DE3723912A1

DE3723912A1 - Vorrichtung zum schmelzen von metallen

Info

Publication number: DE3723912A1
Application number: DE19873723912
Authority: DE
Inventors: Aljet Harberts; Josef Heimerl; Horst Dr Ranke
Original assignee: Leybold AG
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1987-07-18
Filing date: 1987-07-18
Publication date: 1989-01-26
Also published as: GB2207225B; FR2618216B1; FR2618216A1; JPS6438584A; US4839904A; GB8814198D0; GB2207225A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schmelzen von Metallen in einer Vakuumkammer mit einem in dieser angeordneten Überlauftrog, einem oberhalb des Überlauf trogs angeordneten Elektronenstrahlerzeuger und einem Tiegel zum Abzug der aus dem Überlauftrog ausfließen den Schmelze.

Es ist bislang ein Problem der Elektronenstrahltechno logie beim Recyclen von Titan, das darin befindliche Titannitrit aufzulösen. Es gibt Berechnungen, nach denen sich Titannitrit ca. 1000 sec in der Schmelze aufhalten müßte, bevor es aufgelöst wird. Das bedeutet, daß der notwendige Überlauftrog extrem große Dimen sionen annehmen müßte, was sich negativ auf die Energiebilanz auswirken würde. Die Verwendung eines derart großen Überlauftroges stellt keine praktikable Lösung dar.

Weiterhin ist es bekannt, bei Elektronenstrahl- Schmelzöfen zur Verbesserung und Weiterentwicklung von Nickel-Basis-Legierungen den Überlauftrog zur Aufnahme der Schmelze mit einer mechanischen Barriere in Form einer wassergekühlten Kupferleiste zu versehen. Derartige Barrieren wurden auf die oberen, einander parallelen Randpartien des Überlauftrogs aufgesetzt, wobei die untere Kante des quer zur Durchfließrich tung der Schmelze gehaltenen mechanischen Barriere um ein geringes Maß in die Schmelze eintaucht und damit die sich an der Oberfläche der Schmelze an sammelnden flotierbaren Verunreinigungen zurückhält, d. h. verhindert, daß diese über die Auslauflippe des Überlauftrogs in die Abzugsvorrichtung bzw. den Abzugs tiegel ablaufen. Die nichtmetallischen Einschlüsse in der Schmelze können zusätzlich mit Hilfe einer elektro thermischen Barriere, einer über die Trogbreite vor der Auslauflippe gelagerten Elektronenstrahl-Bandfläche eliminiert werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die insbesondere geeignet ist, das in einer Schmelze von Titan im allgemeinen vorhandene Titannitrit rasch und vollständig aufzulösen. Dabei soll die Vorrichtung so kompakt und betriebssicher wie möglich ausgebildet sein.

Erfindungsgemäß wird dies durch eine im Überlauftrog quer zu dessen Längsrichtung angeordnete, den Über lauftrog in zwei Schalen aufteilende Barriere oder Schwelle erreicht, über deren oberer Rücken oder Ausnehmung die von der einen in die andere Schale strömende Schmelze mit einem dünnen Film hinwegströmt, wobei die Barriere von einem Kühlmittel durchströmte Hohlräume oder Kanäle aufweist und sich im unmittel baren Wirkungsbereich der Elektronenstrahlquelle befindet.

Vorzugsweise ist die Dünnfilmbarriere als ein im wesentlichen barrenförmiger Körper ausgebildet, der in seinem hinteren Teil eine kimmenförmige, nach oben zu offene Ausnehmung oder Vertiefung aufweist, über die die Schmelze hinwegströmt, bevor sie der Weiterverarbeitung zufließt, wobei der Elektronen strahl das in der Schmelze enthaltene Titannitrit im Bereich der Ausnehmung auflöst.

Zweckmäßigerweise ist die Dünnfilmbarriere mit Halterungen versehen, mit denen sie am Bodenteil des Überlauftrogs abgestützt ist, wozu die Halte rungen als sich in Ebenen quer zur Ebene der Dünn filmbarriere erstreckende plattenförmige Ansätze ausgebildet sind, deren untere, sich am Bodenteil abstützende Flächen geringfügig über die Unterseite der Dünnfilmbarriere hervorstehen oder bündig mit ihrer Unterseite abschließen.

Mit Vorteil weist die Dünnfilmbarriere mindestens eine Öffnung oder Aussparung in von der Schmelze überfluteten Partien auf, durch die die Schmelze unbehindert vom einen in den anderen Abschnitt des Über lauftrogs strömen kann.

Um auch Legierungen mit leicht verdampfbaren Elementen wie zum Beispiel Al, Cr oder Mn so umschmelzen zu können, daß möglichst geringe Verluste dieser Elemente auftreten, sind im Bereich der Ausnehmung der Dünnfilmbarriere Düsen angeordnet, die mit Kanälen korrespondieren, die an eine Gasquelle angeschlossen sind, wobei das aus den Düsen austretende Gas die Oberfläche der Schmelze überflutet und somit die Abdampfrate erniedrigt.

