DE3323896C2 - - Google Patents
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- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
- C30B11/003—Heating or cooling of the melt or the crystallised material
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- 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
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- C30—CRYSTAL GROWTH
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- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 2.
Bei dem Stande der Technik nach der DE-OS 22 30 317 wird ein
unten offener Tiegel bzw. eine unten offene Gießform aus
einem keramischen Werkstoff auf eine gekühlte Bodenplatte
aufgesetzt. Die gesamte Anordnung befindet sich in einer
Heizeinrichtung, die von einer Wärmedämmung umgeben ist. Die
Schmelze wird in einer hiervon getrennten Vorrichtung erzeugt
und in die Gießform abgegossen, worauf der Erstarrungsvorgang,
ausgehend von der gekühlten Bodenplatte beginnt. Von Anfang
an ist also in der Gießform ein Temperaturgradient vorhanden.
Durch eine Relativbewegung zwischen Gießform und Heizeinrich
tung tritt die Gießform kontinuierlich aus der Heizeinrich
tung aus. Damit beginnt eine anfänglich geringe, zuletzt aber
überwiegende Wärmeabgabe von der Gießform an die Umgebung in
radialer bzw. horizontaler Richtung. Die Folge ist eine bei
Fortschreiten des Erstarrungsvorgangs von unten nach oben
zunehmend stärker werdende Krümmung der Phasengrenze
fest/flüssig, die nicht mehr tolerierbar ist. Weitere
Nachteile sind in einer aufwendigen mechanischen Einrichtung
entweder für das Absenken der Gießform oder für das Anheben
der Heizeinrichtung mit Wärmedämmeinrichtung zu sehen.
Es ist auch bereits durch die DE-AS 24 27 098 bekannt, bei
einer unten geschlossenen Gießform durch gezielte Änderung
der Abkühlungseigenschaften, beispielsweise durch eingelegte
Metallteile oder durch seitliches Anblasen mit einem
Kühlmittel das Temperaturgefälle zu beeinflussen. Die dadurch
erzwungene Wärmeabfuhr erfolgt jedoch praktisch ausschließ
lich in radialer bzw. horizontaler Richtung, so daß mit einem
solchen Verfahren erst recht keine ebene Phasengrenze zu
erzielen ist.
Durch die DE-AS 22 52 548 ist es bekannt, die zur Erstarrung
zu bringende Schmelze kontinuierlich in eine unten geschlos
sene Gießform mit Bodenkühlung einzubringen, und zwar in
einer solchen Menge pro Zeiteinheit, daß der Abstand der
Schmelzenoberfläche von der Erstarrungsfront gering und
konstant ist. Es wird also in der Gießform zu Beginn des
Verfahrens keine isotherme Schmelze erzeugt. Die Vorrats
haltung und Zufuhr einer entsprechend temperierten Schmelze
ist eine aufwendige Maßnahme, und auch das örtliche Auf
schmelzen eines zentral zugeführten Drahtes ist ein schwer zu
regelnder Vorgang, will man nicht eine örtliche Störung des
Wärmegleichgewichts herbeiführen. Die kontinuierliche und
punktuelle Zuführung der Schmelze erfolgt jedoch unvermeidbar
mit einem gewissen Gefälle, das eine merkliche Strömungs
geschwindigkeit bedingt, die wiederum den Erstarrungsvorgang
am Ort des Schmelzeneintritts stört. Eine isotherme Schmelze
ist auf diese Weise im allgemeinen nicht zu erreichen. Immer
hin muß ja die zentral zugeführte Schmelze in radialer
Richtung verteilt werden, um überhaupt ein Gußstück ent
sprechenden Querschnitts erzeugen zu können. Es wird auch
nicht näher erläutert, in welcher Weise die Kühlung der
Schmelze von unten in Abhängigkeit von dem sich durch die
zunehmende Stärke der erstarrten Legierung ändernden Wärme
übergang gesteuert wird.
