, daß die Spitze des aufwärts bewegten Formkerns notwendigerweise an

fu. oder geringfügig über der Grenzschicht geschmolzenes Metall/Schlacke angeordnet wird. Die Geschwindigkeit

Ij mit der die abschmelzbare Elektrode abwärts gegen die sich nach oben bewegende Spitze des Formkerns

$j geführt wird, wird so gesteuert, daß der Zwischenraum zwischen dem Formkern und der Elektrodenspitze im

%'r wesentlichen konstant gehalten wird.

|i Damit man das zuvor beschriebene Elektroschlacke-Umschmelzverfahren zur Herstellung von Hohlkörpern

pi bzw. Halbprofilen erfolgreich durchführen kann, ist es von Bedeutung, daß die Grenzschicht geschmolzenes

U Metall/Schlacke bei ihrem Ansteigen in dem Schmelztiegel in einer fixierten Position bezüglich der Position des

"h sich aufwärts bewegenden Formkerns gehalten wird. Die Geschwindigkeit, mit der der Grenzschichtpegel

i geschmolzenes Metall/Schlacke ansteigt, wird durch die Geschwindigkeit bestimmt, mit der die abschmelzbare

|; Elektrode geschmolzen wird, wobei die Schmelzgeschwindigkeit wechselseitig in erster Linie durch den Strom-

",! fluß durch den Widerstandskreislauf gesteuert wird, der sich zwischen der Stromquelle, der Elektrode, der

; Strömung und dem geschmolzenen Metall aufgebaut hat Sollte sich der Grenzschichtpegel geschmolzenes

§■ Metall/Schlacke mehr als über den Formkern hinaus bewegen, kann sich das geschmolzene Metall, das sich über

Ss der Formkernspitze befindet, frühzeitig verfestigen, wodurch ein sogenanntes Einfrieren des Formkerns auftritt

I Andererseits kann, wenn man den Pegel geschmolzenes Metall/Schlacke übermäßig bezüglich dem Formkern

f' zurückweichen läßt, eine sogenannte "OberlauP-Situation auftreten, wobei das geschmolzene Metall und die

;■'. Strömung unkontrolliert durch den Kern des ringförmig verfestigten Gußmetalls, das unterhalb des sich vor-

i: wärts bewegenden Formkerns zum Stillstand kommt, hindurch absinkt.

I Bei den Elektroschlacke-Umschmelzverfahren zur Herstellung von Hohlkörpern bzw. Formprofilen gemäß

ΐί dem Stand der Technik wird der Nachweis der Position der Grenzschicht geschmolzenes Metall/Schlacke

ί bezüglich dem Formkern üblicherweise mit einer kombinierten Einrichtung aus Gammastrahlenquelle, die

b außerhalb des Schmelztiegels angeordnet ist, und einer Ionisationskammer, die innerhalb des Formkerns angeordnet ist bewerkstelligt Das Gammastrahlenquellenbündel wird direkt durch die ringförmige Schmelzzone

I gegen die den Formkern umschließende Ionisationskammer gerichtet und bezüglich dazu in einer fixierten

> Position gehalten. Infolgedessen verbleibt die Gammastrahlenquelle in einer fixierten Anordnung bezüglich des

!' Formkerns, sobald letzterer aufwärts innerhalb des Schmelztiegels bewegt wird.

I Die GB-PS 15 21 257 beschreibt ein Nachweissystem zum Nachweis der Grenzschicht geschmolzenes Metall/

I Schlacke gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, das eine Gammastrahlenquelle und einen Detektor enthält,

f; eine Halterung für Quelle und Detektor und ein Detektorsignal. Quelle und Detektor sind außerhalb des

ί Schmelztiegels angeordnet, und der Strahlungsweg verläuft ohne Kreuzung durch den Formkern.

ξ Auch die GB-PS 14 13 627 beschreibt eine ähnliche Vorrichtung.

ji. Es wurde gefunden, daß die bekannten Nachweiseinrichtungen unempfindlich und ungenau sind, was u. a. auf

f den Einfluß des Formkerns auf die Messung zurückzuführen ist.

I Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Nachweiseinrichtung mit besserer Empfindlichkeit und Genauigkeit zu schaffen.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß der Strahlengang der Gammastrahlenquelle auf einer außermittigen

I Wegstrecke der Reihe nach die Wandungen des Schmelztiegels, den ringförmigen Querschnitt der Schmelzzone

j^: und noch einmal die Wandungen des Schmelztiegels ohne eine direkte Berührung des Strahls mit dem Formkern

i.; durchläuft.