Üblicherweise wird zu diesem Zweck ein Inertgas wie zum Beispiel Argon verwendet. Es ist aber auch möglich, die Schmelze mit Hilfe dieser Vorrichtung mit reaktiven Gasen zu überfluten, um dadurch eine Reaktion zwischen Gas und Verunreinigungen im Schmelzgut zu erreichen, um dadurch die Verunreinigungen in Gasform aus dem Schmelzmaterial zu entfernen (beispielsweise Entfernung von C durch O₂- Einlaß).

Zweckmäßigerweise sind dazu die Kühlmittel- und Gasan schlüsse an den beiden Stirnseiten im Bereich der Ober kanten des Überlauftrogs angeordnet. Schließlich können die Halterungen der Dünnfilmbarriere in ihrer Höhe ver stellbar ausgebildet sein, wodurch der Abstand zwischen dem Bodenteil des Überlauftrogs und der Unterseite der Dünnfilmbarriere veränderbar ist.

Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausführungsformen zu; eine davon ist in den anhängenden Zeichnungen näher dargestellt, und zwar zeigt

Fig. 1 die perspektivische und rein schemati sche Ansicht eines Überlauftrogs mit Dünnfilmbarriere und Tiegel,

Fig. 2 eine Dünnfilmbarriere in der Seitenan sicht,

Fig. 3 die Dünnfilmbarriere gemäß Fig. 2 in der Draufsicht,

Fig. 4 ein Schnitt quer durch die Dünnfilm barriere nach den Linien A-A gemäß Fig. 3 und

Fig. 5 einen Schnitt nach den Linien B-B gemäß Fig. 3.

Die Vorrichtung besteht aus einem in einer nicht näher dargestellten Vakuumkammer angeordneten Überlauftrog 1, einem vor dem Überlauftrog 1 gehaltenen Abzugstiegel 2, der in den Überlauftrog 1 eingesetzten Dünnfilmbarriere 3 mit den Anschlüssen 4 und 5 für das Kühlmittel und den Anschlüssen 6 und 7 für ein Inertgas oder auch ein reak tives Gas und den oberhalb des Tiegels 2 bzw. des Über lauftrogs 1 befestigten Elektronenstrahlerzeugern 8, 9. Das Rohmaterial gelangt über eine nicht näher darge stellte Fördereinrichtung in Pfeilrichtung F in den Überlauftrog 1 und wird hier vom Elektronenstrahlerzeu ger 8 geschmolzen. Das geschmolzene Material 16 bewegt sich nun in Richtung auf die Auslauflippe 10 zu, wozu es jedoch über die Ausnehmung 11 der Dünnfilmbarriere 3 hinwegfließen muß. Die Ausnehmung 11 ist dazu so justiert, daß die Schmelze 16 sich in Form eines etwa 2 mm dicken Films über die Ausnehmung 11 hinwegbewegt.

Wie die Fig. 2 bis 5 zeigen, ist die Dünnfilmbarriere 3 mit einem Kühlmittelkanal 12 versehen, der über die An schlüsse 4, 5 an einen nicht näher dargestellten Kühl mittelkreislauf angeschlossen, so daß sichergestellt ist, daß der Werkstoff, aus dem die Dünnfilmbarriere 3 gefertigt ist, von der Schmelze 16 nicht angegriffen wird. Außerdem weist die Dünnfilmbarriere 3 einen Gas kanal 13 auf, der in zwei Reihen von Gasdüsen 14, 15 endet, die im Bereich der Ausnehmung 11 vorgesehen sind.

Die beispielsweise in zu recycelndem Titan befindlichen Titannitritteilchen besitzen ungefähr die gleiche Dichte wie Titan und befinden sich aus diesem Grund in einer statischen Badtiefe, d. h. sie können sich in jeder beliebigen Schmelzbadtiefe aufhalten und werden demzu folge nur statistisch vom ersten Elektronenstrahl 17 getroffen. Durch die in der Schmelze 16 befindliche Dünnfilmbarriere 3 gelangen nun die Titannitritteilchen zwangsläufig an die Oberfläche und können direkt vom zweiten Elektronenstrahl 18 getroffen und aufgelöst werden.

Wird eine Ti6Al4V-Legierung umgeschmolzen, kommt es üblicherweise beim Elektronenstrahl-Umschmelzprozeß zu Aluminiumverlusten. Dies ist im Fall einer Elektro nenstrahlbombardierung auf der Dünnfilmbarriere 3 verstärkt der Fall. Um diesen Nachteil zu kompensieren, ist die Dünnfilmbarriere 3 mit einem beidseitig be findlichen Gaskanal 13 mit Reihen von Düsen 14, 15 ausgestattet, die mit den Anschlüssen 6, 7 korrespon dieren und mit deren Hilfe im Bereich der Ausnehmung 11 ein höherer Restgasdruck erreicht werden kann, der die Aluminiumverluste wieder herabsetzt.