Durch die US-PS 38 98 051 ist es bekannt, Einkristalle
dadurch herzustellen, daß man eine in einem Tiegel befind
liche Schmelze durch einen in der Mitte des Tiegelbodens
befindlichen Wärmetauscher abkühlt. Durch einen den Tiegel
umgebenden Heizzylinder wird nicht nur ein axialer, sondern
vor allem auch ein radialer Temperaturgradient erzeugt, so
daß sich in etwa kugelförmige Phasengrenzen einstellen.
Dieser Kristallisationsvorgang ist für die Herstellung
polykristalliner Gußstücke nicht brauchbar, bei denen achs
parallele Strukturen erzeugt werden sollen. Einzelheiten über
eine Regelung des Kühlvorganges werden gleichfalls nicht
angegeben.
Durch die GB-PS 13 03 027 ist es wiederum bekannt, zum Zwecke
einer gerichteten Erstarrung die gekühlte Bodenplatte mit der
Gießform nach unten kontinuierlich aus einer Heizvorrichtung
mit Wärmedämmeinrichtung herauszuziehen. Damit erfolgt in
entsprechendem Umfange ein allmählicher Übergang von einer
überwiegend axialen zu einer überwiegend radialen Wärmeabfuhr
mit der Folge, daß sich eine merklich gekrümmte Phasengrenze
einstellt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art anzugeben,
bei denen der Vorgang der gerichteten Erstarrung bei ein
facher Verfahrensführung und einfachem Aufbau der Vorrichtung
entlang einer praktisch völlig ebenen Phasengrenze erfolgt.
Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs
beschriebenen Verfahren erfindungsgemäß durch die Merkmale im
Kennzeichen des Patentanspruchs 1.
Die Merkmale im Oberbegriff und im Kennzeichen sind natürlich
gemeinsam zu betrachten:
Durch das Merkmal a) wird jegliche Wärmeabfuhr in radialer
bzw. horizontaler Richtung unterdrückt. Diese Maßnahme steht
im Gegensatz zu demjenigen Stand der Technik, bei dem die
Seitenflächen der Gießform einem Abkühleffekt ausgesetzt
werden. Es versteht sich, daß der Schutz gegen eine seitliche
Wärmeabfuhr um so größer ist, je besser die Isolierwirkung
der Wärmedämmeinrichtung ist. Es läßt sich aber bereits eine
ausgezeichnete Wärmedämmung durch Anwendung einer Umhüllung
des Tiegels mit Graphitfilz von wenigen Zentimetern Dicke
erzielen. Die seitliche Wärmeabfuhr kann dadurch leicht
merklich geringer gehalten werden als 0,1 W/cm3.
Durch das Merkmal b) wird die Bodenplatte mit dem Tiegel
stets innerhalb der Wärmedämmeinrichtung gehalten, so daß
eine merkliche seitliche Wärmeabfuhr, insbesondere eine
zeitlich veränderliche seitliche Wärmeabfuhr soweit wie
irgend möglich ausgeschaltet sind.
Durch das Merkmal c) wird in Verbindung mit den übrigen
Merkmalen erreicht, daß sich eine praktisch vollständig ebene
und horizontale Phasengrenze einstellt, die allmählich von
der Bodenplatte bis zum ursprünglichen Schmelzenspiegel im
Tiegel fortschreitet und auch hierbei ihre ebene Form behält.
