DE3940029C2

DE3940029C2 - Tiegel für die induktive Erwärmung

Info

Publication number: DE3940029C2
Application number: DE3940029A
Authority: DE
Inventors: Otto W Dr Stenzel
Original assignee: Leybold AG
Current assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Priority date: 1989-12-04
Filing date: 1989-12-04
Publication date: 1994-04-14
Anticipated expiration: 2009-12-05
Also published as: US5012488A; DE3940029A1; JPH03230089A; JP3150143B2

Description

Die Erfindung betrifft einen Tiegel nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei Keramiktiegeln, in denen Metalle geschmolzen werden, be steht ein Problem darin, daß sie zwar eine hohe Schmelztempe ratur besitzen, aber in einigen Fällen mit der Schmelze rea gieren, oder daß Teile von der spröden Tiegelkeramik sich ab lösen und als Einschlüsse in der Schmelze schwimmen. Dagegen halten Tiegel aus Metall ohne besondere Maßnahmen die hohen Schmelztemperaturen oft nicht aus.

Um Stoffe mit hohen Schmelztemperaturen in Tiegeln mit rela tiv niedriger Schmelztemperatur schmelzen zu können, ist es bekannt, die Tiegel mit Wasser zu kühlen, so daß sie auf einer Temperatur unterhalb ihres eigenen Schmelzpunktes ge halten werden. Allerdings wird nun das Schmelzgut relativ stark abgekühlt, weil es mit dem gekühlten Tiegel in Verbin dung steht.

Ein Schmelzgut mit hoher Temperatur kann in einem wasser gekühlten Metalltiegel mittels induktiver Erwärmung ohne weiteres über die Schmelztemperatur des Tiegels aufgeheizt werden. Hierbei tritt jedoch das Problem der Wirbelstrom bildung im Tiegel auf.

Um die hierdurch bedingten Wirbelstromverluste zu verringern, ist es bekannt, den Tiegel in viele Segmente zu unterteilen, die gegeneinander durch eine isolierende Schicht getrennt sind (DE-PS 5 18 499, US-PS 37 75 091, EP-A-02 76 544).

Ein prinzipieller Nachteil der bekannten gekühlten Tiegel be steht in den hohen elektrischen Verlusten, die sich durch Wirbelströme in der Tiegelwand ergeben, und in den hohen Wär meverlusten, die sich aus dem Abfluß der Wärme aus der Schmelze in die gekühlte Tiegelwand ergeben. Der hieraus re sultierende Prozeßwirkungsgrad kann nur dadurch in akzep tabler Größe gehalten werden, daß der Einschmelzprozeß mög lichst schnell abläuft.

Es ist indessen auch ein geschlitzter kalter Induktionstiegel bekannt, dessen Segmente aus verschiedenen Materialien bestehen (US-PS 4 660 212). Hierbei weist jedes Segment wenigstens zwei Schichten von benachbarten Materialien auf, von denen die eine Schicht, welche in Kontakt mit der Schmelze steht, korrosionsbeständig ist, während die andere Schicht, die von der Schmelze abgewandt ist, ein guter elektrischer Leiter ist. Die Wirbelstromverluste entstehen hierbei hauptsächlich in der äußeren Schicht. Nachteilig ist bei diesem bekannten Induktionstiegel, daß die Wärmeverteilung am Umfang der Schmelze schlecht ist.

Es ist weiterhin ein eisenloser Induktionsofen bekannt, bei dem zwischen Spule und Tiegel ein dünnwandiger, aus unmagnetischem Metall bestehender und ein Kühlmittel aufnehmender Hohlmantel angeordnet ist (DE-AS 1 092 575). Dieser Hohlmantel ist in vertikaler Richtung geschlitzt und weist an den Schlitzstellen einen gegen das Kühlmittel abdichtenden Isolierstoß auf. Das unmagnetische Metall hat einen hohen spezifischen Widerstand. Eine Minimierung der elektrischen Verluste und gleichzeitig der Wärmeverlust ist wegen der Verwendung eines einheitlichen Materials für die Segmente nicht möglich.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Induktionstiegel nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, bei dem einerseits die Wirbelstromverluste reduziert sind und andererseits die Wärme der Schmelze gut verteilt ist.

Diese Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß der elektrische Wirkungsgrad der Spulen-Tiegel-An ordnung durch eine besondere geometrische Gestaltung von In duktionsspule und Tiegelsegmenten sowie durch eine besondere Materialauswahl für Spule und Tiegel hoch wird. Dieser Wir kungsgrad ist hierbei als das Verhältnis von in der Schmelze freigesetzter elektrischer Leistung zu der der Induktionsspu le zugeführten elektrischen Leistung definiert. Geringere Tiegelverluste entlasten die Wasserkühlung des Tiegels und erlauben die Verwendung einer kleineren Stromversorgung bzw. erhöhen die Einschmelzgeschwindigkeit.

Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen wassergekühlten Tiegel mit einer aus Segmen ten aufgebauten Tiegelwand;

Fig. 2 ein Segment eines herkömmlich wassergekühlten Tiegels;

Fig. 3 ein zweites gemäß der Erfindung aufgebautes Tiegel segment;

Fig. 4 ein drittes gemäß der Erfindung aufgebautes Tiegel segment;

Fig. 5 ein viertes gemäß der Erfindung aufgebautes Tiegel segment;

Fig. 6 einen fünften gemäß der Erfindung aufgebauten Tie gelsektor, bestehend aus mehreren Segmenten;

Fig. 7 ein Segment mit einem M-förmigen Leiter und einem darauf angeordneten Nichtleiter.

Fig. 1 zeigt einen Tiegel 1, der aus mehreren vertikalen Seg menten besteht, von denen drei Segmente mit den Bezugszahlen 2, 3, 4 versehen sind. Der Tiegel 1 besitzt eine Kühlmittel- Einlaßöffnung 5 und eine Kühlmittel-Auslaßöffnung 6. Als Kühlmittel wird vorzugsweise Wasser verwendet. Es kann jedoch auch flüssiges Salz, z. B. NaNO₂, NaNO₃ oder KNO₃ verwendet werden. Das Kühlmittel fließt in Koaxialröhren 7, die sich in den Segmenten 2, 3, 4 befinden. Die einzelnen Röhren, von de nen in der Fig. 1 nur die Röhre 7 erkennbar ist, sind mit ihren äußeren Bereichen parallel an die Kühlmittel-Einlaß öffnung 5 angeschlossen und mit ihren mittleren Bereichen, die dem Kühlmittel-Rücklauf dienen, mit der Kühlmittel-Aus laßöffnung 6 verbunden. Mit 8 ist ein Zwischenring bezeich net, an den ein Kühlkanal 9 anschließt, der mit dem Einlaß 5 in Verbindung steht. Mit 10, 11 ist ein Sammelkanal bezeich net, in den das rückfließende Kühlmittel einströmt. Das Kühl mittel für die Bodenkühlung des Tiegels ist mit 13 bezeich net. Der Zwischenring 8 stößt an einen inneren Körper, was durch die Trennlinien 14, 15 verdeutlicht wird. Mit 16 ist der Tiegelboden bezeichnet.

In dem Tiegel 1 befindet sich Schmelzgut 17, das eine gewölb te Oberfläche 18 hat. Um den Tiegel 1 herum ist eine innen hohle Induktionsspule 19 geschlungen, die aus mehreren Win dungen 20, 21 . . . 22, 23 besteht. Die Enden 24, 25 der Spule 19 sind mit einer Wechselstromquelle 26 verbunden, die eine Spannung mit einer Frequenz von beispielsweise 1000 bis 5000 Hz abgibt.

Am oberen Rand des Tiegels 1 befindet sich ein Kurzschluß bügel 27, der eine gewisse Linearisierung des Magnetfeld gradienten bewirkt. Eine solche Linearisierung ist erforder lich, weil die Spule 19 an ihrem oberen Ende abrupt aufhört, jedoch das Fernfeld nur langsam abklingt. Dadurch, daß der Feldeinfall über den Tiegelrand mittels des Kurzschlußbügels oder -rings 27 stark reduziert wird, ergibt sich eine Feld schwächung im Bereich der Schmelzoberfläche 18 und somit eine Begrenzung der Badüberhöhung. Der Kurzschlußring 27 liegt auf den Segmenten 2, 3, 4 auf und ist mit ihnen verbunden.

Der Querschnitt der Spule 19 ist rechteckig und weist eine Abrundung von etwa r2δ an den Ecken auf, wobei

das Eindringmaß ist und wobei
= spezifische elektrische Leitfähigkeit
f = Frequenz des durch die Induktionsspule fließenden Wechselstroms
µ_o = magnetische Permeabilität

Als Material wird für die Spule 19 ein solches mit hoher elektrischer Leitfähigkeit gewählt, z. B. Kupfer oder Silber. Durch ihre rechteckige Ausgestaltung liegt die Spule 19 sehr dicht am Tiegel 1, so daß die Energieübertragungsverluste ge ring sind. Die Nachteile, die sich durch die Ecken bei Recht eckspulen aufgrund großer magnetischer Feldstärken und damit verbundener großer Stromdichte ergeben, werden durch die Ab rundungen vermieden. Die magnetischen Wechsel-Feldstärken, die stets mit einem elektrischen Feld verbunden sind, das in den Kanten Strom erzeugt, werden durch die Abrundungen sanft durch die Tiegelwand in die Schmelze geleitet.