% Das Nachweissystem der vorliegenden Erfindung ist verbunden mit einem Elektroschlacke-Umschmelztiegel,

;,> der mit einem Formkern, welcher für eine Aufwärtsbewegung ausgerüstet ist, und mit Einrichtungen versehen

|i ist, um eine abschmelzbare Elektrode abwärts in den Tiegel hinein zu bewegen. Eine ringförmige Schmelzzone

i ist durch die innere Seitenwand des Schmelztiegels und die äußere Seitenwand des Formkerns über die gesamte

Sf Länge der aufwärts fortschreitenden Bewegung des Formkerns begrenzt. Das erfindungsgemäße Nachweissy-

I stern enthält eine Gammastrahlenquelle und einen Szintillationszähler, wobei beide Elemente außerhalb des

I Elektroschlacken-Umschmelztiegels angeordnet sind und beide Elemente in hinsichtlich des Abstandes fixierten

jj: Positionen bezüglich des Formkerns und jeweils zueinander gehalten werden. Die Gammastrahlenquelle ist in

|'^; der Weise angeordnet, daß ihre Strahlung durch die ringförmige Schmelzzone entlang einem Strahlungsweg

;= verläuft, der eine direkte Berührung zwischen ihr und dem Formkern vermeidet Der Szintillatinnszähldetektor

¹ ist an dem entgegengesetzten Ende des solchermaßen definierten Strahlenweges in der Weise angeordnet, um

;■ diese Strahlung nachzuweisen, die durch die Wandungen des Tiegels hindurch eindringen. Wenn es erwünscht ist, werden die Gammastrahlenquelle und der Szintillationszähler abgeschirmt und in der Weise kollimiert, daß

■ eine Erzeugung von Rückstreuung und deren Nachweis weitgehend reduziert wird.

; Bei den nachfolgenden Zeichnungen zeigt die Fig. 1 eine schematische, diagrammatische, teilweise aufge-

; schnittene Seitenansicht eines Elektroschlacke-Schmelz-Ofens für die Herstellung von Hohlprofilen oder Hohl-

: körpern während dem Ablauf eines Umschmelzvorgangs, wobei dieser Ofen mit einem erfindungsgemäßen

Nachweissystem für die Grenzschicht geschmolzenes Metall/Schlacke ausgerüstet ist. Außerdem wird in Form eines Blockdiagramms eine typische Widerstandsschaltung gezeigt, die dafür ausgerüstet ist, die schmelzbare Elektrode zu schmelzen, und zusätzlich ein elektronisches Diagramm, das eine geeignete, ein Signal verarbeiten- '

de Schaltung für das Szintillationszähler-Strahlungsnachweis-Element des erfindungsgemäßen Systems beinhaltet. »ι

Die Fig. 2 zeigt eine schematische, diagrammatische Teilansicht eines Elektroschlacke-Schmelz-Ofens gemäß Fig. 1 zur Herstellung von Hohlkörpern oder Hohlprofilen, entsprechend der dort gezeigten Linie 2-2', von ι

oben. V

In den Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Aufbauteile bedeuten, enthält der Elektroschlaf '"] ίο ke-Schmelz-Ofen für Hohlkörper oder Hohlprofile einen Schmelztiegel 1, der in sich einen Formkern 10 und '

eine abschmelzbare Metallelektrode 15 aufweist. Der Tiegel 1 enthält eine innere Seitenwand 2, in der Regel aus einem Metall mit einer guten Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. Kupfer, wobei diese Seitenwand 2 durch einen im ' Abstand angeordneten Kühlmantel 3 in der Weise umgeben wird, daß dazwischen eine Kühlmittel-Strömungskammer 4 definiert wird. Ein Kühlmittel wie z. B. Wasser wird in diese Strömungskammer 4 durch einen Einlaß 5 zugeführt und durch einen Auslaß 6 abgeführt. Der Boden des Tiegels 1 wird durch ein getrennt angeordnetes,

von außen gekühltes Gestell 7 definiert, das eine zentrale öffnung 8 von einer Größe und einer geometrischen ₍T Anordnung aufweist, die in der Lage ist, den Formkern 10 satt anliegend aufzunehmen. Beim Anfahren des Elektroschlacke-Umschmelzprogramms wird der Formkern 10 innerhalb der öffnungen 8 angeordnet, wodurch ! sich ein Verschluß für den Boden des Schmelztiegels 1 ausbildet.

Der Formkern 10, der hohl ist, ist zu einer aufwärts gerichteten, im wesentlichen koaxialen Bewegung ^ innerhalb des Schmelztiegels 1 vermittels einer Einrichtung eines röhrenförmigen Axialdruck-Bauteiles 11 in der Lage, das seinerseits an dessen Boden befestigt ist, wobei dieses Bauteil 11 eine konzentrisch angeordnete Kühlmittelzufuhr-Rohrleitung 12 enthält. Das Kühlmittel wird in den Formkern 10 durch die Rohrleitung 12 eingespeist und durch den ringförmigen Raum 13 abgezogen, der zwischen der Rohrleitung 12 und dem röhrenförmigen Bauteil 11 definiert ist Das untere Ende dieses röhrenförmigen Bauteils 11 ist an einer geeigneten Hebevorrichtung 68 befestigt, die in der Regel eine hydraulische Vorrichtung darstellt

Die abschmelzbare Metallelektrode 15 hängt im wesentlichen koaxial in dem Schmelztiegel 1 und wird mittels eines Tragarms 16 geführt, wobei die Elektrode 15 in der Regel an einem Ende dieses Tragarms 16 dadurch befestigt ist, daß es von Anfang an fest an Ort und Stelle verschmolzen ist. Das andere Ende dieses Tragarms 16 ist mit einer geeigneten, nicht gezeigten Hebevorrichtung fest verbunden, die ihrerseits in der Lage ist, in ι

gesteuerter Weise die Metallelektrode 15 innerhalb des Schmelztiegels 1 anzuheben und abzusenken.

