DE4123039A1

DE4123039A1 - Verfahren zum regeln der prozessbedingungen bei einem kontinuierlichen verfahren zur legierungsherstellung

Info

Publication number: DE4123039A1
Application number: DE4123039A
Authority: DE
Inventors: Hsin-Pang Wang; Yuan Pang
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1990-07-16
Filing date: 1991-07-12
Publication date: 1992-01-23
Also published as: GB2247853A; FR2664515A1; GB9115257D0; US5060914A; IT1248024B; ITMI911595A0; CA2042200A1; JP3242949B2; FR2664515B1; ITMI911595A1; GB2247853B; CA2042200C; JPH05106970A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Regeln der Prozeßbedingungen bei einem Verfahren zum Herstellen von Legierungen, und insbesondere bezieht sie sich auf ein Verfahren, bei dem ein allgemeines Prozeßfenster definiert und eine Regelstrategie auf der Grundlage des definierten Prozeßfensters verwirklicht wird, um die erwünschten Prozeßbedingungen zu erzielen.

Es ist allgemein anerkannt, daß eines der wichtigsten und dringendsten Gebiete bei der Materialforschung in der kommenden Dekade die Förderung der Material-Ver- bzw. Bearbeitungstechnologie für eine neue Generation von Materialien, einschließlich Metallen und Metallegierungen, ist. So werden beispielsweise die Beseitigung oder wesentliche Verminderung der Materialverunreinigungen und die Beseitigung oder wesentliche Verminderung von Fehlern in hergestellten Teilen oder Komponenten als die hauptsächlichen Engpässe bei der Verbesserung der Qualität von in der kommenden Dekade und darüber hinaus zu bauenden Flugzeugtriebwerke hoher Leistungsfähigkeit angesehen.

Die Anstrengungen sind bisher konzentriert worden auf die Herstellung von Metallpulvern hoher Qualität, die bei der Herstellung von Komponenten eingesetzt werden, und die Konzentration auf die Produktion von Pulvern hoher Qualität, aus denen Komponenten hergestellt werden können, wird als eine Hauptstufe zur Herstellung "sauberer" Materialien für Teile oder Komponenten angesehen. Die Herstellung von Titan und/oder Titanlegierungen in Pulver- oder Barrenform ist von besonderer Bedeutung auf dem Gebiet von Flugzeugtriebwerken wegen der Bedeutung des Titans und seiner Legierungen beim Entwurf und der Herstellung verbesserter Triebwerkskomponenten. Ungeachtet der Anstrengungen bei der Entwicklung von Prozessen oder Verfahren zur Herstellung von Metallpulvern hoher Qualität bleibt ein ernstes Problem bei der Herstellung von Titan und Titanlegierungen hoher Qualität bestehen, das darin besteht, daß der hohe Grad der chemischen Reaktivität des flüssigen Titans zu unannehmbaren Mengen an Verunreinigungen in den Zwischenformen, wie Pulvern oder im Endprodukt führt.

Wegen der hohen Reaktivität des flüssigen Titans werden das Schmelzen von Titan oder Titanlegierungen und das Gießen des flüssigen Titans oder der Titanlegierungen allgemein in einer Technik ausgeführt, die unter Fachleuten als "Kaltherd"- oder "Krusten"-Schmelzen bekannt ist. Ein Beispiel dieser Technik ist in der US-PS 46 54 858 beschrieben. Es sind auch andere Krustenschmelz- Konfigurationen offenbart worden, und alle diese Konfigurationen können charakterisiert werden als einen Tiegel aufweisend, der das geschmolzene Titan enthält, wobei der Tiegel aus einem anderen Material als Titan besteht und bei dem Ausführungsbeispiel zum "Gießen vom Boden aus" eine Gießdüse aufweisen, die auch eher aus einem anderen Material, denn aus Titan besteht. Mit der Krusten- Schmelztechnik versucht man das Problem einer Reaktion zwischen dem flüssigen Titan und den Materialien des Tiegels und der Düse bzw. der Ausströmöffnung zu vermeiden, indem man eine "Kruste" aus festem Titan entwickelt, die die inneren Oberflächen von Tiegel und Düse bedeckt. In der folgenden Anmeldung wird der Begriff "kontinuierlicher Krusten-Düsen-Prozeß" benutzt, um allgemein auf Verfahren dieser Art hinzuweisen.

