DE4011392A1 - Verfahren und vorrichtung zur formung eines giessstrahls - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Formung eines Gießstrahls nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei der Herstellung von hochreinen Metallpulvern oder Feinguß ist es erforderlich, das flüssige Metall in einem relativ engen Strahl zu bündeln, um es anschließend mittels einer Zerstäubungsdüse zerstäuben zu können, einer rotierenden Scheibe zu zerteilen oder beim Feinguß in eine Form abzugießen, ohne durch einen Strahlformer das Metall zu ver­ unreinigen.

Ein bekanntes Verfahren ist das sogenannte Abtropfschmelzen, bei dem stangenförmiges Ausgangsmaterial geschmolzen und einer Zerstäubungsdüse zugeführt wird (DE-A-34 33 458). Das stangenförmige Material wird hierbei vertikal gegen eine Induktionsspule ver­ schoben, deren axiale Ausdehnung und deren Öffnung kleiner sind als der Stangendurch­ messer, und das untere Stangenende wird mit seiner Stirnseite in einem im wesentlichen gleichbleibenden axialen Abstand über der Induktionsspule gehalten. Nachteilig ist bei diesem Verfahren, daß das Ausgangsmaterial in Stangenform vorliegen muß.

Bei einem weiteren bekannten Verfahren zur Formung eines Gießstrahls wird ein Ausgieß­ tiegel aus Keramik verwendet, der den Vorteil hat, daß er nicht gekühlt werden muß, weil er die hohen Temperaturen der Schmelze aushält. Nachteilig ist hierbei jedoch, daß die Schmelze mit der Keramik kontaminiert wird.

Um diesen Nachteil zu vermeiden, könnten Ausgießtiegel aus Metall verwendet werden, die jedoch gekühlt werden müßten. Sind größere Tiegel aus Metall vorhanden, in denen sich eine Schmelze befindet, die beispielsweise durch Plasma- oder Elektronenstrahl­ schmelzen erzeugt werden, so wäre es schwierig, einen engen Flüssigmetallstrahl zu erzeu­ gen, der z. B. einer Pulvererzeugungsvorrichtung zugeführt werden kann, weil die Öffnung des Tiegels, aus dem der Flüssigkeitsstrahl strömt, um so eher zufrieren würde, je enger sie wäre.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen möglichst dünnen Flüssigmetall­ strahl unter Vermeidung des Risikos des Einfrierens zu erzeugen sowie gezielt den Austritt zufrieren zu lassen und wieder aufzuschmelzen.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß die Schmelze im Gießtrichter induktiv und gleichzeitig der abkühlende Wandkontakt der Schmelze mit dem Behälter reduziert wird. Hierdurch ist es möglich, den Wärmeübergangs­ koeffizienten zwischen Schmelze und Tiegel klein zu halten, was zur Folge hat, daß bei kleinem Auslauf-Durchmesser von z. B. 5 mm bis 20 mm das Zufrieren des Querschnitts im kontinuierlichen Betrieb verhindert wird.

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

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Formung eines Gießstrahls mit einem Schmelztrog über einem Ausgießtrichter;

Fig. 2 eine Vorrichtung mit Überlauftrog und zwei Plasmabrennern.

In Fig. 1 ist ein Schmelztrog 1 dargestellt, in dem mittels eines Plasmastrahls 2, der aus einer nur angedeuteten Plasmakanone 3 kommt, eine Metallschmelze 4 erzeugt wird. Unterhalb der Öffnung 5 des Schmelztrogs 1 befindet sich ein trichterförmiger geschlitzter kalter Induktionstiegel 6, der die Form eines Paraboloids besitzt und von einer Induktions­ spule 7 umgeben ist, die sich der Außenkontur des gekühlten Trichters 6 anpaßt. Diese In­ duktionsspule 7 ist mit einer Wechselstromquelle 8 verbunden. Das Induktionsfeld dieser Spule koppelt an die Schmelze 4 in dem Trichter 6 an und heizt die Schmelze. An der Spitze des kalten Trichters 6 ist eine Öffnung 9 vorgesehen, aus der flüssiges Metall 10 fließt. Der kalte Trichter 6 besteht aus mehreren Segmenten 11 bis 17, die durch Schlitze 18 bis 21 voneinander getrennt sind. Diese Segmente 11 bis 17 werden über Kanäle 22, 25 mit Wasser gekühlt, die über Ringverteiler 23, 24, 26, 27 versorgt werden. Solche wasser­ gekühlten Segmente sind an sich bekannt (vgl. z. B. EP-A-02 76 544). Unterhalb des kalten Trichters 6 befindet sich eine Zerstäubungskammer 28, in die von der Seite her eine Zerstäubungsdüse 29 einmündet. Diese Düse 29 ist exakt auf den Fallweg des flüssigen Metalls 10 ausgerichtet, so daß ein aus der Düse 29 mit hoher Geschwindigkeit austretender Gasstrahl 30 die Flüssigkeit 10 stets aus der gleichen Richtung erfaßt und sie in einen Strom feinster Metallpartikel 31 zerteilt. Diese Metallpartikel 31 beschreiben auf­ grund des Impulses, den sie vom Gasstrahl 30 erhalten haben, eine parabelförmige Flug­ bahn, die schließlich in einem Fallschacht 32 endet, der seitlich und nach unten gerichtet an die Zerstäubungskammer 28 angesetzt ist. Am unteren Ende des Fallschachtes 32 befin­ det sich eine Austragschleuse 33, über die ein Transportwagen 34 mit dem Innenraum des Fallschachts 32 verbindbar ist. In die Zerstäubungskammer 28 mündet noch eine Gas­ leitung 35 mit einem Dosierventil 36, durch welches die gesamte Vorrichtung mit einem Schutzgas gefüllt werden kann. Die Kammer 28 ist evakuierbar. Ein hierfür erforderlicher Saugstutzen ist jedoch der Einfachheit halber nicht dargestellt.