Beim Starten des Elektroschlacke-Umschmelzverfahrens wird der Formkern 10 innerhalb der öffnung 8 des Gestells 7 angeordnet, wodurch sich ein Bodenverschluß des Schmelztiegels 1 einstellt Der Schmelztiegel 1 wird mit einer vorher bestimmten Charge eines geeigneten Schmelzmittels 20 beschickt, und die abschmelzbare Metallelektrode 15 wird in das Schmelzmittel in einem vorgewählten Abstand zwischen derem unteren Ende und dem oberen Ende des Formkerns 10 abgesenkt Das Gestell 7 bildet eine übliche Erdung mit der Erdleitung der Stromversorgungsquelle 25, wobei hierfür in der Regel eine Wechselstromquelle verwendet werden kann. Die spannungsführende Leitung der Stromversorgungsquelle 25 ist elektrisch mit der abschmelzbaren Metallelektrode 15 über einen Tragarm 16 verbunden, wodurch der Widerstandsschmelzkreislauf des Systems vervollständigt wird, indem die Schicht des Schmelzmittels 20 als das hauptsächliche Widerstandselement bewirkt Der Strom (oder die Stromstärke) der Stromversorgungsquelle 25 wird beispielsweise mit Hilfe eines Steuergerätes 24 gesteuert wodurch die Schmelzgeschwindigkeit der Metallelektrode 15 gesteuert wird. Sobald die Metallelektrode 15 schmilzt, werden die teilweise dabei gebildeten Verunreinigungen mit Hilfe des Schmerzmittels 20 weggespült und das gereinigte, geschmolzene Metall sammelt sich in der kreisförmigen Schmelzzone 9 an, die zwischen der Seitenwand des Formkerns 10 und der Seitenwand 2 des Schmelztiegels 1 definiert ist Das geschmolzene Metall wird infolge der Wärmeabführung durch das Kühlmittel, das durch den Formkern 10, die Strömungskammer 4 und das Gestell 7 hindurchströmt bis zur Verfestigung abgekühlt Der Formkern 10 wird aufwärts durch das sich verfestigende geschmolzene Metall gesteuert, währenddessen der Abstand zwischen der Formkern-Spitze und der Metallelektrode mittels geeigneter Steuerung der Elektrodenzufuhrgeschwindigkeit in den Schmelztiegel 1 aufrechterhalten wird. Beim Schmelzvorgang bildet sich eine Grenzschicht 100 aus geschmolzenem Metall/Schlacke, die in dem Schmelztiegel 1 ansteigt sobald der Schmelzvorgang der Metallelektrode 15 fortschreitet Für eine erfolgreiche Arbeitsweise ist es wichtig, daß der Formkern 10 in den Schmelztiegel 1 mit einer derartigen Geschwindigkeit aufwärts gesteuert wird, daß die Grenzschicht 100 geschmolzenes Metall/Schlacke bei einem im wesentlichen hinsichtlicht der Lage des Formkerns 10 fixierten Pegel gehalten wird Sollte die Aufwärtsgeschwindigkeit des Formkerns zu hoch sein, kann dies durch das geschmolzene Metall in dem Schmelzmittel 20 gesteuert werden, wobei man letzten Endes das geschmolzene Metal] (und das Schmelzmittel) hinter den Formkern und in den Kernraum des nachkommenden, verfestigten ringförmigen Gußmetallproduktes und durch die Öffnung 8 hindurchströmen läßt Dieses Entweichen bzw. dieses Auslaufen stoppt nicht nur den Fluß aufgrund des Verlustes an Schmelzmittel-Widerstandselement sondern bringt in der Regel außerdem eine beträchtliche Stillstandszeit für Reparatur und Reinigung der ^;

