DE4011392B4

DE4011392B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Formung eines Gießstrahls

Info

Publication number: DE4011392B4
Application number: DE4011392A
Authority: DE
Inventors: Otto W. Dr. Stenzel; Georg Dr. Sick; Michael Hohmann
Original assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Current assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Priority date: 1990-04-09
Filing date: 1990-04-09
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2010-04-10
Also published as: JPH06128611A; JP3063861B2; DE59108671D1; EP0451552B1; DE4011392A1; EP0451552A1

Abstract

Vorrichtung für die Herstellung eines Stroms aus geschmolzenem Material, gekennzeichnet durch:
– einen nach oben konkaven Behälter (1) mit einem Boden, in dem sich eine Öffnung (5) befindet, wobei der Behälter (1) so ausgebildet ist, dass er eine bestimmte Menge von geschmolzenem metallischem Material aufnehmen und zurückbehalten kann;
b) einen Tiegel (6) mit einer inneren trichterförmigen Kontur, der so ausgebildet ist, dass er geschmolzenes Material aus der Öffnung (5) in den Behälter (1) aufnehmen kann, wobei der Tiegel mehrere kreisförmig angeordnete, vertikale und fluidgekühlte metallische Segmente aufweist, welche die innere Kontur des Tiegels (6) definieren, wobei die innere Trichterkontur in ihrem Querschnitt vom Einlass bis zum Auslass dieses Tiegels abnimmt;
c) eine elektrisch leitende Spule (7), welche den Tiegel (6) umgibt und welche eine Form besitzt, welche der äußeren Form des Tiegels (6) entspricht;
d) eine elektrische Wechselstrom-Energiequelle (8), die mit der Spule (7) in...

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 verunreinigen.

Ein bekanntes Verfahren ist das sogenannte Abtropfschmelzen, bei dem stangenförmiges Ausgangsmaterial geschmolzen und einer Zerstäubungsdüse zugeführt wird ( DE-A-3 433 458 ). Das stangenförmige Material wird hierbei vertikal gegen eine Induktionsspule verschoben, deren axiale Ausdehnung und deren Öffnung kleiner sind als der Stangendurchmesser, 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 Ausgießtiegel 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 beispielswiese durch Plasma- oder Elektronenstrahlschmelzen erzeugt werden, so wäre es schwierig, einen engen Flüssigmetallstrahl zu erzeugen, 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 Flüssigmetallstrahl 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 beheizt und gleichzeitig der abkühlende Wandkontakt der Schmelze mit dem Behälter reduziert wird. Hierdurch ist es möglich, den Wärmeübergangskoeffizienten 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:
1 eine Vorrichtung zur Formung eines Gießstrahls mit einem Schmelztrog über einem Ausgießtrichter;
2 eine Vorrichtung mit Überlauftrog und zwei Plasmabrennern.
In 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 Induktionsspule 7 umgeben ist, die sich der Außenkontur des gekühlten Trichters 6 anpaßt. Diese Induktionsspule 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 wassergekühlten Segmente sind an sich bereits bekannt (vgl. z. B. EP-A-0 276 544 ). Unterhalb des kalten Trichters 6 befindet sich eine Zerstaubungskammer 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 aufgrund des Impulses, den sie vom Gasstrahl 30 erhalten haben, eine parabelförmige Flugbahn, 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 befindet sich eine Austragschleuse 33, über die ein Transportwagen 34 mit dem Innenraum des Fallschachts 32 verbindbar ist. In die Zerstäubungskammer 28 mündet noch eine Gasleitung 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 gewählt, 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 bestimm die sich nach der Formel
berechnet, worin f die Frequenz des Wechselfeldes, δ die Eindringtiefe, S_o 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 Wärmeübergangskoeffizient beim kalten Induktionstiegel von dem resultierenden Flüssigkeitsdruck abhängig ist, der die Schmelze gegen die kalten Tiegelsegmente 11 bis 17 drückt. Dwch 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 Oberflächenspannung 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 benötigt. Wegen des prinzipiell schlechten elektrischen Wirkungsgrades, der geometrisch bedingt 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 Feldstärkenänderungen nicht zur turbulenten Strömung anregen. Diese Bedingung wird durch eine kegelförmige oder rotationshyperbolische Form der Trichterinnenkontur gewährleistet. Die Kegelform hat fertigungstechnische Vorteile, aber prozeßtechnische Nachteile bei der Strahlformung. Gekrümmte Segmente 11 bis 15 sind schwierig zu fertigen, sie erlauben 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 Kompensation des Flüssigkeitsdrucks und Kompensation der Wärmeverluste kann entsprechend dem Schmelzgut ausgewählt werden.
Anstelle einer horizontalen Gasverdüsung, wie sie in 1 dargestellt ist, kann auch eine vertikale Gasverdüsung oder eine Rotationszerstäubung vorgesehen sein. Auch eine Stehwellenerzeugung 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 2 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der ein Überlauftrog 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 Plasmastrah153 geschoben wird, schmilzt.
Anstelle einer horizontalen Düse ist eine Ringdüse 56 vorgesehen, die den aus dem Trichter 6 kommenden Strahl 10 vertikal verdöst. Ein relativ großer Fallschacht 62, dessen oberes Teil nicht vollständig dargestellt ist, endet in einen konisch zulaufenden Pulverturm 63, in dem sich das verdöste Pulver ansammelt.