Während kontinuierliche Krusten-Düsen-Prozesse für eine Reihe von Jahren benutzt worden sind, bleiben bei solchen Prozessen insbesondere dort Probleme bestehen, wo (verglichen mit einer Öffnung, wie sie in der obigen US-PS 46 54 858 abgebildet ist) eine langgestreckte Ausgußdüse benutzt wird, da sich die Bildung und die Regelung einer stabilen Kruste innerhalb der Düse als Haupthürde bei der Entwicklung beständiger, zuverlässiger Verfahren zum Schmelzen und Gießen der flüssigen Legierung aus dem Tiegel erwiesen hat. Die beiden Hauptprobleme, die bei der Krustenbildung in der Düse auftreten, sind das Zusetzen bzw. Verschließen der Düse durch die Kruste und das Wegschmelzen der Kruste. Das Zusetzen der Düse verhindert einen kontinuierlichen Fluß der flüssigen Legierung aus dem Tiegel zu einer anderen Vorrichtung, wie einer Schmelzspinnvorrichtung oder einer kontinuierlichen Vorrichtung zum Gießen von Barren. Schmilzt die Kruste weg, dann ist das Düsenmaterial dem flüssigen Titan oder der flüssigen Titanlegierung ausgesetzt und reagiert damit, was eine rasche Verschlechterung der Düse entweder durch chemische Reaktion oder physikalische Erosion verursacht.

Frühere Versuche zum Steuern des Zusetzens der Düse durch das Krustenmaterial oder zum anderweitigen Stabilisieren der Krustengeometrie in der Düse litten alle an Nachteilen, die schließlich die vorgeschlagenen Lösungen unwirksam, unpraktisch und einigen Fällen unerwünscht machten. Bei einer solchen vorgeschlagenen Lösung wurde ein lokales Induktionserhitzen auf die Kruste an der Düse angewendet, um das Zusetzen der Düse durch Krustenmaterial zu verhindern. Dieses Herangehen erwies sich als unwirksam, die erforderliche Wärmedurchdringung zu erzielen, die erforderlich ist, einen flüssigen Strom im Zentrum der Düse aufrechtzuerhalten, da der Hauteffekt die erzeugte Wärme auf die äußeren Teile von Düse und Kruste konzentriert. Der Hauteffekt des Induktionserhitzers hat tatsächlich eine kontraproduktive Wirkung, da der größte Teil der Wärmeerzeugung an der äußeren Haut konzentriert ist, wo eine Schicht aus erstarrter Kruste aufrechterhalten werden soll.

Das Konzept einer magnetischen Levitationsdüse ist als ein alternatives Herangehen vorgeschlagen worden, eine physische Struktur aus Tiegel und Düse zu schaffen, mit der der Kontakt zwischen den Behältereinrichtungen und dem flüssigen Titan oder dessen Legierung beseitigt ist, was jegliche chemische Reaktion zwischen diesen verhindert. Wegen der begrenzten Stärke der Magnetkraft zeigt die Möglichkeit, Tiegel und Düse mit "Krusten"-Auskleidung durch eine Levitationsdüse zu ersetzen, in Anbetracht des derzeitigen Niveaus der Technologie nahezu keine Erfolgsaussicht.

Das Herangehen mit einer Levitationsdüse war vorgeschlagen worden zur Anwendung auf einer begrenzteren Basis, um nur den Schmelzstrom einzugrenzen. Dabei benutzt man eine Induktionsspule, um den Schmelzstrom einzugrenzen, indem man ein Magnetfeld erzeugt, das eine dünne Schicht aus "Körperkraft" auf der Oberfläche des Schmelzstromes induziert, wobei die genannte Kraft im wesentlichen die gleiche Wirkung hat wie die Schaffung eines positiven hydrostatischen Druckes am Schmelzstrom. Der Zweck dieser Art von Levitationsbegrenzung besteht darin, die Strömungsrate und den Durchmesser des Schmelzstromes aus flüssigem Metall zu regeln, ohne sich spezifisch mit dem Problem der Aufrechterhaltung einer stabilen Krustengeometrie in der Düse zu befassen.

Selbst bei diesem begrenzteren Herangehen ist die Levitationsdüse nicht attraktiv aufgrund von Problemen, die der Ausführung der Induktionsspule innewohnen und aufgrund von Problemen bei der Anwendung dieser Technologie bei der Begrenzung des Schmelzstromes, wie der Ausrichtung der Spule, der Stabilität des induzierten Stromes, der Interferenz und Kopplung des elektromagnetischen Feldes, der komplizierten Spulenausführung und aufgrund von Problemen bei der Stabilität, Asymmetrie und Spritzern der Schmelze. Da Tiegel und Düse weiterhin grundlegende Komponenten in einem System zur Anwendung der Levitation bei der Regelung des Durchmessers des Schmelzstromes bleiben, würden komplizierte Kopplung und Wechselwirkung zwischen der Levitationsdüse und dem Gesamtsystem eine außerordentliche experimentelle Anstrengung erfordern, um das Konzept richtungsweisend zu machen. Vereinfachte Experimente können die Wechselwirkungen zwischen der Levitationskraft, der Düsengröße und der Bildung, der Wachstum und der Regelung der "Kruste" nicht angemessen ansprechen.