In der Fig. 2 ist ein Segment, z. B. das Segment 2, eines herkömmlichen gekühlten Kupfertiegels in einer Ansicht von oben dargestellt. Man erkennt hierbei den quasi-trapezförmi gen Querschnitt des Segments 2, in dem sich ein koaxiales Kühlrohr befindet. Die Außenwand 30 dieses Kühlrohrs kann durch die Wand einer Ausnehmung im Segment 2 gebildet sein, das aus Kupfer besteht. Der mittlere Bereich des Kühlrohrs ist durch ein Rohr 31 gebildet. Das Kühlmittel 32 strömt zwi schen dem inneren Rohr 31 und der Wand 30 nach oben und in dem Rohr 31 nach unten, während das noch kühle Kühlmittel 32 in direktem Kontakt mit dem Segment 2 nach oben strömt.

Die Fig. 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Segment 34, mit einem koaxialen Kühlrohr, das aus einer inneren Wand 35 und einer äußeren Wand 36 gebildet wird. Die Strömungsverhältnisse des Kühlmittels 37, 38 sind wie im Segment 2 der Fig. 2. Die Breite b des Segments 34 ist hierbei so gewählt, daß die Gleichung

<2/(πfµ_ob²)

erfüllt wird, wobei
= spezifische elektrische Leitfähigkeit
f = Frequenz des durch die Induktionsspule 19 fließenden Wechselstroms
µ_o = magnetische Permeabilität im Vakuum
b = Breite des Segments b

Die elektrische Leitfähigkeit soll hierbei zur Vermeidung von Wirbelströmen klein sein.

Das Segment 34 wird somit in einer ähnlichen Weise ausgelegt wie ein lamelliertes Blech in Transformatoren. Zur besseren Wärmeverteilung der Wärmeströmung aus der Schmelze befindet sich am unteren Ende des Segments 34, das der Schmelze zuge wandt ist, eine thermisch gut leitende Schicht 39, die z. B. aus Kupfer besteht. Da eine thermisch gut leitende Schicht gemäß dem Wiedemann-Franz′schen Gesetz auch eine elektrisch gut leitende Schicht ist, werden durch diese Schicht jedoch zusätzliche elektrische Verluste erzeugt. Die Dicke d dieser Schicht sollte daher dünner als das Eindringmaß δ dieses Ma terials sein. Seine minimale Dicke - zur Vergleichmäßigung des Wärmeflusses aus der nur punktförmig an der Tiegelwand anliegenden Erstarrungsschicht der Schmelze - ist abhängig von der Dichte der Anlagepunkte und der Wärmeleitfähigkeit des Schmelzmaterials. Die Dichte der Anlagepunkte ist abhän gig von einer Reihe von physikalischen Parametern der Schmel ze, wie Oberflächenspannung, Schrumpfen (Ausdehnungskoeffi zient) beim Übergang fest-flüssig usw.

Bei der Komplexität der physikalischen Zusammenhänge und der spezifischen Prozeßanforderungen kann die Dichte der Auflage punkte für die unterschiedlichen Legierungen der Schmelze nicht berechnet werden. Sie kann nur experimentell für die jeweilige Legierungspalette der zu schmelzenden Materialien bestimmt werden, denn in den seltensten Fällen wird ein Tie gel für nur eine Legierung verwendet.

In einigen Fällen werden Schichten von 5 µm aus Kupfer oder anderen gut wärmeleitenden Materialien genügen. Doch für die überwiegende Zahl von Legierungen werden Schichtdicken von 100 bis 500 µm ein sinnvoller Kompromiß zwischen der Reduk tion der Wirbelstromverluste und dem Risiko sein, daß es zu lokalen Anschmelzungen kommt.

Die Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher ein Segment 40 breiter als hoch ist. Auch hier ist wieder ein koaxiales Kühlrohr 41, 42 vorgesehen. Der äußere Bereich 43 dieses Segments besteht z. B. aus VA-Stahl oder CrNi, während die darunter befindliche Schicht 44 aus Aluminium, Silber oder Kupfer besteht. Unterhalb der Schicht 44 befindet sich eine weitere Schicht 45, die sehr dünn ist und aus einem Material besteht, welches eine Anlegierung der Schmelze verhindert. Dieses Material wird entsprechend der jeweils vorhandenen Schmelze ausgewählt. Es handelt sich dabei um ein Material, das im Zweistoffsystem, das aus der Schmelze und dem Material selbst gebildet wird, keine niedrigschmelzende Mischung bildet, die niedriger als 200 Grad Celsius unterhalb der Schmelzgrenze beider Materialien liegt.

