DE3231316A1

DE3231316A1 - Verfahren und vorrichtung zur steuerung des abgiessens einer schmelze aus einem schmelzenbehaelter mit einer bodenoeffnung

Info

Publication number: DE3231316A1
Application number: DE19823231316
Authority: DE
Inventors: Friedrich-Carl Dipl.-Ing. 3500 Kassel Freytag; Josef 6454 Bruchköbel Gediga; Rolf Dr.-Chem. 6450 Hanau Ruthardt; Wolfgang Dr.Phys. 6451 Neuberg Wagner
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1982-08-23
Filing date: 1982-08-23
Publication date: 1984-04-12
Also published as: US4562943A; JPS5966970A

Description

19. August 1982 82513

LEYBOLD-HERAEUS GmbH
Bonner Straße 504

5000 Köln - 51

Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung des Ab gießens einer Schmelze aus einem Schmelzenbehälter mit einer Bodenöffnuna "

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung des Abgießens einer Schmelze nach dem Aufschmelzen eines festen Ausgangsmaterials aus einem Schmelzenbehälter mit einer Bodenöffnung, die während des Aufschmelzens durch eine Verschlußplatte aus schmelzfähigem, vorzugsweise mit der Schmelze kompatiblem Werkstoff verschlossen ist, wobei die Verschlußplatte durch Wärmeübertragung aus der Schmelze örtlich durchschmilzt.

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Durch die DE-OS 20 16 889 ist ein derartiges Verfahren bekannt, bei dem der Zeitpunkt des Durchschmelzens der Verschlußplatte durch deren Dicke gesteuert werden soll. Insbesondere soll die Verschlußplatte in der Mi^:t.e einen Abschnitt mit verminderter Dicke aufweisen. Eine derartige Steuerung ist jedoch außerordentlich ungenau.

Zunächst einmal soll die Verschlußplatte die gleiche Zur sammensetzung aufweisen wie die Schmelze, da sich das Material der Verschlußplatte beim Durchschmelzen notwendigerweise mit der Schmelze mischt. Bei artfremdem Material würde dies zu einer Verunreinigung führen. Damit hat aber das Material der Verschlußplatte notwendigerweise den gleichen Schmelzpunkt wie das Ausgangsmaterial. Soll die Schmelze vor dem Abguß eine Temperatur erhalten, die über dem Schmelzpunkt liegt, so kann dies nur durch rasches und örtlich begrenztes Aufschmelzen des Ausgangsmaterials sowie durch einen Temperaturgradienten in Richtung auf die zunächst kalte Verschlußplatte geschehen. Mit anderen Worten: Die Wärmeträgheit der Verschlußplatte wird dazu benutzt, um eine Zeitverzögerung bis zum Durchschmelzen der Verschlußplatte zu erhalten. Die Vorgänge sind aber in der Praxis nicht ausreichend reproduzierbar.

Beispielsweise ist der Wärmeübergang von der Schmelze auf die Verschlußplatte von der Temperaturverteilung innerhalb der Schmelze bzw. von etwaigen Mischvorgängen in der Schmelze abhängig. Die örtliche Verteilung der Schmelzentemperatur ist wiederum abhängig vom Wärmeübergang der notwendigerweise vorhandenen Heizvorrichtung, die in der

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Regel als Induktionsspule ausgebildet ist, die den Schmelzenbehälter auf einem mehr oder weniger großen Teil seiner Höhe umgibt. Hierdurch und durch unterschiedliche Schmelzenmengen bedingt, kann eine unterschiedliche, kaum beherrschbare thermische und induktive Ankopplung der Verschlußplatte die Folge sei, so daß der genaue Zeitpunkt ihres Durchschmelzens nicht mehr bestimmbar ist. Hinzu kommt weiterhin, daß unterschiedliche Wärmeeinflüsse auf die Verschlußplatte davon abhängig sind, ob die Vorrichtung erstmalig aus dem kalten Zustand angefahren wird oder ob sie in ununterbrochenem Betrieb eingesetzt wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art anzugeben, durch das der Zeitpunkt des Abgusses in engen Grenzen festgelegt, insbesondere aber gezielt beeinflußt werden kann.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs beschriebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch, daß man die Verschlußplatte während des Aufschmelzens des Ausgangsmaterials von der Unterseite her kühlt und die Kühlung zur Einleitung des Abgießvorganges zumindest verringert, vorzugsweise aber ganz aufhebt.