Bei den früheren Anstrengungen im Hinblick auf kontinuierliche Krusten-Düsen-Prozesse fehlte die systematische Untersuchung des Zusetzens der Düse durch Krustenmaterial und des Wegschmelzens von Krustenmaterial, was die ernsten Verarbeitungsprobleme auf diesem Gebiet sind. Es wurde früher nicht erkannt, daß ein Prozeßfenster für das Schmelzen und Gießen von flüssigem Titan oder anderem Metall oder Legierungen entwickelt oder definiert und zum Verwirklichen einer Regelstrategie für die Regelung der Verfahrensparameter benutzt werden kann, um eine stabile Krustenkonfiguration in Tiegel und Düse zu erzeugen und aufrechtzuerhalten.

Es ist daher eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Definieren eines Prozeßfensters für einen kontinuierlichen Krusten-Düsen-Prozeß zu schaffen, das geeignete Bedingungen zur Erzielung einer stationären Erstarrungsschicht oder einer "Kruste" in einem solchen Prozeß identifiziert und zum Regeln eines oder mehrere Prozeßparameter, so daß der Prozeß innerhalb des definierten Prozeßfensters arbeitet.

Es ist eine andere wichtige Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Regeln eines kontinuierlichen Krusten-Düsen-Prozesses zu schaffen, der das Definieren eines Prozeßfensters einschließt, um eine stationäre erstarrte Schicht oder eine "Kruste" zu schaffen und um das Prozeßfenster für eine Regelstrategie zu benutzen, nachdem der genannte Prozeß unter Bedingungen ausgeführt wird, unter denen eine stabile Krustenkonfiguration sowohl im Tiegel und insbesondere auch in der Düse existiert.

Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zum Regeln der Fließrate geschmolzenen Metalles, was nachfolgend die Wärmeübertragungsrate, die Krustendicke und den Durchmesser des Schmelzstromes beeinflußt, indem man eine Druckdifferential-Regelung benutzt.

Eine weitere wichtige Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zum Regeln eines kontinuierlichen Krusten-Düsen-Prozesses einschließlich der Anwendung einer Druckdifferential-Regelung der Fließrate des geschmolzenen Metalles in Kombination mit anderen Prozeßregelungen, wie der Regelung der Überhitzungstemperatur in der Schmelze und der Abkühlrate in Tiegel und Düse.

Die obigen und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden gelöst durch Schaffen eines Verfahrens zum Definieren eines Prozeßfensters für einen kontinuierlichen Krusten-Düsen-Prozeß, das einen Bereich von Bearbeitungsbedingungen identifiziert, unter denen eine stabile Krustenkonfiguration aufrechterhalten wird. Das Begünden oder das Definieren dieses Prozeßfensters schließt die Betrachtung vieler Parameter ein, einschließlich der Materialeigenschaften des geschmolzenen und gegossenen Metalles oder der geschmolzenen und gegossenen Legierung, die Geometrie der Gießdüse und verschiedene Prozeßvariablen. Die interessierenden Materialeigenschaften beim kontinuierlichen Krusten-Düsen- Prozeß sind die thermische Leitfähigkeit, Dichte, spezifische Wärme, Viskosität, Phasenänderungstemperatur und latente Wärme. Die interessierenden Prozeßvariablen oder -Bedingungen sind der innere und äußere Wärmeübertragungskoeffizient, die Schmelzüberhitzung und eine Kühlwassertemperatur zum Kühlen von Tiegel und Düse.

Das Verfahren zum Definieren eines allgemeinen Prozeßfensters bei der vorliegenden Erfindung schließt das Gruppieren der abhängigen und unabhängigen Variablen zu dimensionslosen Parametern ein und das Benutzen eines integralen Herangehens zum Ableiten einer Lösung, die den Bereich von Bedingungen repräsentiert, unter denen eine stabile Kruste innerhalb der Düse erzielt und aufrechterhalten wird, wobei hierzu eine dimensionslose Düsengröße, eine dimensionslose Prozeßbedingung, bestehend aus einem Wärmeübertragungsverhältnis- und einen Überhitzungstemperatur-Parameter benutzt werden. Das Verfahren des Regelns des kontinuierlichen Krusten-Düsen- Prozesses zur Herstellung und Aufrechterhaltung einer stabilen Krustenkonfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung schließt das Regeln der Prozeßparameter in einer geeigneten Weise ein, um die erforderlichen Prozeßbedingungen für ein spezielles verarbeitetes Metall oder eine spezielle verarbeitete Legierung zu erzielen, so daß die Prozeßbedingungen in das Prozeßfenster fallen, das zum Erhalten einer stationären Erstarrungsschicht in der Düse definiert worden ist.

Die vorliegende Erfindung schließt auch ein Verfahren zum Regeln der Strömungsrate des geschmolzenen Metalles durch die Düse ein, indem man den Druckunterschied zwischen der Innenseite des Tiegels und der Außenseite des Tiegels regelt. Die Regelung der Strömungsrate des geschmolzenen Metalles beeinflußt die Wärmeübertragungsrate, die Krustendicke und den Schmelzstrom-Durchmesser. Das Regeln des Druckunterschiedes zwischen der Innenseite des Tiegels und der Außenseite des Tiegels, was allgemein die Benutzung eines Gasdruckes innerhalb des Tiegels einschließt, der geringer ist als ein Gasdruck außerhalb des Tiegels, arbeitet so zum Regeln der Strömung- und Wärmeübertragung- Charakteristika, um die vorgesehenen Prozeßbedingungen einzuhalten.

