DE3807410C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft das Elektronenstrahl-Kaltherd-Raffi­ nieren von Metallen, z. B. von Titanlegierungen, die von ungereinigten Beimengungen völlig frei sein müssen, und bezieht sich insbesondere auf einen Elektronenstrahl-Kalt­ herd-Raffinierofen, der speziell eine Verunreinigung des raffinierten Metalls zu verhindern vermag.

In bestimmten Anwendungsfällen, bei denen Metalle, z. B. Ti­ tanlegierungen, die durch Elektronenstrahl-Kaltherd-Raffina­ tion gereinigt worden sind, in Bauteilen für Flugzeugmotore verwendet werden, ist das Vorhandensein selbst kleinster Mengen ungereinigter Beimengungen im raffinierten Block in hohem Maße schädlich. Weil solche Beimengungen z. B. zu Bruch und Bersten von sehr schnell drehenden Flugzeugmotorenteilen führen kann, sollten sie vollständig vermieden werden.

Bei der herkömmlichen Elektronenstrahl-Kaltherd-Raffination von Metallen, z. B. von Titanlegierungen, werden in einen wassergekühlten Herd Klumpen oder Stücke von Titanschwamm oder Bearbeitungsspäne von Titanlegierung, die als Abfall bei der Herstellung von Bauteilen aus Titanlegierung anfal­ len, aufgegeben. Die Aufgabe dieses Materials geschieht unter Ausnutzung der Schwerkraftwirkung an einem Ende eines gekühlten, langgestreckten Herdes in einem Elektronenstrahl- Ofen (US-PS 40 27 722), in welchem das Material durch Beschießen mit Elektro­ nen geschmolzen und gereinigt wird. Die gereinigte bzw. raf­ finierte Schmelze wird vom entgegengesetzten Ende des Herdes in eine zylindrische Form gegossen, in der sie einen senk­ recht angeordneten zylindrischen Block bildet, der während der Erstarrung in der Form nach unten abgezogen wird.

Bei herkömmlichen zur Raffination von Titanlegierung o. dgl. benutzten Elektronenstrahl-Kaltherd-Öfen enthält das Aus­ gangsmaterial häufig verdampfbare Verunreinigungen, z. B. Chlor in Titanschwamm oder Öl und Feuchtigkeit in Bearbei­ tungsspänen. Wenn solches Material in den Schmelzbereich des Herdes aufgegeben und durch das geschmolzene Metall und ei­ nen Elektronenstrahl erwärmt wird, verursachen die verdampf­ baren Verunreinigungen häufig heftige Eruptionen in der zu reinigenden Metallschmelze. Es wurde festgestellt, daß sol­ che Eruptionen dazu führen, daß sowohl geschmolzenes als auch ungeschmolzenes Material aus dem Schmelzbereich in an­ dere Bereiche des Elektronenstrahl-Ofens spritzen, und zwar auch in den Gießbereich, in dem der gereinigte Block in eine Form gegossen wird. Es ist folglich möglich, daß ungereinigtes Metall, das unerwünschte Beimengungen, z. B. Titannitride oder Wolframkarbide enthält, in die Form gelangt und dadurch in den Gußblock und in jedes Fertigerzeugnis inkorporiert wird, das, wie z. B. eine Strahltriebwerk-Verdichterscheibe, aus dem Block hergestellt wird.

Um zu verhindern, daß solche Materialspritzer in die Form gelangen, wurde bisher vorgeschlagen, einen senkrechten Schirm über der Schmelze an dem dem Gießbereich nahen Herd­ ende vorzusehen. Jedoch kann bei solchen Anordnungen unge­ schmolzenes Material, das durch Eruptionen verspritzt und durch den Schirm an direktem Eindringen in den Gießbereich gehindert wird, an der Stelle vom Schirm nach unten in die Schmelze abgelenkt werden, wo letztere aus dem Herd in die Form fließt. Ferner kann es sein, daß sich verdampftes Mate­ rial und verspritzte Schmelze am Schirm ansammeln und er­ starren, und daß gelegentlich Teile solchen festen Materi­ als, das verunreinigende Beimengungen enthält, vom Schirm in die aus dem Herd in die Form fließende Schmelze fallen.

Folglich liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Elektronenstrahl-Kaltherd-Raffinierofen zu schaffen, dem die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik nicht anhaf­ ten und der größere Sicherheit bietet, daß gereinigtes Me­ tall von unerwünschten Beimengungen frei ist.