Hebevorrichtung 68 für das Axialdruck-Bauteil 11 und die damit verbundenen Schläuche und elektrischen Kabel L "■

mit sich, aufgrund des Kontaktes und der Verbrennung durch ausströmendes geschmolzenes Metall und Schmelzmittel. Sollte andererseits die aufwärts gerichtete Bewegung des Formkerns 10 zu langsam sein, kann die Grenzschicht 100 geschmolzenes Metall/Schlacke über den Formkern 10 ansteigen und damit das geschmolzene Metall übertrieben stark abkühlen, bevor es mit Hilfe des Formkerns 10 eindringt und sich verfestigen wird '

oder teilweise verfestigen wird, bevor der Verformungsvorgang des Metalls durch den Formkern abläuft Eine derartige Verzögerung oder derartiges Nacheilen des Formkerns 10 hinter die Grenzschicht 100 geschmolzenes Metall/Schlacke kann eine Einfrierbedingung schaffen. Wird die zum Antreiben des Formkerns 10 durch das sich _;

verfestigende geschmolzene Metall erforderliche Kraft übermäßig groß, verlangsamt sich die Formkern-Geschwindigkeit 10 für gewöhnlich noch mehr, und letzten Endes wird der Formkern in dem sich verfestigenden Metall eingeschlossen. Dieser Umstand verursacht natürlich große Schwierigkeiten, da die Entfernung des Formkerns und des Barrens zusasmmen mit dem Schmelztiegel 1 in der Regel schwierig ist und weil das notwendige Bohrhämmern und dergleichen normalerweise die Entfernung des Formkerns aus dem festgesetzten Barren notwendig macht und in der Regel zu einer Zerstörung des Formkerns führt bis zu einem Grad, wo er nicht mehr wiederverwendet werden kann. Außerdem wird damit eine Zerstörung mindestens eines Teils des teilweise schon ausgebildeten Hohlbarrens verursacht.

Infolgedessen ist es klar, daß eine dauernde, genaue Kenntnis des Grenzschichtpegels geschmolzenes Metall/ Schlacke 100 bezüglich des Formkerns 10 notwendig ist, um die zuvor genannten Unfälle beim Verfahren zu vermeiden und um den Betreiber mit geeigneten Daten zu versehen, um das Verfahren wirksam zu steuern. Allgemein gesprochen, ist es notwendig, daß der Grenzschichtpegel geschmolzenes Metall/Schlacke zumindestens innerhalb von etwa ±0,635 cm bezüglich der Lage des Formkerns 10 nachweisbar ist. Bei der vorliegenden Erfindung kann ein Nachweis der Veränderung des Pegels der Grenzschicht 100 geschmolzenes Metall/Schlakke bezüglich der Lage des Formkerns 10 von ± 0,156 cm durchgeführt werden.

Das Nachweiselement der vorliegenden Erfindung ist außerhalb des Schmelztiegels 1 angebracht. Darüber hinaus ist die Gammastrahlenquelle in einer solchen Art und Weise angeordnet, daß ihr primärer Strahlenweg der Reihe nach durchläuft: (a) Die Wandungen des Schmelztiegels 1, (b) den ringförmigen Querschnitt der Schmelzzone und (c) die Wandungen des Schmelztiegels 1, ohne eine direkte Berührung der Strahlung mit dem Formkern 10. Der Formkern 10 und die innere Seitenwand 2 des Elektroschlacken-Umschmelzofens können im wesentlichen von jeglicher äußerer Gestalt sein, die benötigt wird, um Hohlbarren oder Hohlblöcke mit geplanten äußeren und inneren Querschnittsverhältnissen wie z. B. Quadrate, rechte Winkel, Kreise oder irgendeine Kombination davon herzustellen. Dennoch weisen der Formkern 10 und die innere Seitenwand 2 des Schmelztiegels 1 bei der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnungen einen kreisförmigen Querschnitt auf. Da zur Zeit die Kombination von kreisförmigen inneren und äußeren Querschnitten bei durch Elektroschlacke-Umschmelzverfahren hergestellten Hohlbarren oder Blöcken von großer kommerzieller Bedeutung ist, bedeutet diese Kombination der geometrischen Verhältnisse von Formkern und Schmelztiegel eine bevorzugte, jedoch nicht notwendige Ausführungsform der Erfindung, wobei die nachstehenden Grundgedanken der Erfindung auch auf andere spezifische geometrische Verhältnisse von Schmelztiegel und Formkern angewandt werden können.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Nachweissystem für die Grenzschicht geschmolzenes Metall/Schlacke eine Gammastrahlenquelle 30, einen Szintillationszähler 40 und Einrichtungen 50 aufweist, um die Quelle 30 und den Zähler 40 in einer mechanisch festen Verbindung hinsichtlich des Formkerns 10 und miteinander fest zu verbinden.

Die Gammastrahlenquelle 30 enthält ein geschütztes Gehäuse 31, das ein Quellenmaterial wie z. B. Cäsium 137 oder Kobalt 60 aufnimmt Das Gehäuse 31 ist mit einem Verschluß ausgerüstet, schematisch gezeigt bei 32, der zum öffnen und Schließen ausgerüstet ist, wodurch man die Strahlung durch die öffnung 33 hindurch als Strahlenbündel 34 entweichen läßt oder diese Strahlung innerhalb des Gehäuses 31 vollständig einschließt. Erwünschtermaßen ist die öffnung 33 in geeigneter Weise abgeschirmt bzw. geschützt, um die Quellenstrahlung in einem engen Strahlenbündel zu kollimieren.