Die mittlere Leistungsdichte der in der Schmelze induzierten Leistung wird so groß ge­ wählt, daß die Wärmeverluste im Trichter 6 in etwa kompensiert werden.

Von entscheidender Bedeutung für die Erfindung sind die elektromagnetischen Kräfte, die einen Druck auf das flüssige Metall im Trichter 6 ausüben und die von der Spule 7 mit den Windungen 37 bis 42 erzeugt werden. Dieser Druck wird durch die Leistungsdichte be­ stimmt, die sich nach der Formel

berechnet, worin f die Frequenz des Wechselfeldes, δ die Eindringtiefe, S₀ die über die Oberfläche einströmende Leistungsdichte, e die Euler′sche Zahl und x den Abstand von der Oberfläche der Schmelze im Trichter 6 in Richtung auf die Trichterachse bezeichnen.

Der Kompensation des Flüssigkeitsdrucks kommt insoweit Bedeutung zu, daß der Wärme­ übergangskoeffizient beim kalten Induktionstiegel von dem resultierenden Flüssigkeits­ druck abhängig ist, der die Schmelze gegen die kalten Tiegelsegmente 11 bis 17 drückt. Durch den elektromagnetischen Strahlungsdruck kann der Flüssigkeitsdruck ganz oder nur teilweise kompensiert werden. Der Strahlungsdruck an den Schlitzen 18 bis 21 ist höher als in den Stegmitten.

Ein vollständiges Abheben der Schmelze von der Trichterwand kann, wenn es über einen größeren Bereich erfolgt, zu Instabilitäten führen. Ist der Strahlungsdruck so groß, daß die Schmelze bis nahezu zur Achse zurückgedrängt wird, so kann aufgrund der Oberflächen­ spannung der Schmelzfluß ganz unterbrochen werden. Dies muß auf jeden Fall vermieden werden.

Ein hoher Anpreßdruck der Schmelze bedingt, daß ein großer Wärmeabfluß auftritt. Zur Kompensation der vergrößerten Wärmeverluste wird eine größere Induktionsleistung be­ nötigt. Wegen der prinzipiell schlechten elektrischen Wirkungsgrades, der geometrisch be­ dingt ist, wird dann eine unnötig große Stromversorgung benötigt.

Der Strahlungsdruck, welcher auf die Schmelze im Trichter 6 einwirkt, darf nicht so groß werden, daß das Auslaufen der Schmelze verhindert wird. Auch dürfen räumliche Feld­ stärkenänderungen nicht zur turbulenten Strömung anregen. Diese Bedingung wird durch eine kegelförmige oder rotationshyperbolische Form der Trichterinnenkontur gewähr­ leistet. Die Kegelform hat fertigungstechnische Vorteile, aber prozeßtechnische Nachteile bei der Strahlformung. Gekrümmte Segmente 11 bis 15 sind schwierig zu fertigen, sie er­ lauben jedoch eine bessere Kraft- und Leistungsverteilung in der Schmelze, auch kommt ihre Form der strömungstechnischen Idealform eines Potentialtrichters sehr nahe.

Die geeignete Frequenz der Spannungsquelle 8 zur Erfüllung der Forderung zur Kompen­ sation des Flüssigkeitsdrucks und Kompensation der Wärmeverluste kann entsprechend dem Schmelzgut ausgewählt werden.