Auch das Merkmal d) steht im Gegensatz zu demjenigen Stande
der Technik, bei dem die Schmelze in einer getrennten
Aufschmelzvorrichtung erzeugt und dann in den Tiegel bzw. die
Gießform dosiert eingeleitet wird. Erfindungsgemäß wird die
Schmelze in dem genannten Tiegel selbst erzeugt, der
infolgedessen eine Doppelfunktion als Aufschmelzbehälter
einerseits und Gießform andererseits erfüllt. Bei einer
isothermen Schmelze haben alle Schmelzenpartikel praktisch
die gleiche Temperatur. Dies setzt voraus, daß die
Bodenplatte während des Aufschmelzvorgangs nicht gekühlt ist
und infolgedessen die gleiche Temperatur wie die Schmelze
annehmen kann. Durch nachträgliches Einschalten der Kühlung
läßt sich der Erstarrungsvorgang räumlich und zeitlich exakt
einleiten, so daß es nicht erst zu einem unkontrollierten
teilweisen Erstarrungsvorgang kommen kann, wie beim Aufgießen
einer Schmelze auf eine bereits gekühlte Bodenplatte.
Durch das Merkmal e) ist der Temperaturgradient beiderseits
der Phasengrenze im gesamten Wanderungsbereich beeinflußbar,
so daß damit eine Möglichkeit gegeben ist, die Kristalli
sationsgeschwindigkeit im Wanderungsbereich zu beeinflussen
und insbesondere konstant zu halten. Eine Steuerung, die auf
empirisch gefundenen Werten beruhen kann, wird in der Regel
dazu führen, daß die Heizleistung während des Erstarrungs
vorganges kontinuierlich zurückgenommen wird. Dies geschieht
besonders vorteilhaft in der Weise, daß das Verhältnis von
Heizleistung zu Kühlleistung in der Weise gesteuert wird, daß
die Wanderungsgeschwindigkeit der Phasengrenze im gesamten
Wanderungsbereich der Phasengrenze konstant gehalten wird.
Das Merkmal f) führt zu weitgehend konstanten Erstarrungs
bedingungen innerhalb des gesamten Wanderungsbereiches der
Phasengrenze vom gekühlten Boden bis zum ursprünglichen
Flüssigkeitsspiegel. Hierbei ist nämlich zu berücksichtigen,
daß der bereits erstarrte Teil des Gußstücks einen im
Verlaufe der Erstarrung zunehmenden Wärmewiderstand in
vertikaler Richtung zum Boden hin darstellt, so daß die
Wanderungsgeschwindigkeit der Phasengrenze bei einem
ungeregelten Verfahren allmählich abnehmen würde. Durch das
vorgeschlagene Regelverfahren findet jedoch ein Ausgleich
dahingehend statt, daß der Kühleffekt im Bereich des Bodens
mit fortschreitender Entfernung der Phasengrenze von diesem
verstärkt wird, so daß der wachsende Wärmewiderstand
kompensiert wird. Möglichkeiten für eine solche Lösung werden
im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen noch angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist für die gerichtete
Erstarrung von Halbleitermaterialien, insbesondere von
Silizium geeignet. Anwendbar ist das Verfahren aber auch für
Metalle und Legierungen mit Schmelzpunkten oberhalb 600°C,
also beispielsweise für Aluminium sowie für hochwarmfeste
Superlegierungen wie Nickel- und Kobalt-Basis-Legierungen.
Eine Grenze ist im Hinblick auf die Werkstoffauswahl nur
dadurch gegeben, daß man die anfallenden Wärmemengen noch mit
technisch realisierbaren Wärmetauschflächen abführen kann.
Dies hängt wiederum von den Eigenschaften des jeweils
verwendeten Kühlmediums ab, wobei allerdings gesagt werden
kann, daß die auszutauschenden Wärmemengen bei Schmelzen mit
Schmelzpunkten oberhalb 600°C durchaus beherrschbar sind.
Als Wärmetauschmedien kommen beispielsweise Gase, bevorzugt
gekühlte Gase, in Frage. Eine Gaskühlung ist insbesondere für
hochschmelzende Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit
und einer nicht zu hohen Kristallisationsgeschwindigkeit
geeignet. Eine Gaskühlung ist verhältnismäßig problemlos zu
handhaben und infolgedessen vorzuziehen.
Bei einer Forderung nach geringen Kristallisationsgeschwindig
keiten kann mit Gas unter vermindertem Druck gekühlt werden.