Der Szintillationszähler 40 verwendet als Nachweiselement ein auf Strahlung ansprechendes Kristallelement, wie z. B. Kadmiumwolframat Kalziumwolframat oder Natriumiodid, wobei dieses Element angeregt wird, um abhängig von der Gammastrahlung, die dabei gemessen wird, Licht aussendende Impulse zu erzeugen. Diese Lichtimpulse werden wechselseitig durch einen Sekundärelektronen-Vervielfacher gemessen, der das Signal verstärkt und dasselbe in ein meßbares elektrisches Signal umwandelt Bei der praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung enthält das bevorzugte Kristallmeßelement ein mit Thallium dotiertes Natriumiodid. In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Nachweissystems ist das Kristallmeßelement des Zählers 40 abgeschirmt und hinsichtlich des Strahlenbündels 34 in der Weise kollimiert, daß die Messung von Gammastrahlungsrückstreuung minimalisiert wird. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält das Meß- oder Fühlerkristallelement außerdem noch einen inneren Strahlungsbezugsstandard, wie z. B. Americium-241, um die aufgenommene und gemessene Strahlung der Gammastrahlenquelle 30 bereichsweise zu stabilisieren, mit Hilfe eines kontinuierlichen oder periodischen elektronischen Vergleichs des nachgewiesenen Strahlenbündels gegenüber diesem inneren Bezugsstandard. Szintillationszähler, einschließlich solcher Geräte, die die zuvor bevorzugten Merkmale aufweisen, sind bekannt

Die Gammastrahlenquelle 30 und der Szintillationszähler 40 werden mit Hilfe der Einrichtung 50 in einem bestimmten räumlichen Abstandsverhältnis bezüglich des Formkerns 10 und zueinander gehalten. Diese Einrichtung 50 kann z. B. die Form eines Trageteils 51 aufweisen, wobei dessen Mitte mit einem röhrenförmigen Axialdruckelement 11 verbunden ist und seitlich von der Längsmittellinie durch eine Einrichtung mit seitlichem Arm 611 verschoben wird. Seitlich von dem Mittelpunkt des Trägerteils 51 ragen Trägerarme 52 und 53 heraus, wobei deren Enden über den Umfang des Gestells 7 hinaus angeordnet sind. Dadurch wird ein ausreichender Zwischenraum für die Nachweiseinrichtung geschaffen, ebenso wie auch die Verwendung von sehr breiten Schmelztiegeln ermöglicht wird, für die das Gestell 7 ausgelegt ist Starr mit diesen Enden der Arme 52 und 53 sind vertikale Abstützbauteile 54 und 55 verbunden, wobei die Teile eine ausreichende Länge aufweisen, um die Gammastrahlenquelle 30 oder den Szintillationszähler 40 in die richtige Lage zu bringen, wie es bei einem ausgewählten Pegel bezüglich des Formkerns 10 der Fall sein kann. Wenn es erwünscht ist, werden die Abstützarme 54 und 55 mit Einrichtungen 56 und 57 zum Eisntellen ihrer Länge versehen. Diese Einrichtungen 56 und 57 können z. B. die Form einer aufgeschraubten Hülse oder eines Ringes haben, in die die oberen Armabschnitte 54b und 55b einzeln aufgeschraubt und in Längsrichtung bezüglich der unteren Armabschnitte 54a und 55a eingestellt werden können, wenn es notwendig ist eine einzelne Höhenverstellung der Gammastrahlenquelle 30

und des Szintillationszählers 40 zueinander und bezüglich des Formkerns 10 vorzunehmen. Wie man aus der vorgenannten Anordnung ersehen kann, werden bei einer derartigen einzelnen Einstellung der Längen der vertikalen Abstützbauteile 54 und 55 bezüglich des Formkerns 10 und zueinander die Abstandsverhältnisse des Formkerns 10, des Szintillationszählers 40 und der Gammstrahlenquelle 30 festgelegt und verbleiben im nachhinein im wesentlichen unverändert, sobald der Formkern 10 während des Verlaufs seiner Umschmelzarbeitsstufe aufwärts durch den Schmelztiegel 1 geschoben wird.