Diese und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung und die damit zusammenhängenden Vorteile werden noch deutlicher für den Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 eine im wesentlichen schematische Querschnittsansicht einer Konfiguration eines Kaltherd- Tiegels mit Düse, geeignet zum Einsatz für einen kontinuierlichen Krusten-Düsen-Prozeß,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Bildung einer erstarrten Schicht, die als ein Modell für eine Düsenkonfiguration dient,

Fig. 3 eine graphische Darstellung eines allgemeinen Prozeßfensters, um eine stationäre erstarrte Schicht zu erhalten, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren definiert ist,

Fig. 4A und 4B graphische Darstellungen der Empfindlichkeit des kombinierten Parameters aus Wärmeübertragungs-Verhältnis und Überhitzung unter Konstanthaltung anderer Prozeßparameter über kürzere bzw. längere dimensionslose Zeiten,

Fig. 5 eine graphische Darstellung des zweiten Gliedes der weiter unten in der Beschreibung folgenden Gleichung 14, aufgetragen gegen ein Glied Bi_f für verschiedene Werte eines Parameters Bi_R,

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Erzeugung eines Prozeßfensters gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren, wobei verschiedene Werte des Parameters Bi_R aufgetragen sind in einem Diagramm eines Parameters Bi_f gegen den kombinierten Parameter R_hr aus Überhitzung und Wärmeübertragungsverhältnis und

Fig. 7 eine graphische Darstellung von Bi_f gegen R_hr, in der die Reaktion des Prozesses von verschiedenen ausgewählten Punkten der graphischen Darstellung aus gezeigt ist.

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung 10 in im wesentlichen schematischer Form dargestellt, die einen Tiegel 12 und eine Bodendüse 14 umfaßt, wobei diese Vorrichtung als Behälter zum Einsatz in einem kontinuierlichen Krusten- Düsen-Prozeß zum Schmelzen und Gießen von flüssigem Titan, einer Titanlegierung oder einem anderen Metall oder einer anderen Metallegierung benutzt wird. Die Tiegelwand 16 und die Düsenwand 18 sind mit Kanälen 20 versehen, durch die ein Kühlmittel geleitet wird, um die Wände des Tiegels und der Düse bei einer erwünschten Temperatur zu halten.

Insbesondere im Falle der Behandlung von Titan oder Titanlegierung, beruht das Verfahren, das in der vorliegenden Anmeldung als kontinuierlicher Krusten- Düsenprozeß bezeichnet wird, auf der Anwesenheit einer "Kruste" oder Schicht 22 aus erstarrtem Titan oder erstarrter Titanlegierung, um die Wände 16 bzw. 18 von Tiegel bzw. Düse vor dem geschmolzenen Titan/Titanlegierung 24 zu isolieren, die durch die Bodendüse 14 für die weitere Verarbeitung aus dem Tiegel gegossen wird. Titan/Titanlegierung in flüssiger Form hat eine derart hohe chemische Reaktivität, das bei Abwesenheit dieser "Kruste" 22 Titan/Titanlegierung ziemlich sicher Verunreinigungen in Form gelösten Materials der Tiegelwand aufnimmt. Frühere Prozesse haben eine solche Kruste benutzt, waren jedoch nicht in der Lage, innerhalb der Düse eine stabile Kruste beständig zu bilden und zu steuern, was entweder zu den Situationen des "Zusetzen" oder "Wegschmelzens" des Krustenmaterials führte, die oben beschrieben sind.

Die vorliegende Erfindung hat erkannt, daß das Wachstum oder der Abbau der erstarrten Kruste innerhalb der Düse eine sehr komplexe Funktion ist, die viele Parameter einschließt, einschließlich der Eigenschaften des behandelten Materials, der Geometrie und der Prozeßbedingungen. Da die Aufrechterhaltung einer stabilen erstarrten Kruste die Regelung einer Phasenänderungs- Grenzfläche einschließt, gibt es komplexe Wechselwirkungen zwischen vielen Parametern, und der Versuch, dem Einfluß eines oder mehrerer einzelner Parameter auf den Prozeß und die Krustenbildung eine besondere Bedeutung beizumessen, kann verwirrend und irreführend sein. Die vorliegende Erfindung benutzt daher ein systematisches Analysenschema, um die Beziehungen zwischen den verschiedenen Parametern auszuwerten, um ein Prozeßfenster zu definieren, innenhalb dessen der kontinuierliche Krusten-Düsen-Prozeß ausgeführt werden kann und eine stabile Krustengeometrie aufrechterhalten wird, die für die Probleme des "Zusetzens" oder "Wegschmelzens" nicht empfindlich ist. Die vorliegende Erfindung schafft weiter eine neue Regelstrategie auf der Grundlage der Regelung eines Druckunterschiedes zwischen der Innenseite des Tiegels 12 und der Außenseite des Tiegels zur Aufrechterhaltung der stabilen Krustengeometrie.