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird der thermische Einfluß der Schmelze auf die Verschlußplatte merklich zurückgedrängt, indem zwischen der Unterseite der Verschlußplatte - dies ist der zuletzt durchschmelzende Teil und der Schmelze ein größerer Temperaturgradient erzeugt wird, als dies ohne Kühlung der Fall wäre. Es ist dadurch möglich, die Schmelze über einen längeren Zeitraum zu sammeln

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und insbesondere auch zu überhitzen, ohne daß die Gefahr eines vorzeitigen Durchbruchs der Verschlußplatte besteht. Es ist dabei auch möglich, die Schmelze unter starker Durchmischung zu legierung und/oder Analysen der Schmelze vorzunehmen, ohne daß hierbei unter Zeitdruck gearbeitet werden müßte. Auch ist es durch die Kühlung der Verschlußplatte möglich, die thermische Wirkung einer induktiven Ankopplung an die Induktionsspule zu reduzieren und den Einfluß eines bereits stark erhitzen Schmelzenbehälters und anderer Vorrichtungsteile weitgehend zu kompensieren. Durch Verringerung, insbesondere aber durch vollständige Aufhebung der Kühlung wird erreicht, daß nunmehr der thermische Einfluß der Schmelze auf die Verschlußplatte schlagartig vergrößert wird, so daß diese innerhalb kürzester Zeit durchschmilzt und den Abgießvorgang ermögli c ht.

Die Kühlung kann dabei entweder durch einen auf die Verschlußplatte gerichteten Kühlgasstrom (Inertgas, Edelgas) durchgeführt werden oder durch Anpressen eines Kühl körpers von unten her gegen die Verschlußplatte. Der zuerst genannte Fall eignet sich bevorzugt für Schmelz- und Gießverfahren, die in Schutzgasatmosphäre durchgeführt werden, während die zweite Variante auch unter Vakuum durchführbar ist.

In ganz besonders bevorzugter Weise eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren für die Herstellung von Metallpulver durch Zerstäuben eines schmelzflüssigen Metallstrahls mittels eines gasförmigen Mediums. Es ist hierbei

möglich, die Bodenöffnung des Schmelzenbehälters über eine vorbestimmte Zeit verschlossen zu halten und die Metallschmelze im Tiegel für eine definierte Zeit und bei einer definierten Temperatur zu überhitzen.

Die Kühlung mittels eines Kühlgasstroms hat dabei noch einen zusätzlichen Vorteil: In der Regel muß die Verschlußplatte von unten gegen die Bodenöffnung des Schmelzenbehälters gepreßt werden. Dies geschieht mittels eines Trägers, der die Verschlußplatte trägt und unterhalb der Verschlußplatte eine zu dieser konzentrische Öffnung aufweist. Die Verschlußplatte liegt also nur in einem schmalen Randbereich auf dem genannten Träger auf. Wird nun von unten ein starker Kühl gasstrom gegen die Verschlußplatte gerichtet, so weicht der Gasstrom seitlich aus und kühlt auch merklich den Träger, der beispielsweise aus einer Si 1imanitplatte bestehen kann. Dadurch wird das gesamte Temperaturniveau der betroffenen Vorrichtungsteile entsprechend abgesenkt.

Durch die Dicke und Materialbeschaffenheit des Träger ergibt sich in Verbindung mit der Stärke und Temperatur des Kühlgasstroms eine weitere Möglichkeit einer gezielten Steuerung des Abgußzeitpunkts. Es sei bemerkt, daß im Bereich der Bodenöffnung des Schmelzenbehälters bereits Temperaturunterschiede zwischen 50 und 200 ⁰C völlig ausreichend sind, um eine Entscheidung über den Verschluß oder das öffnen der Bodenöffnung herbeizuführen.

Die Erfindung betrifft weiterhin auch eine Vorrichtung für die Durchführung des beschriebenen Verfahrens, die einen

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Schmelzenbehälter mit einer Bodenöffnung besitzt.

Zur Lösung im wesentlichen der gleichen Aufgabe wird gemäß der weiteren Erfindung vorgeschlagen, daß unterhalb der Bodenöffnung eine Düse angeordnet ist, deren Achse auf die Bodenöffnung ausgerichtet ist.

