DE4117470A1 - Schmelztiegelkonstruktion fuer das induktionsschmelzen von reinem titan - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schmelztiegelkonstruktion für das Induktionsschmelzen von Titan, mit einer Tiegelwand sowie einem Tiegelboden, die aus einem Keramikmaterial hergestellt sind. Im Tiegelboden kann eine Austrittsöffnung für die Schmelze ausgebildet sein. Der Tiegelboden kann jedoch auch geschlossen sein, in welchem Fall der Schmelztiegel für das Ausgießen der Schmelze gekippt wird.

Schmelztiegelöfen mit Induktionserwärmung werden zum Schmelzen von Metallen in der Industrie und für Laborzwecke häufig verwendet. Bei solchen Öfen unterscheidet man hauptsächlich solche mit direkter Heizung und solche mit indirekter Heizung.

Bei den Ausführungsformen mit direkter Heizung werden in dem im Schmelztiegel befindlichen zu schmelzenden Metall mittels einer rings der Tiegelaußenwand angeordneten Induktionsspule durch das mit der Induktionsspule erzeugte elektromagnetische Wechselfeld Wirbelströme induziert, die das Metall auf Grund dessen elektrischen Widerstandes erwärmen, d. i. die Wärme entsteht direkt in dem zu schmelzenden, den Energieempfänger bildenden Metall. Diese Ofentypen können jedoch für das Schmelzen von reinem Titan nur beschränkt verwendet werden, da je nach dem Keramikmaterial, aus welchem der Tiegel besteht, während des Schmelzens zwischen der Tiegelwand und dem schon mindestens teilweise im geschmolzenen Zustand befindlichen Titan eine Haut entstehen kann, die das Eindringen der Induktionsströme in die Schmelze und so das Weiterschmelzen des Titans in einen dünnflüssigen Zustand verhindert. Dies ist insbesondere der Fall bei hochtemperaturfesten und große Temperatur-Wechselbeständigkeit aufweisenden Mischkeramikmaterialen, die für das Schmelzen von Titan wegen dessen hohen Schmelzpunktes erforderlich sind.

Die Ausbildung eines Induktionstiegelofens mit indirekter Heizung unterscheidet sich von einem solchen mit direkter Heizung darin, daß die Energie nicht direkt in dem zu schmelzenden Metall entsteht. Bei solchen Öfen wird meistens ein Tiegel aus Graphit oder Tongraphit verwendet; die Induktionsspule wird hier ebenfalls rings des Graphittiegels angeordnet. Bei dieser Ausführungsform ist der Tiegel selbst als Energieempfänger anzusehen, da die Wirbelströme in der Tiegelwand selbst induziert werden, wodurch diese sich aufwärmt und ihre Wärme dem zu schmelzenden Metall übergibt. Man kann solch einen Graphittiegel für das Schmelzen von Titan ohne Hautbildung zwischen der Graphittiegelwand und dem Schmelzgut verwenden, jedoch ist hier damit zu rechnen, daß der Graphittiegel einerseits chemische Reaktionen in dem Schmelzgut verursacht und anderseits das Schmelzgut an der Innenfläche des Graphittiegels haftet, wodurch der Schmelzenausfluß im Falle des Vorhandenseins einer in dem Tiegelboden ausgebildeten Austrittsöffnung nur unter hohen Druck bei Vorhandensein einer großen Austrittsöffnung erfolgen kann.

Durch die Erfindung wird die Aufgabe gelöst, eine Schmelztiegelkonstruktion zu schaffen, mit welcher die erwähnten Nachteile vermieden werden können, d. h. reines Titan in einen dünnflüssigen Zustand geschmolzen werden kann, ohne daß chemische Reaktionen von dem Tiegelmaterial in dem zu schmelzenden Metall verursacht werden und das Titan an der Innenfläche des Tiegels haftet.

Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß wenigstens am keramischen Tiegelboden und/oder wenigstens rings des Tiegelbodens eine äußere Graphitschicht angeordnet ist.