Das Verfahren zum Definieren eines Prozeßfensters gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt verschiedene Materialeigenschaften in Rechnung, nämlich dessen thermische Leitfähigkeit, Dichte, spezifische Wärme, Viskosität, Phasenänderungstemperatur und latente Wärme. Das Verfahren stellt auch verschiedene Prozeßbedingungen in Rechnung, nämlich einen inneren und einen äußeren Wärmeübertragungskoeffizienten, die Überhitzung der Schmelze und die Kühlwassertemperatur, wobei der innere und der äußere Wärmeübertragungskoeffizient Funktionen der Reynolds- und Prantl-Zahlen der Schmelz- und Kühlmittel-Ströme sind und die Wärmeübertragungs-Koeffizienten daher in jedem spezifischen Prozeß bestimmt werden können.

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung zum Modellieren der Bildung einer erstarrten Schicht oder Kruste in einer Düse mit einer inneren zylindrischen Oberfläche des Radius R, gemessen von der Mittellinie. In dieser Figur ist zusätzlich zur Düsenwand 18 und zur Kruste 22 diagrammartig die Wärmeübertragung dargestellt, die zwischen dem geschmolzenen flüssigen Metall, das in Richtung des Pfeiles A durch die Düse fließt, und der umgebenden oder gekühlten Wand 18 der Düse 14 stattfindet.

Es ist ein innerer Wärmeübertragungskoeffizient h₂ an der Grenze zwischen der flüssigen Metallphase und der festen Metallphase und ein äußerer Wärmeübertragungskoeffizient h₁ an der Grenze zwischen der erstarrten Schicht oder Abdeckung 22 und der inneren Oberfläche der Düsenwand 18 angegeben. Die Variablen T_sup und T_a, die Überhitzungstemperatur, im flüssigen Metall und die Umgebungstemperatur, sind ebenfalls diagrammartig in Fig. 2 dargestellt. Die gekrümmte Linie T ist repräsentativ für das Temperaturprofil über die erstarrte Schicht oder Abdeckung 22. In Fig. 2 sind auch die Phasenänderungs- Temperatur T_f zwischen Flüssigkeit und Festkörper für Titan/Titanlegierung und der Radius R_f der Phasenlinie zwischen fest und flüssig R_f angegeben. Dem Modell der Fig. 2 kann entnommen werden, daß die Krustendicke durch (R-R_f) repräsentiert wird.

Um ein Prozeßfenster für die allgemeine Anwendung bei der Begündung und Aufrechterhaltung stabiler Krustenkonfigurationen für verschiedene Materialien und Prozeßbedingungen zu entwickeln und zu definieren, werden die abhängigen und unabhängigen Variablen zu 7 dimensionslosen Parametern gruppiert, nämlich einer Biot- Zahl (Bi_f) des Radius der Fest-Flüssig-Phasenlinie, einer Biot-Zahl (Bi_R) des Düsenradius, einer dimensionslosen Temperatur (R), einem Überhitzungstemperaturparameter, (R_sup), einer dimensionslosen Zeit (η), einem Wärmeübertragungskoeffizienten-Verhältnis (h₂/h₁) und der Phasenänderungs- Zahl (P_h).

Verschiedene dieser dimensionslosen Parameter werden an geeigneten Stellen in der folgenden Beschreibung definiert. Die, die nicht später definiert werden, sind folgendermaßen definiert:

worin k und ρ die thermische Leitfähigkeit und die Dichte der festen Phase des behandelten Materials sind, α das thermische Diffusionsvermögen der festen Phase, 1 die latente Wärme des Materials und S_T die Stefanzahl des Materials ist, die alle entweder bekannt sind oder für das jeweils behandelte Material bestimmt werden können.

Ein Energieausgleich-Integralverfahren, nämlich das Moment- Integralverfahren, wird dazu benutzt, eine nicht-lineare Differentialgleichung abzuleiten, aus der das Prozeßfenster zur Erzielung einer stationären erstarrten Schicht oder einer stabilen Kruste innerhalb der Düse bestimmt werden kann. Fig. 3 zeigt ein Beispiel eines solchen Prozeßfensters Z, in dem der gestrichelte Bereich den Bereich für die Düsengrößen in Begriffen der dimensionslosen Düsengröße Bi_R und des Bereiches für die Verarbeitungsbedingungen, dargestellt durch R_hr, das aus dem Wärmeübertragungskoeffizienten-Verhältnis und dem Überhitzungstemperatur-Parameter besteht, repräsentiert, in dem eine stabile Kruste während des Prozesses aufrechterhalten wird. Die Bedeutung der verschiedenen Größen in Fig. 3 wird weiter unten in der Beschreibung detaillierter erläutert.