Anstelle einer horizontalen Gasverdüsung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, kann auch eine vertikale Gasverdüsung oder eine Rotationszerstäubung vorgesehen sein. Auch eine Steh­ wellenerzeugung ist denkbar. Statt Metallpulver kann auch Feinguß hergestellt werden, so daß die ganze Zerstäubungseinrichtung entfällt.

Als Vorratsbehälter 1, aus denen das flüssige Metall in den Trichter 6 fließt, können metallische, wassergekühlte Behälter oder kalte Behälter mit separater Induktionsspule vorgesehen sein. An die Stelle eines Plasmastrahlerzeugers 3 kann eine Lichtbogenheizung oder eine Elektronenstrahlheizung treten.

In der Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der ein Über­ lauftrog 50 vorgesehen ist, dessen Schmelze 51 über einen Ausguß 52 in den Schmelztrog 1 fließt. Die Schmelze 51 dieses Überlauftrogs 50 wird durch einen Plasmastrahl 53 aus einer Plasmaquelle 54 gespeist, der eine Stange 55, die in den Plasmastrahl 53 geschoben wird, schmilzt.

Anstelle einer horizontalen Düse ist eine Ringdüse 56 vorgesehen, die den aus dem Trichter 6 kommenden Strahl 10 vertikal verdüst. Ein relativ großer Fallschacht 62, dessen oberes Teil nicht vollständig dargestellt ist, endet in einen konisch zulaufenden Pulverturm 63, in dem sich das verdüste Pulver ansammelt.

Claims (11)

1. Verfahren zur Formung eines Gießstrahls mittels eines Trichters an einem größeren Schmelzbehälter, in denen sich Schmelze befindet, dadurch gekennzeichnet, daß der Trichter (6) an einem Schmelzbehälter (1) angeflanscht ist, daß er aus Metall oder Metal­ legierungen besteht und in fluidgekühlte Segmente (11 bis 15) unterteilt ist, wobei eine mit Wechselstrom beaufschlagte Spule (7) den Trichter umgibt und die Schmelze im Trichter induktiv beheizt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausfluß des Schmelz­ guts aus dem Trichter (6) aufgrund des Strombelags der Spule (7) gesperrt oder durchge­ lassen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Leistungsdichte der von der Schmelze induzierten Leistung so groß gewählt wird, daß die Wärmeverluste im Trichter (6) in etwa kompensiert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgrund der Leistungs­ dichte sich ergebenden elektromagnetischen Druckkräfte in den unterschiedlichen Quer­ schnittsebenen der Schmelze im Trichter (6), die durch die Induktionsspule (7) hervorgeru­ fen werden, während des stationären Auslaufens so gewählt werden, daß der Flüssigkeits­ druck der Schmelze in Richtung auf die Segmente (10 bis 17) des Trichters (6) in etwa kompensiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufschmelzen der er­ starrten Schmelze im Trichter eine größere Leistungsdichte verwendet wird, als im Mittel durch Wärmeverluste abgeführt wird und daß die elektromagnetischen Druckkräfte größer als die Kräfte sind, die der statischen Höhe der darüberliegenden Flüssigkeitssäule ent­ sprechen.

6. Vorrichtung zur Formung eines Gießstrahls mittels eines Trichters verbunden mit einem Schmelzbehälter, in denen sich Schmelze befindet, gekennzeichnet durch:

• a) einen Schmelzbehälter (1) mit Bodenöffnung;
• b) einen Trichter (6) an der Bodenöffnung, der aus mehreren metallischen Segmenten (11 bis 15) besteht, die durch Schlitze (18 bis 21) voneinander getrennt sind, wobei die Segmente mittels eines Fluids gekühlt werden und die Innenkontur nach unten spitz zu­ läuft und die Spitze als kleinster Querschnitt den Strahl formt;
• c) eine Spule (7), die den Trichter (6) umgibt und der äußeren Form dieses Trichters (6) angepaßt ist;
• d) eine Stromversorgung (8), die Mittelfrequenzleistung in die Spule (7) einspeist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenkontur des Trichters (6) kegelförmig ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenkontur des Trichters (6) im wesentlichen rotations-hyperbolisch ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine horizontale Ver­ düsungsvorrichtung (29) unterhalb des Trichters (6) vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Überlauftrog (50) vorgesehen ist, aus dem Schmelze (51) in den Behälter (1) fließt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine vertikale Ver­ düsungsvorrichtung (56) unterhalb des Trichters (6) vorgesehen ist.