Wie man noch deutlicher unter Bezugnahme der Fig. 2 sehen kann, besteht ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Systems in der achsenentfernten oder außermittigen Wegstrecke, die das Strahlenbündel 34 zurücklegt. Diese Wegstrecke verläuft durch die ringförmige Schmelzzone 9, die zwischen der äußeren Seitenwandoberfläche des Formkerns 10 und der inneren Oberfläche der Seitenwand 2 des Schmelztiegels 1 definiert ist, und vermeidet eine direkte Berührung des Strahlenbündels (anders als eine derartige aufgrund von Rückstreuung) mit dem Formkern 10. Während man theoretisch annehmen könnte, daß die maximale Nachweisempfindlichkeit des Pegels geschmolzenes Metall/Schlacke des erfindungsgemäßen Systems dann erhalten wird, wenn das Strahlenbündel 34 in der Weise eingestellt wird, daß die maximal mögliche Wegstreckenlänge innerhalb der ringförmigen Schmelzzone 9 durchlaufen wird, ist dies tatsächlich überraschenderweise nicht der Fall. Wenn der äußere Umfang der Schmelzzone durch eine ringförmige Seitenwand 2 begrenzt wird, werden die kombinierten Vorteile der maximalen Nachweisempfindlichkeit des Pegels geschmolzenes Metall/Schlacke und einer minimalen benötigten Strahlenquellenstärke dann verwirklicht, wenn der Sehnenwinkel θ (chord angle) des Strahlenbündels 34 in der Weise ausgewählt wird, daß der numerische Wert des Ausdruckes UeA in Gleichung 1 maximiert wird

/ ₌ _exp _ P^₁ ^_]452 _ _2304sin2 ßya ₊ ₂^(48cos θ - (1452 - 2304sin² #"²)]

£/\ COS \s

wobei der ρ die gemessene Durchschnittsdichte im Tiegel 1 (g/cm₃) ist; ~μ der gemessene Durchschnittsmassenabsorptionskoeffizient (cm2/g) ist; /die gemessene Strahlungsintensität ist (Anzahl der Zählungen pro Sekunde); ε der Nachweiswirkungsgrad des Szintillationszählers 40 ist (Dezimalquotient der Anzahl der Strahlungen pro Sekunde, die mit dem Szintillationszähler 40 gemessen wurde, dividiert durch die wirkliche Anzahl der Strahlungen pro Sekunde, die das Kristallelement des Szintillationszählers 40 erreichen); A die Oberflächenzone (cm²) des Kristallmeßelementes darstellt, das in diesem Szintillationszähler 40 verwendet wird; π die Quellenstärke des Gammastrahlungsquellenmaterials ist (Curie) und θ den eingeschlossenen Winkel darstellt, der als Winkel definiert ist zwischen einem gedachten Schenkel (imaginary leg) zwischen den longitudinalen Achsen der Strahlenquelle 30 und des Formkerns 10 und dem Schenkel der wirklichen Wegstrecke des Strahlenbündels 34.
Die gemessene Durchschnittsdichte im Tiegel 1, ρ kann in Verbindung mit Gleichung 2 bestimmt werden.

GLEICHUNG 2

P- Xj + Xa

in der pi die Dichte des bei der Konstruktion des Schmelztiegels 1 verwendeten Metalls ist (g/cm³); pt, die Dichte der Kühlmittelflüssigkeit darstellt, die zum Kühlen des Tiegels 1 verwendet wurde (g/cm³); X% die gesamte Wegstreckenlänge durch das Metall ist, die von dem Strahlenbündel 34 zurückgelegt wird (cm); Xa die gesamte Wegstreckenlänge durch die Kühlmittelflüssigkeit ist die vom Strahlenbündel 34 zurückgelegt wird (cm).
Der gemessene durchschnittliche Massenabsorptionskoeffizient ~μ kann in Verbindung mit Gleichung 3 bestimmt werden

GLEICHUNG 3
X X

^μ~ Xz + Xa

in der μζ und μ-Α die Massenabsorptionskoeffizienten des Metalls des Schmelztiegels 1 und der Kühlmittelflüssigkeit darstellt (cmVg).

Praktisch bedeuten die Ausdrücke in Gleichung 1, daß eine maximale Übertragung der Energie des Strahlenbündel 34 auf das Nachweiselement des Szintillationszählers 40 bei der praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung dann abläuft, wenn das Strahlenbündel 34 gerade die innere Oberfläche der kreisförmigen Seitenwand 2 des Schmelztiegels 1 streift
Eine Anordnung der bevorzugten Ausführungsform des Szintillationszählers 40 mit einem Nachweiskristall, das mit einem Gammastrahlungsbezugsmaterial dotiert ist geeignet für eine elektronische Signalaufbereitung für das erfindungsgemäße System, wird in dem schematischen Blockdiagramm in flg. 1 gezeigt. Der Szintillationszähler 40 wird dabei mit Hochspannung aus einer Hochspannungsquelle 60 versorgt Das mittels eines Sekundärelektronenvervielfachers erhaltene elektrische Ausgangssignal des Zählers 40 wird in einen stabilisierten, verstärkten Einkanal-Analysator 61 eingegeben, wobei dieser Analysator 61 bei den Energiepeaks des Bezugsdotierstoffes sperrt die mit Hilfe des Kristalles bei stabilisierter Betriebsweise gemessen wurden. Das solchermaßen bereichsweise stabilisierte, lineare Ausgangssignal des Verstärkers/Analysators 61 wird sodann zu einem Einkanal-Analysator geführt wo die Summation von E+ ΔΕ elektronisch bewerkstelligt wird. Dieses Signal wird sodann in einen Impulsfrequenzmesser 64 eingegeben, der die Gammastrahlensignale zählt die von