Das bei der vorliegenden Erfindung angewendete Integralverfahren wird kurz unter Bezugnahme auf Fig. 2 veranschaulicht, die schematisch die Bildung einer erstarrten Schicht für eine Düse oder eine andere innere zylindrische Oberfläche veranschaulicht, die allgemein als ein axisymmetrischer Fall bezeichnet wird.

Die integrierte Leitungsgleichung für diese Schicht ist:

Die Anwendung der Leibnitzregel für das Ausgleichsglied auf der rechten Seite führt zu:

Die Einzelheiten dieser Integration finden sich in V.J. Lunardini "Heat Transfer in Cold Climates", Van Nostrand Reinhold Company, New York, 1981.

Die dimensionslose Temperatur und ihre integrierte Form ist folgendermaßen definiert:

Die Gleichung (2) wird dann:

Für den asymmetrischen Fall kann das Temperaturfeld (in einer Annäherung erster Ordnung) mittels einer logarithischen Funktion der Radialkoordinate r des zylindrischen Koordinatensystems folgendermaßen angenähert werden:

Es existieren die folgenden drei Grenzbedingungen für dieses Problem:

Die erste Grenzbedingung (Gleichung 6) kann unter Erhalt von a₁=1 leicht gelöst werden.

Zwei dimensionslose Parameter, eine Biot-Zahl, die die dimensionslose Phasenlinie von fest nach flüssig definiert und eine zweite Biot-Zahl, die eine Konstante ist, die den äußeren Radius des Zylinders bestimmt, werden wie folgt definiert:

Diese Parameter enthalten die kombinierte Wirkung des äußeren Kühlens, des Radius und der inneren Leitung. Unter Anwendung dieser Parameter kann man Gleichung (7) für den verbleibenden Koeffizienten lösen und erhält den folgenden Wert:

Unter Anwendung der Gleichungen 5, 8 und 11 wird die Integralgleichung für die feste Schicht (Gleichung 4) eine nicht-lineare ordinäre Differentialgleichung in dimensionsloser Form, die die Phasenlinie zwischen fest und flüssig repräsentiert:

Diese Gleichung repräsentiert die Bewegung der Phasenlinie zwischen fest und flüssig oder eine Erstarrungsschicht innerhalb eines Zylinders (Düse) unter Anwendung einer logarithmischen Annäherung für das Temperaturfeld. Sie wurde aus fünf dimensionslosen Parametern gebildet:
zwei Biot-Zahlen, eine für den Ort der Phasenlinie zwischen fest und flüssig und eine andere für die Größe des Zylinders,
eine Phasenänderungs-Zahl,
einen sich aus Überhitzung und Wärmeübertragungs-Verhältnis zusammensetzenden Parameter und
Zeit.
Die nicht-lineare Gleichung (2) wurde unter Anwendung des Runge-Kutta-Integrationsschemas gelöst.

Es sind Empfindlichkeitsstudien an dreien der fünf dimensionslosen Parameter ausgeführt worden:
P_h (ein Material-Parameter und
R_hr und Bi_R (die beide Prozeßdesign-Parameter sind). Die Untersuchung der Gleichung (12) zeigt, daß die stationäre Lösung unabhängig von der Phasenänderungs-Zahl P_h ist. Dies befindet sich in Übereinstimmung mit der zugrunde liegenden Prozeßphysik, da sich die Phasenlinie im statinonären Zustand nicht bewegt und der Einfluß der latenten Wärme "1" nicht existiert.

Der Effekt der beiden anderen dimensionslosen Parameter R_hr und Bi_R wird im folgenden detaillierter erläutert.

Der dimensionslose Parameter R_hr ist ein Parameter, der eine Kombination aus Überhitzung R_sup und Wärmeübertragungs-Verhältnis (h₂/h₁) einschließt und der durch die folgende Beziehung definiert ist:

Fig. 4A zeigt die Empfindlichkeit des kombinierten Parameters aus Überhitzung und Wärmeübertragungs- Verhältnis, der in Gleichung (13) definiert ist, auf den Aufbau einer erstarrten Schicht auf der Innenwand einer Düse. Bei Zunahme des dimensionslosen Parameters R_hr von 0,75 bis 0,95, während die anderen Parameter P_h=1,0 und Bi_R=2,0 fixiert sind, nimmt die Dicke der gebildeten festen Schicht ab. Die Zunahme dieses Parameters kann auf einem von zwei Wegen erfolgen, nämlich durch Erhöhen der Überhitzungs-Temperatur oder durch Erhöhen des Wärmeübertragungs-Verhältnisses. Eine der Antriebskräfte für die Bildung der festen Schicht ist der Temperaturunterschied zwischen der strömenden Flüssigkeit und der Phasenübergangs-Temperatur. Mit zunehmender Überhitzungs-Temperatur nimmt dieser Temperaturunterschied zu, und es gibt einen stärkeren Wärmefluß in die erstarrte Schicht. Wird der Wärmefluß in diese Schicht größer, dann wird die Dicke der gebildeten Schicht kleiner. Alternativ kann das Wärmeübertragungs-Verhältnis erhöht werden durch Vergrößern des inneren Wärmeübertragungs-Koeffizienten h₂ oder durch Vermindern des äußeren Koeffizienten h₁. Wird der innere Wärmeübertragungs-Koeffizient vergrößert, dann kann die Flüssigkeit wirksamer Wärme in die Schicht übertragen, und es wird eine dünnere erstarrte Schicht gebildet. Vermindert man den äußeren Wärmeübertragungs- Koeffizienten, dann wird weniger an der Grenzfläche gekühlt, was auch zu einem Aufbau einer dünneren erstarrten Schicht führt.