Claims

Vorrichtung für die Herstellung eines Stroms aus geschmolzenem Material, gekennzeichnet durch: – einen nach oben konkaven Behälter (1) mit einem Boden, in dem sich eine Öffnung (5) befindet, wobei der Behälter (1) so ausgebildet ist, dass er eine bestimmte Menge von geschmolzenem metallischem Material aufnehmen und zurückbehalten kann; b) einen Tiegel (6) mit einer inneren trichterförmigen Kontur, der so ausgebildet ist, dass er geschmolzenes Material aus der Öffnung (5) in den Behälter (1) aufnehmen kann, wobei der Tiegel mehrere kreisförmig angeordnete, vertikale und fluidgekühlte metallische Segmente aufweist, welche die innere Kontur des Tiegels (6) definieren, wobei die innere Trichterkontur in ihrem Querschnitt vom Einlass bis zum Auslass dieses Tiegels abnimmt; c) eine elektrisch leitende Spule (7), welche den Tiegel (6) umgibt und welche eine Form besitzt, welche der äußeren Form des Tiegels (6) entspricht; d) eine elektrische Wechselstrom-Energiequelle (8), die mit der Spule (7) in Verbindung steht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Kontur des Tiegels (6) konisch ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Kontur des Tiegels (6) einem Rotationsparaboloid entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine horizontal ausgerichtete Verdüsungsvorrichtung (29) am Auslass des Tiegels (6) vorgesehen ist, die ein unter Druck stehendes Gas bereitstellt, mit welchem eine Pulverisierung des geschmolzenen Materials durchgeführt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine vertikale Verdüsungsvorrichtung (56) unterhalb des Tiegels (6) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Überlauftrog (50) vorgesehen ist, aus dem Schmelze (51) in den Behälter (1) fließt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Spule (7) das geschmolzene Material im Tiegel (6) aufheizt und eine elektromagnetische Kraft auf das geschmolzene Material in dem Tiegel (6) ausübt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Kraft den Fluiddruck des geschmolzenen Materials auf die Innenwand des Tiegels (6) in Abhängigkeit von dem der Spule (7) zugeführten Wechselstrom reduziert.
Vorrichtuig für die Herstellung eines Stroms äus geschmolzenem Material, gekennzeichnet durch: 9.1 einen Einlassbereich (4, 5), der eine Eingangsöffnung für die Aufnahme von geschmolzenem Material aufweist; 9.2 einen konischen Bereich (7), der mit dem Einlassbereich (4, 5) verbunden ist, wobei dieser konische Bereich (7) aufweist: 9.2.1 eine innere Oberfläche, die sich vom Einlass zum Auslass hin verjüngt, wobei diese innere Oberfläche einen konischen Raum definiert, der mit dem Einlass koininuniziert und von dort geschmolzenes Material aufnimmt; 9.2.2 Fluid-Kühlmittel zum Kühlen des konischen Bereichs (7) während des Durchgangs von geschmolzenem Material (4), wobei sich das Kühlmittel zwischen der inneren und äußeren Oberfläche befindet; 9.2.3 eine äußere Oberfläche, die sich im wesentlichen nach innen und weg vom Einlass verjüngt; 9.2.4 eine Induktionsspule, die um die äußere Oberfläche gelegt ist und die sich rnit dieser nach innen verjüngt; 9.2.5 eine Wechselstromquelle (8), die mit einer Induktionsspule verbunden ist, um diesen Wechselstrom zuzuführen, wobei diese Induktionsspule das geschmolzene Material (4) in dem konischen Raum aufheizt und eine elektro magnetische Kraft auf das geschmolzene Material in dem konischen Raum ausübt und wobei der Fluiddruck auf die Innenwand in Abhängigkeit vom zugeführten Wechselstrom verringert wird; 9.2.6 einen Auslassbereich, der mit dem konischen Bereich in Verbindung steht, wobei dieser Auslassbereich eine Auslassöffnung definiert, die einen kleinen Querschnitt als den Einlassbereich aufweist, und wobei dieser Auslassbereich mit dem konischen Raurn kommuniziert, um von dort geschmolzenes Material aufzunehmen.
Verfahren zur Formung eines Strahls aus geschmolzenem Material (10), wobei dieses Verfahren folgende Schritte umfasst: 10.1 Bereitstellung einer vorgegebenen Menge von geschmolzenem Material (4) in einem nach oben konkav verlaufenden Schmelzbehälter (1); 10.2 Bereitstellung eines metallischen Trichters (6), der in Fließverbindung mit dem Schmelzbehälter (1) steht; 10.2.1 wobei der Trichter (ti) mehrere kreisförmig angeordnete vertikale flüssigkeitsgekühlte Trichtersegmente (11 bis 15) aufweist, die eine innere Trichterkontur definieren;
3 Bereitstellung einer Spule (7), die den Trichter (6) umgibt, wobei ein Wechselstrom durch die Spule (7) fließen kann; 10:4 Veranhissen des geschmolzenen Materials (4), von dem Schmelzbehälter (1) durch den Trichter (6) zu fließen, wobei das geschmolzene Material (4) von der inneren Trichterkontur aufgenommen und durch den Trichter (6) geführt wird; und
5 Beaufschlagen der Spule (7) mit Wechselstrom, um das geschmolzene Material (4), das durch den Trichter (6) fließt, zu erwärmen.
Verfahreri nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausfluss des Schmelzguts aus dem Trichter (6) aufgrund des Strombelags der Spule (7) gesperrt oder durchgelassen wird.
Verfahreni nach Anspruch 10, 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.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufschmelzen der erstarrten 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 entsprechen.