Durch die Erfindung wird das in dem Keramiktiegel befindliche zu schmelzende reine Titan, in Abhängigkeit davon, wo die äußere Graphitschicht angeordnet ist, mit Hilfe einer rings der Tiegelkonstruktion verlaufenden Induktionsspule entweder nur indirekt oder teilweise indirekt und teilweise direkt erwärmt. Die Graphitschicht, die aufgrund der in ihr induzierten Wirbelströme, entsprechend der indirekten Heizungsweise, erwärmt wird und ihre Wärme durch den Keramiktiegel hindurch an das zu schmelzende Titan abgibt, ermöglicht, das Schmelzgut, wenigstens in dem Bereich wo sie vorhanden ist, so weit zu erhitzen, daß dieses in einen dünnflüssigen Zustand gelangt, während der Keramiktiegel gleichzeitig sicherstellt, daß aus dem Graphit keine Verunreinigungen in die Titanschmelze gelangen können bzw. in der Titanschmelze keine chemischen Reaktionen stattfinden können und sich das Titan an der Innenfläche des Tiegels nicht festsaugt.

Die Tiegelkonstruktion mit der Graphitschicht kann solch einen der Tiegelwand bzw. dem Tiegelboden in flächiger Berührung steht. Jedoch wird es bevorzugt, daß ein Luftspalt zwischen der Tiegelwand bzw. dem Tiegelboden und der Graphitschicht vorhanden ist, damit einerseits die unterschiedlichen Wärmedehnungen des Keramiktiegels und der Graphitschicht aufgefangen werden können und andererseit eine Schockerwärmung des Keramiktiegels vermieden werden kann. Beim Vorhandensein eines Spaltes können Abstandhaltervorsprünge aus dem Keramikmaterial des Tiegels oder aus dem Graphit wenigstens am Tiegelboden ausgebildet sein, damit der Spalt erhalten bleibt.

Es wird weiter bevorzugt, daß die Graphitschicht sich über die gesamte Höhe der Tiegelwand hin erstreckt. In diesem Fall erfolgt die Erwärmung des zu schmelzenden Metalls nur indirekt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die den Keramiktiegel von außen bekleidende Graphitschicht am Tiegelboden dicker als rings der Tiegelwand.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die den Keramiktiegel bekleidende Graphitschicht von einer zusätzlichen Keramikummantelung - wenigstens entlang der Tiegelwand - umgeben ist, wobei jedoch eine über die Graphitschicht hinausragende Keramikummantelung ebenfalls vorteilhaft sein kann. Dieser hinausragende Teil der Keramikummantelung kann zur Aufnahme des Tiegels und zum Schutz der Induktionsspule vor aus dem Inneren des Tiegel stammenden Verunreinigungen sowie der höheren Temperatur dienen. Hierbei kann zwischen der Graphitschicht und der sie umgebenen Keramikummantelung ebenfalls ein Spalt vorhanden sein.

Wenn der Keramiktiegel am Tiegelboden eine Austrittsöffnung aufweist, mündet die Austrittsöffnung beim Vorhandensein einer Graphitschicht am Tiegelboden in einen durch diese verlaufenden Austrittsstutzen aus Keramikmaterial. Mit Hilfe dieser Austrittsöffnung können Gußformen, die z. B. unter dem Tiegel liegen, mit der Schmelze direkt beschickt werden. Um das Ausfließen der Schmelze zu begünstigen, ist es weiterhin vorteilhaft, den von der Graphitschicht umgebenen Tiegelboden trichterförmig auszubilden und zwar so, daß die Rotationsachse des trichterförmigen Tiegelbodens und die Achse der Austrittsöffnung zusammenfallen.

Der Keramiktiegel und ggf. die Keramikummantelung sind aus einer hochwärmedämmenden Mischkeramik vorzugsweise mit Zirkonoxid und anderen nicht wesentlich mit Titan reagierenden Keramikmassen wie Magnesiumoxid oder Kalziumoxid ausgebildet. Die Mischkeramik kann aber ggf. auch Aluminiumoxid enthalten. Die Graphitschicht ist vorzugsweise aus einem Sinter- Glasgraphit hergestellt, der bis etwa 2500°C erhitzt werden kann.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schmelztiegelkonstruktion mit einer Graphitschicht, die sich über die gesamte Höhe der Tiegelwand hin erstreckt, im Längsschnitt,

Fig. 2 eine Ausführungsform der Schmelztiegelkonstruktion mit einer Graphitschicht, die am Tiegelboden dicker als rings der Tiegelwand ist, im Längsschnitt,

Fig. 3 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schmelztiegelkonstruktion mit trichterförmigem Tiegelboden, im Längsschnitt, und

Fig. 4 eine Ausführungsform der Schmelztiegelkonstruktion, wobei die Graphitschicht nur am Tiegelboden vorhanden ist, ebenfalls im Längsschnitt.