Dadurch wird der Wärmetransport reduziert, so daß die
Vorgänge leichter steuer- bzw. regelbar sind.
In Frage kommt auch eine Flüssigkeitskühlung, beispielsweise
durch flüssige Metalle, die jedoch bei hohen Temperaturen
problematisch ist. Eine Flüssigmetallkühlung macht bestimmte
Voraussetzungen hinsichtlich der Werkstoffauswahl für die mit
dem Flüssigmetall in Berührung kommenden Teile erforderlich.
Denkbar ist auch eine Kühlung mit sogenannten "heat pipes",
bei denen eine Flüssigkeit an einem Ende einer langen Röhre
verdampft und an deren anderem Ende kondensiert wird.
Zur Lösung im wesentlichen der gleichen Aufgabe ist die
eingangs angegebene Vorrichtung charakterisiert durch die
Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 2. Die dadurch
erzielten Vorteile sind bereits vorstehend weitgehend
aufgezählt worden. Eine solche Vorrichtung zeichnet sich
wegen des Wegfalls sämtlicher Antriebseinrichtungen für die
Tiegelbewegung und/oder die Bewegung von Heizeinrichtung und
Wärmedämmeinrichtung durch besondere Einfachheit und
Zuverlässigkeit im Betrieb aus.
Zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden
nachfolgend anhand der Fig. 1 und 2 noch näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch eine Vorrichtung
mit einem Tiegel in Verbindung mit einer
Regelanordnung zur Regelung des Durchsatzes
an Kühlgas, und
Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch eine Anordnung
analog Fig. 1, jedoch mit dem Unterschied,
daß auf dem gekühlten Boden eine Vielzahl
von einzelnen Tiegeln angeordnet ist.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zum gerichteten Erstarren
dargestellt, die aus einer Ofenkammer 1 mit einem abnehm
baren Oberteil 2 besteht. In der Ofenkammer 1 befindet sich
ein auswechselbarer Tiegel 3 mit einer zylindrischen
Tiegelwand 4, in deren Mitte, d. h. etwa auf halber Höhe,
ein kühlbarer Boden 5 angeordnet ist. Der Tiegel besitzt
dadurch einen H-förmigen Längsschnitt mit einem oberen
Hohlraum 6 und einem unteren Hohlraum 7.
Wie bereits ausgeführt, dient der Tiegel 3 gleichzeitig
als Aufschmelzbehälter und als Gießform. Hierfür ist der
obere Hohlraum 6 vorgesehen, in dem sich anfänglich (nicht
dargestellt) das feste Ausgangsmaterial befindet. Nach
dem Aufschmelzvorgang ist der obere Hohlraum 6 zunächst
mit Schmelze 8 angefüllt, d. h. der Boden 5 wird hierbei
keiner Kühlung unterworfen. Sobald jedoch die Kühlung
einsetzt, wandert vom Boden 5 allmählich eine Phasengrenze 9
(Erstarrungsfront) nach oben, unterhalb welcher sich der
erstarrte Teil 10 des Gußstücks befindet. Es ist zu er
kennen, daß die Phasengrenze 9 horizontal verläuft und
eben ist.
Zur Beheizung des Tiegels 3 dient eine erste Heizein
richtung 11, die im Bereich des oberen Hohlraums 6
und der Bodenplatte 5 angeordnet ist und aus einer
Induktionsheizspule besteht. Oberhalb des Schmelzen
spiegels 11 ist noch eine zweite Heizeinrichtung 13
angeordnet, die als Widerstandsheizleiter ausgebildet
ist und die Beheizung von oben fortsetzt.