In der Fig. 5 ist ein weiteres Segment 50 dargestellt, in dem zwei Kanäle 51, 52 vorgesehen sind. Die Kühlflüssigkeit fließt vom Kanal 51 in die Zeichenebene hinein und im Kühlka nal 52 aus der Zeichenebene heraus. Auch dieses Segment 50 ist mit einer gut leitenden Schicht 53 versehen.

Die Fig. 6 zeigt mehrere nebeneinander liegende Segmente 54 bis 57 mit Kanälen 58 bis 61. Hierbei fließt die Kühlflüssig keit in die Kanäle 58 und 60 hinein und aus den Kanälen 59, 61 heraus.

Die Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfin dungsgemäßen Segments 62, bei dem nur noch ein M-förmiges Kupferteil 63 und beispielsweise ein Keramikteil 64 vorgese hen sind. Beide Teile 63, 64 sind miteinander verbunden und werden im Innern von einer Kühlflüssigkeit 65 durchströmt. Das Kupferteil 63 ist der Schmelze zugewandt.

Die zusätzliche Schicht 45 gemäß Fig. 4 kann selbstverständ lich auch bei den Segmenten 2, 34, 50, 54 bis 57 und 65 vor gesehen werden.

Da die Schmelze in einigen Betriebszuständen auch geringfügig in die Lücken zwischen den Segmenten eindringen kann und da die Kanten schon aus Fertigungsgründen abgerundet oder ange phast werden, ist es vorteilhaft, die Schichten geringfügig um die Kante herum in die Seitenflächen hineinlaufen zu las sen.

Zur Reduzierung der Gefahren des Anlegierens an der Oberflä che, vor allem bei sich plötzlich anlegender Schmelze, wird vorzugsweise eine metallische Oberflächenschicht auf den der Schmelze zugewandten Tiegelsegmentflächen vorgesehen, die kein niedrig schmelzendes Eutektikum mit der Schmelze bildet, z. B. Cr oder Zr. Die Oberflächenschicht kann durch verschie dene Verfahren aufgebracht werden, z. B. durch Plattieren, Beschichten, Spritzen, Sputtern, Aufdampfen oder Tauchen.

Claims

1. Tiegel für die induktive Erwärmung von Materialien, mit einer außen um den Tiegel herumgeführten Induktionsspule, wobei der Tiegel in mehrere vertikale Segmente unterteilt ist, die wenigstens zwei Teile mit unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil (39, 53, 44, 63) auf das Material (17) im Tiegel (1) gerichtet ist und aus einem elektrisch gut leitenden Material besteht und daß der zweite Teil (43, 64), der von dem Material weggerichtet ist, aus einem elektrisch schlecht leitenden Material besteht, wobei die mittlere Stärke der vertikalen Segmente (34, 50, 40) in wenigstens einer horizontalen Ausdehnungsrichtung nach der Formel: beschränkt ist, worin
= spezifische elektrische Leitfähigkeit des Teils (43, 64) mit der schlechten Leitfähigkeit
f = Frequenz des durch die Induktionsspule (19) fließenden Wechselstroms
µ_o = magnetische Permeabilität im Vakuum
b = Stärke eines Segments.

2. Tiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch schlecht leitende Teil (43, 64) aus einem Metall-Keramik-Verbundwerkstoff besteht.

3. Tiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch gut leitende Teil (39, 53, 44, 63) aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit besteht.

4. Tiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem gut wärmeleitenden Teil (39, 53, 44) in Richtung auf die Schmelze (17) eine Schicht (45) aufgebracht ist, die eine Anlegierung der Schmelze (17) an einem Segment (40, 62) verhindert.

5. Tiegel nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch gut leitende Teil eine Schicht (39, 44, 53) mit der Stärke d ist, die sich nach folgender Formel bestimmt wobei die spezifische elektrische Leitfähigkeit der Schicht (39, 44, 53) ist.

6. Tiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Segmenten (34, 40) Kühlrohre (30, 31; 41, 42) verlaufen.

7. Tiegel nach Anspruch 4 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Schicht (45) auf der Innenseite des Tiegels (1) eine elektrische Leitfähigkeit von kleiner als 2 · 10⁶ S/m aufweist.

8. Tiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsspule (19) aus einem Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit besteht und einen rechteckigen Querschnitt mit Abrundungsradien an den Ecken aufweist, welche der Forderung r2δ genügen, wobei das Eindringmaß des Wechselfeldes der Spule (19) bedeutet.