Die Tiegelkonstruktion 1 aus Fig. 1 weist einen zylindrischen Keramiktiegel 2 auf, der aus einer Tiegelwand 2a und einem zu der Tiegelwand 2a senkrecht liegenden geraden Tiegelboden 2b besteht. Rings des Tiegelbodens 2b und der Tiegelwand 2a ist eine Graphitschicht 3 angeordnet, die sich über die gesamte Höhe der Tiegelwand 2a hin erstreckt. Zwischen der Tiegelwand 2a und der Graphitschicht 3 ist ein Spalt 8 vorhanden, der bis zur unteren Kante des Tiegelbodens 2b reicht. Die Graphitschicht 3 ist von einer Keramikummantelung 4 umgeben, die über die Graphitschicht 3 hinausragt. In der dargestellten Ausführungsform ist in dem Tiegelboden 2b des Keramiktiegels 2 eine axiale Austrittsöffnung 6 ausgebildet. Die Linie 5 in der Fig. 1 stellt eine rings der Keramikummantelung angeordnete Induktionsspule schematisch dar. Bei dieser Ausführungsform wird das zu schmelzende Titan nur indirekt, d. h. nur durch die erhitzte Graphitschicht, in einen dünnflüssigen Zustand geschmolzen.

Der Keramiktiegel 2 aus Fig. 2 besteht ebenfalls aus einer Tiegelwand 2a und einem Tiegelboden 2b. Rings der Tiegelwand 2a und unter dem Tiegelboden 2b befindet sich eine Graphitschicht 3, die sich aber nur über einen Teil der Höhe der Tiegelwand 2a hin erstreckt. Zwischen der Tiegelwand 2a bzw. dem Tiegelboden 2b ist hier ebenfalls ein Spalt 8 vorhanden. Abstandshaltervorsprünge können am Tiegelboden ausgebildet sein, damit der Spalt 8 erhalten bleibt. Die Graphitschicht 3 ist am Tiegelboden 2b dicker als rings der Tiegelwand 2a. Am Tiegelboden 2b ist eine Austrittsöffnung 6 ausgebildet, die in einen durch die Graphitschicht 3 verlaufenden Austrittsstutzen 7 des Keramiktiegels 2 mündet. Die Graphitschicht 3 ist von einer Keramikummantelung 4 umgeben. Bei dieser Ausführungsform wird das in den Keramiktiegel 2 eingelegte Titan einerseits dort, wo die Tiegelwand 2a nicht von einer Graphitschicht 3 umgeben ist, direkt aufgrund der von der Induktionsspule in dem Titan erzeugten Wirbelströme geschmolzen, anderseits dort, wo die Graphitschicht 3 vorhanden ist, d. h. in dem Bereich der Austrittsöffnung 6, indirekt von der aufgeheizten Graphitschicht 3 so weit erhitzt, daß es in einen dünnflüssigen Zustand gelangt.

Bei der Ausführungsform aus Fig. 3 weist der Keramiktiegel 2 einen trichterförmigen Tiegelboden 2b auf. Die Graphitschicht 3, die sich hier rings des Tiegelbodens 2b und über die gesamte Höhe der Tiegelwand 2a hin erstreckt, ist am Tiegelboden 2b dicker als rings der Tiegelwand 2a und sie ist von einer Keramikummantelung 4 umgeben, die über die Graphitschicht 3 hinausragt. Zwischen der Tiegelwand 2a bzw. dem Tiegelboden 2b und der Graphitschicht 3 ist ein Spalt 8 vorhanden. An dem trichterförmigen Tiegelboden 2b ist eine Austrittsöffnung 6 ausgebildet, die sich in einen durch die Graphitschicht 3 verlaufenden Austrittsstutzen 7 aus Keramikmaterial fortsetzt.