Der untere Hohlraum 7 wird dadurch gebildet, daß die
Tiegelwand 4 nach unten über die Bodenplatte 5 hinaus
ragt. In diesem unteren Hohlraum 7 ist ein Wärme
tauscher 14 angeordnet, der mit der Bodenplatte 5 in
wärmeleitender Verbindung steht. Dies geschieht da
durch, daß der Wärmetauscher aus einem Stapel von
Graphitplatten gebildet wird, indem auf dem Außenum
fang befindliche axiale Nuten 15, radiale Nuten 16 und
eine Bohrung 17 sich zu einem System von Strömungs
kanälen ergänzen, die zusammen mit den Graphitplatten
eine entsprechend große Wärmetauschfläche bilden. Der
Wärmetauscher erhält seine Wärme überwiegend in axialer
Richtung von der Bodenplatte 5, mit der er in wärme
leitender Verbindung steht.
Es ist erkennbar, daß die Tiegelwand 4 und die Boden
platte 5 eine Baueinheit darstellen. Zwischen dem Tiegel 3
und der Ofenkammer 1 ist allseitig eine Wärmedämmeinrichtung 18
angeordnet, die einen solchen Isolationswert und eine
solche Wandstärke aufweist, daß der Wärmedurchgang merk
lich kleiner ist als 0,1 W/cm2. Die Wärmedämmeinrichtung 18
besteht bevorzugt aus Graphitfilz. Auch das Oberteil 2
ist mit einer entsprechenden Wärmedämmeinrichtung 19
ausgekleidet. Auf diese Weise wird verhindert, daß
merkliche Wärmemengen in seitlicher Richtung abgeführt
werden. Vielmehr ist eine Abfuhr der Erstarrungswärme
praktisch ausschließlich über die Bodenplatte 5 mög
lich. Es ist weiterhin ersichtlich, daß die gekühlte
Bodenplatte 5 gegenüber der Wärmedämmeinrichtung 18
und der Heizeinrichtung 11 stationär angeordnet ist.
Aus Fig. 1 ist weiterhin zu entnehmen, daß der untere
Hohlraum 7 bzw. der Wärmetauscher 14 mit einer Eintritts
leitung 20 und einer Austrittsleitung 21 für ein gas
förmiges Kühlmittel verbunden sind. In der Austritts
leitung 21 befindet sich eine Blende 22 für die Messung
des Kühlmitteldurchsatzes pro Zeiteinheit. Dieser Kühl
mitteldurchsatz wird mittels eines Mengenmessers 23 in
an sich bekannter Weise bestimmt.
In der Austrittsleitung 21 befindet sich weiterhin ein
Temperaturfühler 24, dessen Meßwert einer Temperatur
meßeinrichtung 25 zugeführt wird. Die Ausgänge von
Mengenmesser 23 und Temperaturmeßeinrichtung 25 werden
einem Multiplikator 26 zugeführt, in dem die pro Zeit
einheit abgeführte Wärmemenge bestimmt wird. Der ent
sprechende Meßwert wird in einem Regler 27 mit einem
von einem Sollwertsteller 28 kommenden Sollwert ver
glichen, und etwaige Abweichungen werden einem Stell
glied 29 zugeführt, das durch ein in der Eintritts
leitung 20 angeordnetes Regelventil gebildet wird.
Ohne eine solche Regelanordnung würde die pro Zeiteinheit
abgeführte Wärmemenge kontinuierlich abnehmen, da sich
die Phasengrenze 9, an der die Erstarrungswärme freigesetzt
wird, zunehmend von der Bodenplatte 5 entfernt und der
zwischen der Phasengrenze 9 und der Bodenplatte 5 liegende
erstarrte Teil 10 des Gußstücks einen zunehmend größer
werdenden Wärmewiderstand bildet. Dies äußert sich an
fänglich - bei gleichem Kühlmitteldurchsatz - in einer
Temperaturabsenkung am Temperaturfühler 24 und damit
in einer verringerten pro Zeiteinheit abgeführten Wärme
menge, d. h. in einem Abfall gegenüber dem vorgegebenen
Sollwert. Dieser Vorgang wird nun durch ein ent
sprechendes Regelsignal am Ausgang des Reglers 27 kompen
siert, indem das Stellglied 29 weiter geöffnet wird, so
daß die Kühlmittelmenge entsprechend erhöht wird, bis
das Produkt aus Kühlmittelmenge pro Zeiteinheit und
Temperaturdifferenz wieder den alten Wert erreicht hat.