Mit der dargestellten Anordnung ist auch die Forcie rung von chemischen Reaktionen mit dem Schmelzbadfilm möglich, wenn anstelle eines Inertgases reaktive Gase verwendet werden, so daß man einen neuen zusätzlichen Freiheitsgrad in der Beeinflussung von Materialreini gungen im schmelzflüssigen Zustand erreicht.

Es sei noch erwähnt, daß die Dünnfilmbarriere 3 mit Halterungen 19, 20 versehen ist, mit denen die Dünn filmbarriere 3 auf der Bodenfläche des Überlauftrogs 1 aufliegt und die dafür Sorge tragen, daß die Ausneh mung 11 parallel zur Oberfläche der Schmelze und im richtigen Abstand zu ihr gehalten ist. Selbstverständ lich können die Halterungen 19, 20 auch so ausgebildet sein, daß die Dünnfilmbarriere 3 in der Höhe zur Bo denfläche verstellbar ist.

Auflistung der Einzelteile 1 Überlauftrog
2 Tiegel, Abzugstiegel
3 Dünnfilmbarriere
4 Kühlmittelanschluß
5 Kühlmittelanschluß
6 Gasanschluß
7 Gasanschluß
8 Elektronenstrahlerzeuger
9 Elektronenstrahlerzeuger
10 Auslauflippe
11 Ausnehmung
12 Kühlmittelkanal
13 Gaskanal
14 Gasdüse
15 Gasdüse
16 Schmelze
17 Elektronenstrahl
18 Elektronenstrahl
19 Halterung
20 Halterung
21 Schale, Abschnitt des Überlauftrogs
22 Schale, Abschnitt des Überlauftrogs
23 Bodenteil
24 Abstützfläche
25 Abstützfläche
26 Unterseite der Dünnfilmbarriere
27 Aussparung
28 Aussparung

Claims

1. Vorrichtung zum Schmelzen von Metallen in einer Vakuumkammer, mit einem in dieser angeordneten Überlauftrog (1), einem oberhalb des Überlauf trogs (1) angeordneten Elektronenstrahlerzeuger (8, 9) und einem Tiegel für den Abzug der aus dem Überlauftrog (1) ausfließenden Schmelze, gekennzeichnet durch eine im Überlauftrog (1), quer zu dessen Längsrichtung angeordnete, den Überlauftrog (1) in zwei Schalen (21, 22) auf teilende Barriere oder Schwelle (3), über deren oberer Rücken oder Ausnehmung (11) die von der einen in die andere Schale (21, 22) strömende Schmelze mit einem dünnen Film hinwegströmt, wobei die Dünnfilmbarriere (3) von einem Kühl mittel durchströmte Hohlräume oder Kanäle (12) aufweist und sich im unmittelbaren Wirkungsbereich der Elektronenstrahlquelle (8) befindet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dünnfilmbarriere (3) als ein im wesentlichen barrenförmiger Körper ausgebildet ist, der in seinem mittleren Teil eine kimmenförmige, nach oben offe ne Ausnehmung (11) oder Vertiefung aufweist, über die die Schmelze hinwegfließt, bevor sie der Weiter bearbeitung zufließt, wobei der Elektronenstrahl (18) das in der Schmelze enthaltene Titannitrit im Bereich der Ausnehmung (11) auflöst.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Dünnfilmbarriere (3) Halterun gen (19, 20) aufweist, mit denen sie am Bodenteil (23) des Überlauftrogs (1) abgestützt ist, wozu die Halte rungen (19, 20) als sich in Ebenen quer zur Ebene der Dünnfilmbarriere (3) erstreckende plattenförmige An sätze ausgebildet sind, deren untere, sich am Boden teil (23) abstützende Flächen (24, 25) geringfügig über die Unterseite (26) der Dünnfilmbarriere (3) hervorstehen oder bündig mit ihrer Unterseite (26) abschließen.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dünn filmbarriere (3) mindestens eine Öffnung oder Aus sparung (27, 28) in von der Schmelze überfluteten Partien aufweist, durch die die Schmelze ungehindert vom einen in den anderen Abschnitt (21, 22) des Über lauftrogs (1) strömen kann.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Ausnehmung (11) der Dünnfilmbarriere (3) Düsen (14, 15) angeordnet sind, die mit Kanälen (13) korres pondieren, die an eine Gasquelle angeschlossen sind, wobei das aus den Düsen (14, 15) austretende Gas die Oberfläche der Schmelze überflutet.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühl mittel- und Gasanschlüsse (4, 5 bzw. 6, 7) an den beiden Stirnseiten im Bereich der Oberkanten des Überlauftrogs (1) angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halte rungen (19, 20) der Dünnfilmbarriere (3) in ihrer Höhe verstellbar ausgebildet sind, wodurch der Ab stand zwischen dem Bodenteil (23) des Überlauftrogs (1) und der Unterseite (26) der Dünnfilmbarriere (3) veränderbar ist.