Fig. 4B zeigt den Effekt dieses kombinierten Parameters auf die Dicke der erstarrten Schicht bei längeren dimensionslosen Zeiten. Es kann beobachtet werden, daß eine stationäre erstarrte Schicht bei dem geringsten Wert für R_hr, der in der graphischen Darstellung der Fig. 4B gezeigt ist, nicht gebildet werden kann. Unterhalb eines gewissen Wertes für diesen Parameter setzt sich die Düse mit der Zeit zu, statt daß sich eine stabile Schicht der Abdeckung bildet. Oberhalb eines gewissen Wertes für R_hr wird keine erstarrte Schicht gebildet.

Um eine stabile erstarrte Schicht innerhalb der Düse zu erhalten, müssen die Beziehungen zwischen den Parametern weiter untersucht werden. Fig. 4B wird nur benutzt, um das potentielle Problem des Zusetzens der Düse darzustellen, und die reale Lösung für die Bildung einer erstarrten Schicht wird von dieser Lösung etwas abweichen. Nimmt die Schichtdicke zu und wird sie mit Bezug auf den Düsendurchmesser bedeutsam, dann wird der Strömungsbereich verringert, und der innere Wärmeübertragungs-Koeffizient h₂ wird eine Variable, nachdem er zuvor als eine Konstante angesehen wurde, dessen Wert davon abhängt, ob die Strömungsbedingungen für einen konstanten Schwerkraftkopf bzw. Flüssigkeitsdruck (im englischen "gravity head") oder eine konstante Strömungsrate sind. Unter der Bedingung eines konstanten Flüssigkeitsdruckes, wie im Falle eines typischen ausgußartigen Trichters, nimmt h₂ mit zunehmender Dicke der erstarrten Schicht ab.

Das Kriterium zum Erzielen einer stationären Lösung für Gleichung (12) kann abgeleitet werden, indem man die beiden Teile der Gleichung betrachtet. Der Übergangsteil der Gleichung kann folgendermaßen umgeschrieben werden, um ihn in Glieder zu zerlegen, die einzeln betrachtet werden können:

Der Koeffizient des gesamten Gleichungsfragmentes ist immer positiv wegen der Quadrierung des Nenners. Das erste Glied innerhalb der Klammer ist immer positiv wegen der Quadrierung und aufgrund der Tatsache, daß P_h größer als 0 ist. Das zweite Glied innerhalb der Klammer kann nicht so einfach bewertet werden, doch zeigt eine graphische Auswertung dieses Gliedes in Fig. 5, daß es immer positiv ist. Da der gesamte Übergangs- bzw. veränderliche Teil der Gleichung (12) positiv ist, hängt das Wiederschmelzen oder Erstarren der Schicht vollkommen vom Vorzeichen des stationären Gliedes ab. Ist das stationäre Glied positiv, dann nimmt der Radius des Strömungsbereiches Bi_f zu und die erstarrte Schicht schmilzt oder schmilzt wieder. Ist dieses Glied dagegen negativ, dann nimmt der Radius ab und es würde zu einer Erstarrung der Schicht kommen.

Auf der Grundlage dieser Beobachtung kann der stationäre Teil der Gleichung (12) folgendermaßen betrachtet werden:

Ist dieses Glied weiter größer als null, dann schmilzt die Schicht oder schmilzt wieder zu dem Zustand "Wegschmelzen", der weiter oben beschrieben wurde, und ist dieses Glied kleiner als null, dann erstarrt die Schicht zum Zustand des "Zusetzens", der ebenfalls oben beschrieben wurde. Das stationäre Kriterium der Gleichung (15) kann zu der folgenden Form umgestellt werden:

Man kann den kritischen Wert von R_hr durch Differentieren der Gleichung (16) mit Bezug auf Bi_f folgendermaßen bestimmen:

Aus der Gleichung (17) ergibt sich der kritische Wert für Bi_f durch die folgende Gleichung:

Setzt man diesen Wert in Gleichung (16) ein, dann ergibt sich der kritische Wert für R_hr zu folgender Beziehung:

Diese kritischen Werte sind in der folgenden Tabelle für mehrere unterschiedliche dimensionslose Düsenradien aufgeführt. Die Werte dieser Tabelle wurden durch numerische Berechnungen unter Benutzung der Gleichung (12) bestätigt.