In Fig. 2 sind gleiche oder analoge Teile wie in
Fig. 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen. In diesem
Fall ist die Bodenplatte 5 als Graphitplatte ausgebildet
und mit Kühlmittelkanälen 30 versehen, die an die Ein
trittsleitung 20 und die Austrittsleitung 21 angeschlossen
sind.
Auf der Bodenplatte 5 ruhen mehrere Tiegel 3, die einen
prismatischen, beispielsweise quadratischen oder recht
eckigen Querschnitt haben, so daß sich ihre Seitenwände
flächig berühren können. Der anfänglich feste Tiegelin
halt wird durch zwei Heizeinrichtungen 11 und 11a zusammen
mit der Bodenplatte 5 aufgeheizt, die zu diesem Zeit
punkt nicht vom Kühlmittel durchströmt ist. Dadurch
schmilzt der Inhalt der Tiegel 3 auf, und eine Wärmeab
fuhr in seitlicher Richtung wird durch die Wärme
dämmeinrichtung 18 wirksam verhindert, die sowohl seit
lich als auch oberhalb und unterhalb der Boden
platte 5 angeordnet ist und auch die Heizeinrichtungen 11
und 11a umgibt. Ein seitlicher Wärmeabfluß wird aber
nicht nur durch die Wärmedämmeinrichtung 18 ver
hindert, sondern die in einer Vielzahl vorhandenen
Tiegel 3 schirmen sich nach den Seiten hin auch gegen
seitig ab, so daß das Temperaturprofil über alle
Tiegel 3 als außerordentlich gleichförmig anzusehen
ist.
Sobald nun der Erstarrungsvorgang eingeleitet werden
soll, wird die untere Heizeinrichtung 11a abgeschaltet
und die Bodenplatte 5 mit dem Kühlmedium beaufschlagt.
Auch in diesem Falle ist ein Wärmefluß nur in axialer
Richtung, d. h. in Richtung zur Bodenplatte 5 hin möglich,
so daß ein absolut einachsiges Kristallwachstum er
reicht wird.
Die Anordnung zur Regelung der Kühlleistung ist gegenüber
Fig. 1 modifiziert. Zur Messung der Temperaturdifferenz
befinden sich in der Eintrittsleitung 20 und in der Aus
trittsleitung 21 Temperaturfühler 31 und 32, deren Aus
gangssignale dem Regler 27 zugeführt werden. Eintritts
leitung 20 und Austrittsleitung 21 sind zum Zwecke der
Gasersparnis zu einem Kreislauf geschaltet, in dem ein
Wärmetauscher 33 und eine Umwälzpumpe 34 angeordnet
sind. Hinter der Umwälzpumpe 34 liegt ein Mengenmesser 23,
dessen Ausgangssignal gleichfalls dem Regler 27 zuge
führt wird. Über einen weiteren Eingang ist der
Regler 27 mit einem Sollwertsteller 28 verbunden.
In dem Regler 27 wird die pro Zeiteinheit abgeführte
Wärmemenge bestimmt und mit dem Ausgangswert des Soll
wertstellers 28 verglichen. Etwaige Abweichungen werden
einem Stellglied 29 zugeführt, das im vorliegenden
Falle ein Drosselventil 35 betätigt, das gleichfalls
in der Kreislaufleitung angeordnet ist. Das Drossel
ventil wird mit zunehmenden Abstand der Phasengrenze
von der Bodenplatte weiter geöffnet, so daß die Kühl
leistung und damit die Kristallisationsgeschwindigkeit
bzw. Wanderungsgeschwindigkeit der Phasengrenze konstant
bleiben.