Π, dem Szintillationszähler 40 abgetastet wurden, und es wird ein geeignetes elektrisches Signal für die Eingabe in

f>; einen Datenspeicher und/oder ein Sichtgerät wie z. B. ein Streifenschreibrekorder 65 oder ein Voltmeter 66

ff geliefert. Unter diesen Bedingungen, bei denen die Grenzschicht 100 geschmolzenes Metall/Schlacke in bezug

% auf eine Ebene mit vorher ausgewählter gegebener Größe ansteigt, wird das Strahlenbündel 34 durch einen

?:< vergleichsweise größeren Anteil geschmolzenen Metalls abgefangen bzw. unterbrochen, wobei die Strahlenbün-

B delenergie, die von dem Szintillationszähler 40 abgetastet wurde, im wesentlichen gedämpft wird. Infolgedessen

i? wird die abgetastete, sich verringernde Zählrate mittels des Streifenschreibrekorders 65 oder des Voltmeters 66

<'$ dargestellt. Dadurch wird der Betreiber des Elektroschlacke-Schmelzens vor dem Ansteigen der Grenzschicht

f' geschmolzenes Metall/Schlacke in bezug auf eine Ebene mit vorher ausgewählt -n Größen gewarnt. Anderer-

U seits wird in solchen Fällen, wo die Grenzschicht 100 geschmolzenes Metall/Schiacke hinter den vorher ausge-

i'i wählten Größen der Ebene nacheilt, das Strahlenbündel 34 durch einen größeren Anteil an Schmelzmittel und

I einen kleineren Anteil an geschmolzenem Metall abgefangen bzw. unterbrochen. Da das Schmelzmittel das

ff Strahlenbündel 34 zu einem geringeren Betrag als das geschmolzene Metall dämpft, kommt ein wesentlicher

I Anstieg in der Ereignisrate vor, die durch den Szintillationszähler 40 abgetastet wurde. Diese Bedingung wird

außerdem durch den Streifenschreibrekorder 65 oder das Voltmeter 66 angezeigt, wodurch der Betreiber des Elektroschlacke-Umschmelzen davor gewarnt wird, daß die Grenzschicht 100 bezüglich einer aufwärts gerichteten Translation des Formkerns 10 nacheilt Außerdem läßt dies zu, daß der Betreiber die Geschwindigkeit des Formkerns ausgleichend verlangsamt und/oder die Schmelzrate der Elektrode 15 steigert. Wenn es gewünscht wird, kann der Impulsfrequenzmesser 64 mit einem Steuergerät 67 für die Hebevorrichtung 68 gekuppelt werden, wodurch sich eine wesentliche Steigerung der automatischen Kontrolle des Elektroschlacke-Um-Schmelzverfahrens zur Herstellung von Hohlprofilen oder Hohlkörpern erreichen läßt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

25

f

Claims

Patentansprüche

1. Nachweiseinrichtung zum Nachweis einer Grenzschicht bei in einem Elektroschlacke-Schmelzofen hergestellten Hohlkörpern mit einem Schmelztiegel; einem Formkern, der koaxial bzw. axial in dem Schmelz-

tiegel angeordnet ist, wobei der Formkern aufwärts bewegbar ist, mit einer ringförmigen Schmelzzone

zwischen dem Formkern und dem Schmelztiegel, und mit als Abstandhaltern zwischen dem oberen Ende des Formkerns und dem unteren Ende der Elektroden ausgebildeten Hebevorrichtungen für eine abschmelzbare Metallelektrode und den Formkern, sowie mit einem Nachweissystem zum Nachweis der Grenzschicht geschmolzenes Metall/Schlacke, das eine Gammastrahlenquelle und einen Szintillationszäh-

ler enthält, die außerhalb des Schmelztiegels angeordnet sind, wobei die Gammastrahlenquelle und der

Szintillationszähler in festgelegten Abstandsverhältnissen bezüglich des Formkerns und zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlengang der Gammastrahlenquelle (30) auf einer außermittigen Wegstrecke der Reihe nach die Wandungen des Schmelztiegels (1), den ringförmigen Querschnitt der Schmelzzone (9) und noch einmal die Wandungen des Schmelztiegels (1) ohne eine direkte Berührung des Strahls mit dem Formkern (10) durchläuft

2. Nachweiseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sehnenwinkel der Wegstrecke des Strahlenbündels so ausgewählt ist, da& der numerische Wert des Ausdrucks UsA in der Gleichung

_)sß -(1452-2304 sin²

eA cos'& ^r ^L ^"

wobei ρ die gemessene Durchschnittsdichte im Schmelztiegel (1) (g/cm³) ist, μ der gemessene Durchschnittsmassenabsorptionskoeffizient (cm²/g) ist; /die gemessene Strahlungsintensität ist (Anzahl der Zählungen pro Sekunde); ε der Nachweiswirkungsgrad des Szintillationszählers (40) ist (Dezimalquotient der