In den Fig. 1 und 3 ist eine Befestigungsweise der Tiegelkonstruktion 1 dargestellt. Der Keramiktiegel 2 und die Graphitschicht 3 zusammen mit der sie umgebenden Keramikummantelung 4 werden auf eine eine Öffnung 11 aufweisende Platte 10 gestellt. Der Durchmesser der Öffnung 11, deren Achse mit der Achse der Austrittsöffnung 6 zusammenfällt, entspricht wenigstens demjenigen der Austrittsöffnung 6, ist jedoch vorzugsweise größer. Ein Befestigungsstutzen 12, dessen Innen- und Außendurchmesser dem Innendurchmesser des Tiegels 2 bzw. dem Außendurchmesser der Graphitschicht 3 entsprechen, drückt axial von oben auf den Tiegel 2 und die Graphitschicht 3. Der Rohrstutzen 12 verläuft durch eine zweite Platte 13, auf welcher er mit einem Flansch 14 aufliegt. Die Keramikummantelung 4 ragt vorzugsweise über die Graphitschicht 3 bis zu der zweiten Platte 13 hinaus.

Fig. 4 stellt eine weitere Ausführungsform dar, bei welcher die Graphitschicht 3 nur unter dem Tiegelboden 2b vorhanden ist. Bei dieser Ausführungform, ähnlich der Ausführungform aus Fig. 2, ist die Keramikummantelung 4 auch am Boden der Graphitschicht 3 vorgesehen.

Bei einer bevorzugten Auslegung der unterschiedlichen Ausführungsformen betragen der Innendurchmesser des Keramiktiegels 15-50 mm, die Dicke der Tiegelwand 3 mm, die der Graphitschicht 2-5 mm und die der Keramikummantelung 3 mm, der Durchmesser der Austrittsöffnung 3-5 mm und die Spalte zwischen dem Keramiktiegel und der Graphitschicht und zwischen der Graphitschicht und der Keramikummantelung je 0,5-1 mm.

Alle der gezeigten Tiegelausführungsformen können auch ohne Austrittsöffnung 6 mit geschlossenem Boden ausgebildet werden. In diesem Fall wird der Tiegel zum Ausleeren der Schmelze gekippt. Wenn die Graphitschicht 3 über die gesamte Höhe der Induktionsspule reicht, kann die erreichte Schmelzentemperatur mit einem Tauchpyrometer abgelesen werden. Beim Vorhandensein der Austrittsöffnung wird der Tauchpyrometer direkt auf die Austrittsöffnung gestellt, so daß er einen Verschluß für dieselbe bildet, und von dieser erst für den Druckspritzvorgang entfernt.

Claims (8)

1. Schmelztiegelkonstruktion für das Induktionsschmelzen von Titan, mit einer Tiegelwand sowie einem Tiegelboden, die aus einem Keramikmaterial hergestellt sind, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens am Tiegelboden und/oder wenigstens rings des Tiegelbodens eine äußere Graphitschicht angeordnet ist.

2. Schmelztiegelkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Tiegelboden eine Austrittsöffnung für die Schmelze ausgebildet ist und die Austrittsöffnung beim Vorhandensein einer Graphitschicht am Tiegelboden in einen durch diese verlaufenden Austrittsstutzen aus Keramikmaterial mündet.

3. Schmelztiegelkonstruktion nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Graphitschicht sich über die gesamte Höhe der Tiegelwand hin erstreckt.

4. Schmelztiegelkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den Tiegel von außen bekleidende Graphitschicht am Tiegelboden dicker als rings der Tiegelwand ist.

5. Schmelztiegelkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die den Keramiktiegel bekleidende Graphitschicht von einer Keramikummantelung umgeben ist.

6. Schmelztiegelkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Tiegelwand bzw. dem Tiegelboden und der Graphitschicht ein Luftspalt vorhanden ist.

7. Schmelztiegelkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegelboden trichterförmig ausgebildet ist und von der Graphitschicht umgeben ist.

8. Schmelztiegelkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikmaterial eine Mischkeramik, vorzugsweise mit Zirkonoxid, ist.