Ein diese Aufgabe lösender Elektronenstrahl-Kaltherd-Raffi­ nierofen ist mit vorteilhaften Ausgestaltungen in den Pa­ tentansprüchen gekennzeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an­ hand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine für den Stand der Technik repräsentative Elektronenstrahl-Kaltherd- Raffinieranlage, und

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Elektronenstrahl-Kaltherd- Raffinierofen in einer üblichen Ausführungsform ge­ mäß der Erfindung.

Bei der in Fig. 1 dargestellten herkömmlichen Elektronen­ strahl-Kaltherd-Raffinieranlage umfaßt ein Herd 10 ein Herd­ bett 11 mit Kühlrohren 12, durch die Wasser oder eine andere Kühlflüssigkeit umgewälzt werden kann. Am aufgabeseitigen Ende des Herdes 10 leitet eine Rutsche 13 Stücke 14 von zu reinigendem Ausgangsmaterial, z. B. Titanschwamm oder Bear­ beitungsspäne von Titanlegierung, in den Herd 10, und eine über dem Herd 10 angeordnete Reihe von Elektronenstrahlkano­ nen 15 erzeugt einstellbare Elektronenstrahlen 16, die gegen gewünschte Bereiche des Herdes 10 gerichtet werden können und das zu reinigende Gut in der gewünschten Weise erwärmen. Einer der Elektronenstrahlen 16 ist auf das Ausgangsmaterial 14 in einem Schmelzbereich 17 des Herdes 10 so gebündelt, daß er das Ausgangsmaterial 14 zum Schmelzen bringt, und an­ dere Elektronenstrahlen 16 sind so eingestellt, daß sie die Metallschmelze beim Wandern vom Schmelzbereich 17 zu einer Gießrinne 18 am anderen Herdende raffinieren bzw. reinigen.

Folglich bildet das in den Herd 10 aufgegebene Ausgangsmate­ rial 14 ein Schmelzbad 19, das vom Schmelzbereich 17 zur Gießrinne 18 fließt. Weil das Herdbett 11 durch in den Kühl­ rohren 12 strömende Flüssigkeit gekühlt wird, bildet sich an der Innenfläche des Herdbettes 11 ein massiver (Schlacken-) Belag 20, der das Herdbett 11 gegen Beschädigung durch die Schmelze schützt.

Beim Wandern durch den Herd 10 wird das geschmolzene Materi­ al 19 vollständig geschmolzen und gereinigt, wobei ein Strom 21 von gereinigter Schmelze entsteht, der sich von der Gieß­ rinne 18 in eine senkrechte Form 22 ergießt, die Kühlrohre 23 enthält. Die Schmelze kühlt dann in der Form 22 ab und bildet dabei einen Block 24, der in der Form 22 in üblicher Weise entsprechend dem Pfeil allmählich nach unten bewegt wird. Durch eine weitere Elektronenstrahlkanone 25 wird ein Elektronenstrahl 26 in gesteuerter Weise gegen die Oberflä­ che der Schmelze 27 in der Form 22 gerichtet, um die Abküh­ lung und Erstarrung dieses Materials zum Block 24 in ge­ wünschter Weise zu beeinflussen. Die gesamte Anlage ist selbstverständlich in einer nicht dargestellten abgedichte­ ten Hülle angeordnet und wird in herkömmlicher Weise unter einem hohem Vakuum gehalten.

Bei der Aufgabe in den Schmelzbereich 17 des Herdes 10 führt das Ausgangsmaterial 14 häufig bestimmte Verunreinigungen mit, die bei der Temperatur der Schmelze 19 flüchtig sind und daher beim Raffinieren entfernt werden. Beispielsweise kann in Titanschwammteilchen Chlor enthalten sein, und Bear­ beitungsspäne aus Titanlegierung können bei der Aufgabe von der Rutsche 13 in den Schmelzbereich 17 Flüssigkeiten, z. B. Öl und Wasser, enthalten. Die Einführung solcher flüchtiger Stoffe in die Schmelze 19 verursacht häufig ihre rasche Ver­ dampfung an oder unter der Oberfläche der Schmelze 19, wo­ durch es zu Eruptionen kommt, die sowohl geschmolzenes als auch ungeschmolzenes Material in alle Richtungen spritzen.

Bei herkömmlichen Herdausbildungen kann es vorkommen, daß solche Eruptionen ungereinigtes Material aus dem Schmelzbe­ reich 17 des Herdes 10 entsprechend den in Fig. 1 mit ge­ strichelten Linien dargestellten Bewegungsbahnen 28 direkt in die Form 22 spritzen. Wenngleich die Elektronenstrahlka­ none 25 einen Elektronenstrahl 26 auf die Oberfläche der Schmelze 27 in der Form 22 richtet, ist die Temperatur die­ ses Materials im allgemeinen niedriger als jene des Materi­ als im Herd 10, und der Elektronenstrahl 26 reicht normaler­ weise zum Reinigen von ungereinigtem Material in der Form 22 nicht aus. Folglich kann es sein, daß das verspritzte unge­ reinigte Metall, welches Beimengungen, z. B. Titannitride oder Wolframkarbide, enthält, in den Block 24 inkorporiert wird und dabei das aus diesem hergestellte Endprodukt mit für es schädlichen Auswirkungen verunreinigt.