In besonders bevorzugter Weise ist die Düse an einer beweglichen Halterung befestigt, so daß sie zum Zwecke des Abgiessens aus dem Weg des Gießstrahls herausgeschwenkt werden kann.

Bei einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist unterhalb der Bodenöffnung ein beweglicher Kühlkörper angeordnet, der in Richtung auf die Verschlußplatte bis zur Anlage an dieser beweglich ist.

Der genannte Kühlkörper besteht zweckmäßig aus einem gut wärmeleitenden Metall (Kupfer) und ist mit einem Hohlraum versehen, der über je eine Zu- und Ableitung an einen Kühlmittelkreislauf anschließbar ist.

Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden nachfolgend anhand der Figuren 1 und 2 näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 einen Vertikai schnitt durch eine Schmelz- und Gießvorrichtung mit einer Düse für Kühlgas, und

Figur 2 einen Vertikaischnitt analog Figur 1, jedoch mit einem Kühlkörper anstelle der Düse.

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In Figur 1 ist ein gasdichter Behälter 1 dargestellt, in dem eine schützende Atmosphäre (Vakuum oder Schutzgas) aufrechterhalten werden kann. In dem Behälter ist eine Schmelzvorrichtung 2 aufgehängt, die aus einem Schmelzenbehälter 3 mit einem Boden 4 und einer Bodenöffnung 5 besteht. Der zylindrische Teil des aus einem keramischen Werkstoff bestehenden Schmelzenbehälters 3 ist von einer Wärmedämmung und einem Außenmantel 7 umgeben, der nach Werkstoff und Ausbildung derart beschaffen ist, daß keine induktive Ankopplung erfolgt. Außerhalb des Außenmantels 7 befindet sich eine von Kühlwasser durchströmte Induktionsspule 8.

Unterhalb der Bodenöffnung 5 und konzentrisch zu dieser befindet sich eine Verschlußplatte 9, die aus dem gleichen Werkstoff besteht wie das zu erschmelzende (nicht gezeigte) Ausgangsmaterial. Die Verschlußplatte 9 liegt auf einem Träger 10 auf, der aus einer keramischen Platte 11 und einer Hubvorrichtung 12 besteht, mit der die Verschlußplatte 9 an den Boden 4 angepreßt werden kann.

Im Träger 10, genauer, in dessen keramischer Platte 11, befindet sich eine zylindrische Öffnung 13, die koaxial zur Bodenöffnung 5 und zur Verschlußplatte 9 verläuft und eine kreisringförmige Auflage für die Verschlußplatte 9 bildet.

Unterhalb der Öffnung 13 befindet sich eine Düse 14, deren Achse 14a auf die Bodenöffnung 5 und die Verschlußplatte 9 ausgerichtet ist bzw. mit deren Achse zusammenfällt. Die Düse 14 ist über eine flexible Leitung 15 und ein Ventil mit einem Gasbehälter 17 verbunden, der als Kühlgas Argon

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enthält. Das Kühlgas kann über eine nicht dargestellte Recycling-Anlage aufbereitet und dem Gasbehälter 17 wieder zugeführt werden.

Die Düse 14 ist an einer beweglichen Halterung 18 befestigt,

zu der eine senkrechte Schwenkachse 19 und ein schwenkbarer

Ausleger 20 gehören. Die Schwenkachse 19 ist über zwei

Kragarme 21 am Mantel des Behälters 1 befestigt.

Solange sich die Düse 14 in der eingezeichneten Position befindet und mit einer hinreichenden Menge Kühlgas beaufschlagt wird, richtet sie einen kräftigen Gasstrom gegen die Verschlußplatte 9 und die Laibung der 'Öffnung 13 in der Platte 11, so daß an dieser Stelle der weiter oben beschriebene Kühleffekt erzeugt wird. Sobald der Kühlgasstrom mittels des Ventils 16 gedrosselt (und die Düse 14 seitlich ausgeschwenkt) wird, verschiebt sich das Wärmegleichgewicht in der Verschlußplatte 9 in Richtung auf höhere Temperaturen, die nach einer vorherbestimmbaren Zeitspanne zum Durchschmelzen der Verschlußplatte 9 führen, so daß aus der Bodenöffnung 5 ein Schmelzenstrom austritt, der mittels einer hier nicht dargestellten Zerstäubungsvorrichtung in feinste Metall ρartikel zerrissen wird, die sich schließlich auf dem Boden 22 des Behälters 1 sammelη.