Über den Sollwertsteller kann für die Regelung ein
konstanter Sollwert vorgegeben werden, der dann
während des gesamten Erstarrungsvorganges konstant
bleibt. Es ist aber ohne weiteres möglich, einen soge
nannten gleitenden Sollwert vorzugeben, in dem der
Sollwertsteller als Programmgeber oder als programmier
barer Rechner ausgebildet ist. In diesem Fall können
in den Regelprozeß weitere Korrekturfaktoren eingegeben
werden. Mit nach oben wandernder Phasengrenze 9 wird
nämlich die Masse des erstarrten Teils 10 des Gußstücks
zunehmend größer, und auch aus diesem Teil ist eine
wachsende Entalpie abzuführen, während die freigesetzte
Erstarrungswärme konstant bleibt. Zwar ist die Änderung
der Entalpie im erstarrten Teil 10 verhältnismäßig
gering gegenüber der freigesetzten Erstarrungswärme,
jedoch kann auch ein solches Verhalten durch die Vor
gabe eines gleitenden Sollwerts kompensiert werden.
Claims (2)
1. Verfahren zum gerichteten Erstarren von Schmelzen mit
Schmelzpunkten von mindestens 600°C in einem Tiegel
durch Wärmeabfuhr in Richtung auf eine gekühlte Boden
platte, wobei man
- a) die Schmelze im Wanderungsbereich der Phasengrenze durch eine Wärmedämmeinrichtung gegen eine seit liche Wärmeabfuhr schützt,
- b) die gekühlte Bodenplatte im Ruhezustand gegenüber der Wärmedämmung hält,
- c) die Erstarrungswärme ausschließlich über die Bodenplatte abführt, dadurch gekennzeichnet, daß man
- d) im Tiegel eine isotherme Schmelze erzeugt,
- e) die Schmelze während des Erstarrungsvorganges von oben her beheizt und
- f) die Kühlmittelmenge pro Zeiteinheit und die Tempera turdifferenz des Kühlmittels zwischen Eintritt und Austritt erfaßt, daraus die pro Zeiteinheit abge führte Wärmemenge bestimmt und mit einem Sollwert vergleicht und bei einem Abweichen der Wärmemenge vom Sollwert die Durchflußmenge des Kühlmittels pro Zeiteinheit in der Weise verändert, daß die Ab weichung vom Sollwert ein Minimum ist.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
Anspruch 1, bestehend aus einer Ofenkammer mit einer
einem Tiegel zugeordneten Heizeinrichtung sowie mit
einer kühlbaren Bodenplatte, dadurch gekennzeichnet, daß
- a) der Tiegel (3) auf seiner gesamten Höhe von einer Wärmedämmeinrichtung (18) umgeben ist,
- b) die Bodenplatte (5) stationär gegenüber der Wärme dämmeinrichtung (18) angeordnet ist,
- c) Tiegel (3) und kühlbare Bodenplatte (5) eine Baueinheit darstellen und die Tiegelwand (4) nach unten über die Bodenplatte hinaus ragt und
- d) daß in dem dadurch gebildeten unteren Hohlraum (7) ein Wärmetauscher (14) angeordnet ist, der mit der Bodenplatte (5) in wärmeleitender Verbindung steht.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19833323896 DE3323896A1 (de) | 1983-07-02 | 1983-07-02 | Verfahren und vorrichtung zum gerichteten erstarren von schmelzen |
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DE19833323896 DE3323896A1 (de) | 1983-07-02 | 1983-07-02 | Verfahren und vorrichtung zum gerichteten erstarren von schmelzen |
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DE3323896A1 DE3323896A1 (de) | 1985-01-17 |
DE3323896C2 true DE3323896C2 (de) | 1991-08-22 |
Family
ID=6202990
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19833323896 Granted DE3323896A1 (de) | 1983-07-02 | 1983-07-02 | Verfahren und vorrichtung zum gerichteten erstarren von schmelzen |
Country Status (1)
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