Bei bestimmten herkömmlichen Elektronenstrahl-Kaltherd-Öfen kann über dem abgabeseitigen Ende des Herdes 10 ein in Fig. 1 mit gestrichelten Linien dargestellter Schirm 29 angeord­ net sein, der verhindert, daß Materialspritzer aus dem Schmelzbereich 17 direkt in die Form 22 gelangen. Bei sol­ chen Ausbildungen werden jedoch aus dem Schmelzbereich 17 zur Form 22 hin fliegende Spritzer aus ungereinigtem Mate­ rial, die auf den Schirm 29 auftreffen, häufig nach unten zur Oberfläche der sich in die Form 22 ergießenden Schmelze 21 abgelenkt, so daß sie mit dem geschmolzenen Material direkt in die Form 22 getragen werden. Außerdem erstarren verdampfte Stoffe und Schmelzenspritzer auf der Oberfläche des Schirms 29, und von diesem erstarrten Material können sich Teile lösen und mit dem gleichen schädlichen Ergebnis direkt in die gerade abgegossene Schmelze fallen.

Erfindungsgemäß wird die Möglichkeit des Eindringens von solchem ungereinigtem Material in eine Form dadurch ausge­ schlossen, daß gemäß Fig. 2 ein geteilter Herd vorgesehen ist. Beim gezeigten Beispiel hat ein erstes Herdsegment 30 die Gestalt eines langgestreckten Herdes mit einem aufgabe­ seitigen Ende, an dem Ausgangsmaterial 14, z. B. Titanschwamm oder Späne von Titanlegierung, von einer Rutsche 13 in den Schmelzbereich 17 aufgegeben wird. Über dem Herdsegment 30 sind in Fig. 2 nicht dargestellte, den Elektronenstrahlkano­ nen 15 gemäß Fig. 1 ähnliche Elektronenstrahlkanonen so an­ geordnet, daß sie das Ausgangsmaterial 14 im Schmelzbereich 17 zum Schmelzen bringen und das geschmolzene Material bzw. die Schmelze 31 bei ihrer Wanderung in Richtung auf eine Gießrinne 32 am abgabeseitigen Ende des Herdsegmentes 30 reinigen. Auf einem niedrigeren Niveau als das Herdsegment 30 und rechtwinklig zu ihm ist ein zweites langgestrecktes Herdsegment 33 angeordnet und empfängt von der Gießrinne 32 geschmolzenes Material bzw. Schmelze 34. Gegen die Oberflä­ che der Schmelze 34 werden in einem Raffinierbereich 35 des Herdsegmentes 33 von einer oder mehreren zusätzlichen, in Fig. 2 nicht dargestellten, den Elektronenstrahlkanonen 15 gemäß Fig. 1 ähnlichen Elektronenstrahlkanonen Elektronen­ strahlen in der Weise gerichtet, daß sie die Raffination bzw. Reinigung der Schmelze 34 beim Durchwandern des Herd­ segmentes 33 vollenden. Das Herdsegment 33 weist an seinem abgabeseitigen Ende eine Gießrinne 36 auf, durch die gerei­ nigtes geschmolzenes Metall 37 in eine Form 38 gegossen wird, in welcher in derselben Weise wie in Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben ein gereinigter Block erzeugt wird. Die Form 38 ist gemäß Fig. 2 von kreisrundem Querschnitt, kann jedoch statt dessen von beliebiger, beispielsweise recht­ eckiger Querschnittsgestalt sein.

Um erfindungsgemäß das Eindringen von ungereinigtem Material in die Form 38 zu verhindern, ist im Winkel zwischen den beiden Herdsegmenten 30 und 33 ein kräftiger Schirm 39 so angeordnet, daß eine direkte Linie vom Schmelzbereich 17 auf der Aufgabeseite des Herdsegmentes 30 zum Raffinierbereich 35 des zweiten Herdsegmentes 33 oder zur Form 38 den Schirm 39 schneidet. Gemäß Fig. 2 ist der Schirm 39 außerdem gegen­ über den Herdsegmenten 30 und 33 seitlich so versetzt, daß gegen den Schirm 39 gespritztes geschmolzenes Material oder verdampftes oder angespritztes Material, das an seiner Ober­ fläche erstarrt ist, nicht in die Schmelze 31 bzw. 34 im ersten Herdsegment 30 bzw. im zweiten Herdsegment 33 fällt. Wenngleich in Fig. 2 nur zwei Herdsegmente, 30 und 33, dar­ gestellt sind, kann selbstverständlich eine beliebige Anzahl von Herdsegmenten benutzt werden, solange eine Abschirmung vorgesehen ist, die verhindert, daß Materialspritzer aus dem Schmelzbereich 17 zur Form 38 gelangen.