In Figur 2 sind gleiche Teile wie in Figur 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen. Am freien Ende des Auslegers 20 ist jedoch anstelle der Düse 14 (Figur 1) ein Kühlkörper angeordnet, der die Form eines gedrungenen Zylinders aufweist und gerade eben, d.h. unter Einhaltung ausreichender

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Toleranzen in die öffnung 13 einführbar ist, wie dies durch die gestrichelten Linien angedeutet ist. Zu diesem Zweck besitzt der Kühlkörper 23 einen zylindrischen Schaft 24, der in einer Gleitführung 25 gelagert ist und mittels dieser und eines nicht näher gezeigten Antriebes Vertikai bewegungen in Richtung des Doppelpfeils ausführen kann.

Der Kühlkörper 23 ist über eine Kühlmittelzuleitung 27 und eine Kühlmittelableitung 28 mit einem nicht gezeigten Kühlmittelkreislauf verbunden. Der Behälter ist in diesem Falle als Vakuumbehälter ausgebildet und besitzt für die genannten Kühlmittelleitunaen zwei Vakuumdurchführungen 29 und 30.

Während des Aufschmelzens des nicht gezeigten Ausgangsmaterials im Schmelzenbehälter 3 sowie während einer weiteren Zeitspanne, in der die Schmelze bestimmten Behandlungen unterzogen werden kann, wird der Kühlkörper in der gestrichelt dargestellten Position gehalten und gegen die untere Begrenzungsfläche der Verschlußplatte 9 gepreßt. Dadurch bedingt wird die untere Begrenzungsfläche der Verschlußplatte auf einer Temperatur gehalten, die in der Nähe der Temperatur des Kühlkörpers liegt, also weitaus näher an der Kühlmitteltemperatur als an der Temperatur im Schmelzenbehälter 3. Es ist also nicht möglich, daß die Verschlußplatte 9 örtlich aufschmilzt, solange der Kühlkörper diese Stellung beibehält und von Kühlmittel durchströmt wird. Jeglicher Durchbruch von Schmelze durch die Verschlußplatte 9 würde sofort zu einem erneuten Erstarren der Schmelze führen, d.h. die gezeigte Vorrichtung würde im Extremfall eine Art "Einfrierventil" darstellen.

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Für die Einleitung des Abgießvorganges wird lediglich der Kühlkörper 23 in die ausgezogen dargestellte Position abgesenkt und seitlich ausgeschwenkt, so daß die Pulverherstellung durch Zerstäubung des aus der Bodenöffnung 5 austretenden Metal 1 strahls beginnen kann.

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ANSPRÜCHE:

Verfahren zur Steuerung des Abgießens einer Schmelze nach dem Aufschmelzen eines festen Ausgangsmaterials aus einem Schmelzenbehälter mit einer Bodenöffnung, die während des Aufschmelzens durch eine Verschlußplatte aus schmelzfähigem, vorzugsweise mit der Schmelze kompatiblem Werkstoff verschlossen ist, wobei die Verschlußplatte durch Wärmeübertragung aus der Schmelze örtlich durchschmilzt, dadurch gekennzeichnet, daß man die Verschlußplatte während des Aufschmelzens des Ausgangsmaterials von der Unterseite her kühlt und die Kühlung zur Einleitung des Abgießvorganges zumindest verringert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Kühlung mittels eines auf die Verschlußplatte gerichteten Kühl gasstromes durchführt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Kühlung mittels eines an die Verschlußplatte angepreßten Kühlkörpers durchführt.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, enthaltend einen Schmelzenbehälter mit einer Bodenöffnung, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb der Bodenöffnung (5) eine Düse (14) angeordnet ist, deren Achse (14a) auf die Bodenöffnung ausgerichtet ist.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (14) an einer beweglichen Halterung (18) befestigt ist.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den

Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb der Bodenöffnung (5) ein beweglicher Kühlkörper (23) angeordnet ist, der in Richtung auf die Verschlußplatte (9) bis zur Anlage an dieser beweglich ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzei chnet, daß unterhalb der Bodenöffnung (5) eine keramische Platte (11) mit einer mit der Bodenöffnung (5) fluchtenden Öffnung (13) angeordnet ist, die als Träger für die Verschlußplatte (9) vorgesehen ist.