Anzahl der Strahlungen pro Sekunde, die mit dem Szintillationszähler (40) gemessen wurde, dividiert durch

die wirkliche Anzahl der Strahlungen pro Sekunde, die das Kristallelement des Szintillationszählers (40) erreichen); A die Oberflächenzone (cm²) des Kristallmeßelements darstellt, das in diesem Szintillationszähler (40) verwendet wird; η die Quellenstärke des Gammastrahlungsquellenmaterials ist (Curie) und Öden eingeschlossenen Winkel darstellt, der als Winkel definiert ist zwischen einem gedachten Schenkel zwischen

den longitudinalen Achsen der Gammastrahlenquelle (30) und des Formkerns (10) und dem Schenkel der wirklichen Wegstrecke des Strahlenbündels (34), maximiert wird.

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Nachweiseinrichtung zum Nachweis einer Grenzschicht bei in einem Elektroschlacke-Schmelzofen hergestellten Hohlkörpern mit einem Schmelztiegel; einem Formkern, der koaxial bzw. axial in dem Schmelztiegel angeordnet ist, wobei der Formkern aufwärts bewegbar ist, mit einer ringförmigen Schmelzzone zwischen den Formkern und dem Schmelztiegel, und mit als Abstandhaltern zwischen dem oberen Ende des Formkerns und dem unteren Ende der Elektroden ausgebildeten Hebevorrichtungen für eine abschmelzbare Metallelektrode und den Formkern, sowie mit einem Nachweissystem zum Nachweis der Grenzschicht geschmolzenes Metall/Schlacke, das eine Gammastrahlenquelle und einen Szintillationszähler enthält, die außerhalb des Schmelztiegels angeordnet sind, wobei die Gammastrahlenquelle und der Szintillationszähler in festgelegten Abstandsverhältnissen bezüglich des Formkerns und zueinander angeordnet sind.

Das Elektroschlacke-Umschmelzen von Metallen, insbesondere von hochwertigen Legierungen, wie z. B. auf Kobalt und Nickel basierenden hochwertigen Legierungen hat eine wesentliche kommerzielle und technische Bedeutung gewonnen. Allgemein beinhaltet das Elektroschlacke-Umschmelzen das Widerstandsschmelzen einer abschmelzbaren Metallelektrode, wobei deren Schmelzende in eine Strömungsschicht eingetaucht ist, die das geschmolzene Metall im darunter befindlichen Becken bedeckt. Es wird ein von außen gekühlter, länglicher Gußtiegel verwendet, um die äußere Oberfläche des Gußmetalls aufzunehmen und zu begrenzen, sobald es

hergestellt wird, und die Strömungsschicht auf dem geschmolzenen Metall zu begrenzen. Sobald ein Elektroschlacke-Umschmelz-Prozeß in Gang gesetzt ist, steigt der Pegel der Grenzschicht geschmolzenes Metall/ Schlacke innerhalb des Gießtiegels an, wobei sie das verfestigte Gußmetallprodukt dabei zurückläßt. Das Schmelzende der schmelzbaren Elektrode wird in einem bestimmten Abstandsverhältnis bezüglich der Oberfläche des geschmolzenen Metalls im Becken gehalten, wobei die dazwischen kommende Strömungsschicht als ein

elektrisches Widerstandselement in dem Stromverlauf wirkt. Außerdem wirkt die Strömungsschicht als thermischer Isolator, als Barriere zwischen dem geschmolzenen Metall und der Umgebungsatmosphäre und als Spülmittel für die Verunreinigungen, die von der Schmelzelektrode zurückgelasen werden, sobald diese schmilzt. Infolgedessen wirken die Elektrode, die Strömungsschicht und das geschmolzene Metall physikalisch, elektrisch und chemisch während dem Umschmelzvorgang, um ein veredeltes Gußmetall-Produkt zu ergeben.

Es ist wünschenswert, daß die äußere Gestalt des durch Elektroschlacke-Umschmelzen erzeugten Produktes derart ist, daß die Anzahl und das Ausmaß der maschinellen und formbildenden Vcriahrcu&5i:!'ii"iüc verringert werden, die im Nachhinein bei der Herstellung der Endprodukte benötigt werden. Infolgedessen wird in manchen Fällen das Gießen der durch Elektroschlacke-Umschmelzen hergestellten festen Barren zu geeigneten Dimensionen und äußeren Formen ausreichen, um dieser Notwendigkeit zu entsprechen. Dennoch gibt es unverkennbar viele Enderzeugnisse von Interesse, wie z. B. röhren- oder scheibenförmige Produnkte, die Hohlkerne enthalten. Um nun feste Barren notwendigerweise maschinell zu bearbeiten, zu bohren, zu reiben, zu schmieden und in anderer Weise zu den gewünschten hohlförmigen Erzeugnissen auszubilden, wird in der Regel eine unerwünschte, arbeitsintensive Verfahrensweise notwendig, die oftmals außerdem noch eine übermäßige