Bei dieser Ausbildung können Metalle, z. B. Titanlegierung, in einem Elektronenstrahl-Kaltherd-Ofen raffiniert werden, ohne daß befürchtet werden muß, daß aufgrund der Aufgabe von verdampfbare Verunreinigungen enthaltendem Material in den Schmelzbereich des Herdes mögliche Beimengungen in die Form am Herdende spritzen können. Ferner, wenn, wie bei dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel, zwei oder mehr Herdsegmente auf verschiedenen Höhenniveaus benutzt werden, bilden sich zwei Herdschlackenbeläge, so daß sich die Schlacken bzw. Be­ läge in jedem Herdsegment unabhängig von den Bedingungen im anderen Herdsegment thermisch ausdehnen und zusammenziehen können. Folglich können verschiedene Raffinierbedingungen in den Herdsegmenten angewandt werden, und verbessertes Durch­ mengen des zu reinigenden Materials ergibt sich aus der fal­ lenden Weiterleitung der Schmelze vom einen zum anderen Herdsegment, so daß eine verbesserte Raffination des Materi­ als erreicht werden kann.

Claims (6)

1. Elektronenstrahl-Kaltherd-Raffinierofen mit

• - einem Herd mit zumindest einem ersten und einem zweiten langgestreckten Herdsegment (30, 33),
• - einer Form (38) zur Aufnahme von geschmolzenem Material (37) nach Durchlaufen der beiden Herdsegmente (30, 33),
• - einer Zuführvorrichtung (13) zur Aufgabe von zu reinigendem Material (14) in einen Schmelzbereich (17) in der Nähe eines Endes des ersten Herdsegmentes (30),
• - einer Verbindungsvorrichtung (32), die dafür sorgt, daß geschmolzenes Material (34) zwischen dem entgegengesetzten Ende des ersten Herdsegmentes (30) und einem Ende des zweiten Herdsegmentes (33) fließt,
• - einer Übergabevorrichtung (Gießrinne 36) zur Abgabe von gereinigtem Material (37) vom entgegengesetzten Ende des zweiten Herdsegmentes (33) in die Form (38), und mit
• - einem Schirm (39), der zwischen dem Schmelzbereich (17) des ersten Herdsegmentes (30) und der Form (38) angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - die beiden Herdsegmente (30, 33) unter einem Winkel zuein­ ander angeordnet sind, und
• - der Schirm (39) so angeordnet ist, daß eine gerade Linie vom Schmelzbereich (17) des ersten Herdsegments (30) zur Form (38) den Schirm (39) in seitlichem Abstand von den heiden Herdsegmenten (30, 33) schneidet.

2. Raffinierofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• - das erste Herdsegment (30) auf einem höheren Niveau ange­ orndet ist als das zweite Herdsegment (33), und
• - die Verbindungsvorrichtung eine Gießrinne (32) am Ende des ersten Herdsegmentes (30), in der Nähe des zweiten Herd­ segmentes (33), umfaßt.

3. Raffinierofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

• - das zweite Herdsegment (33) einen Frischbereich (35) auf­ weist, und
• - der Schirm (39) so angeordnet ist, daß eine gerade Linie vom Schmelzbereich (17) des ersten Herdsegmentes (39) zum Frischbereich (35) des zweiten Herdsegmentes (33) den Schirm (39) in seitlichem Abstand von den beiden Herdseg­ menten (30, 33) schneidet.

4. Raffinierofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die beiden Herdsegmente (30, 33) ungefähr rechtwinklig zueinander angeordnet sind,
• - der Schmelzbereich (17) des ersten Herdsegmentes (30) sich an dem dem zweiten Herdsegment (33) fernen Herdsegmentende befindet,
• - die Form (38) in der Nähe des dem ersten Herdsegment (30) fernen Ende des zweiten Herdsegmentes (33) angeordnet ist, und
• - der Schirm (39) in dem zwischen den beiden Herdsegmenten (30, 33) gebildeten Winkel angeordnet ist.

5. Raffinierofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Herdsegmente (30, 33) so ausgebildet sind, daß das sie durchwandernde geschmolzene Material (31, 34) verschiedenen Raffinierofenbedingungen unterworfen sind.