Für solche Düsenradien, die kleiner als 1,0 sind, übersteigen die errechneten Werte für den kritischen Strömungsradius Bi_fC den Düsenradius, dies bedeutet, daß der kritische Strömungsradius außerhalb des Düsenradius liegt und daher imaginär ist. Diese Werte sind in der vorstehenden Tabelle in eckige Klammern gesetzt. Der Maximalwert für den kritischen Strömungsradius ist der des Düsenradius, und so beträgt der kritische Wert für R_hr 1,00.

Fig. 6 zeigt die Lösung für Gleichung (16) für verschiedene unterschiedliche dimensionslose Düsenradien (Bi_R=0,5, 0,75, 1,0, 2,0, 3,0 und 4,0). Der am weitesten links liegende Punkt in jeder Kurve gibt den kritischen Wert für R_hr an. Ist der Wert des Parameter R_hr für einen gegebenen Düsenradius und gegebene Prozeßbedingungen kleiner als der kritische Wert, dann liegt der Punkt links von der dargestellten Kurve, und es findet ein Zusetzen der Düse statt (wobei Gleichung (15) kleiner als null ist). Liegt der Wert für R_hr für einen bestimmten Düsenradius und bestimmte Bearbeitungsbedingungen zwischen R_hrC und 1, dann bildet sich eine stabile Schicht. Ist der Wert für R_hr größer oder gleich 1 für einen Düsenradius und bestimmte Verarbeitungsbedingungen, dann bildet sich überhaupt keine Schicht, da diese Bedingung das Kriterium des Wiederschmelzens erfüllt, das oben unter Bezugnahme auf Gleichung (15) erläutert worden ist. Die drei Bereiche sind in Fig. 6 voneinander abgegrenzt. Außerdem kann der Fig. 6 entnommen werden, daß die Prozeßbedingungen so gewählt werden sollten, daß der Punkt innerhalb des stationären Bereiches liegt, damit eine stabile erstarrte Schicht gebildet wird.

Aufgrund der obigen Tabelle kann man weiter die in Fig. 3 gezeigten Ergebnisse verstehen. Für Bi_R=2,0 ist der kritische Wert für R_hr nach den Gleichungen (18) und (19) gleich 0,824. Die in Fig. 4B gezeigte Kurve für R_hr= 0,85 zeigt daher eine stationäre Lösung, da dieser Wert R_hrC übersteigt, während sich für R_hr=0,75 keine stationäre Lösung bilden kann, und die Düse wird mit der Zeit verstopfen. Wie weiter oben bereits erläutert, wird jedoch die wirkliche Lösung für die Bildung einer erstarrten Schicht innerhalb einer Düse, deren dimensionsloser Radius 2,0 beträgt, etwas von dieser Lösung abweichen.

Es gibt zwei spezielle Fälle in Gleichung (15), die weitere Aufmerksamkeit verdienen. Im einen Fall gibt es keine anfängliche erstarrte Schicht und im anderen existiert eine vorgepackte Schicht von einer gewissen endlichen Dicke. Jeder dieser Fälle wird betrachtet mit einer Betonung der Strategie, mit der eine stationäre erstarrte Schicht erzielt und aufrechterhalten werden kann.

In dem Falle, bei dem es keine anfängliche erstarrte Schicht innerhalb der Düse gibt, ist der anfängliche Radius des Strömungsbereiches Bi_fI gleich dem Düsenradius Bi_R. Das Schmelz/Erstarrungs-Kriterium der Gleichung (15) kann auf die folgende Form reduziert werden, wenn Bi_fI=Bi_R:

Bi_R (R_hr - 1) = 0 ⇒ stationär

<0 ⇒ keine erstarrte Schicht (20)

<0 ⇒ erstarrend

Ergibt Gleichung (20) einen Wert von größer als null (d. h. R_hr<1), dann bildet sich keine erstarrte Schicht. Ergibt diese Gleichung einen Wert, der kleiner als null ist (R_hr<1), dann ist die Erstarrungsbedingung erfüllt. Ist R_hr dagegen kleiner als der kritische Wert, dann wird sich die Düse zusetzen.

Eine stationäre Lösung ohne Zusetzen der Düse kann daher nur erzielt werden, wenn das folgende Kriterium erfüllt ist:

R_hrC R_hr < 1 (21)

Für solche Fälle, in denen der Düsenradius Bi_R größer als 1,0 ist, kann eine stationäre erstarrte Schicht gebildet werden, wenn der Wert von R_hr für die Verarbeitungsbedingungen in den durch Gleichung (21) definierten Bereich fällt.

Für solche Fälle, in denen der Düsenradius Bi_R kleiner oder gleich 1,0 ist, kannn eine stationäre erstarrte Schicht nicht gebildet werden, weil der kritische Wert für R_hr immer gleich 1,0 ist, wie sich aus der obigen Tabelle ergibt. Es gibt keinen Wert, den der Prozeßparameter R_hr annehmen kann, der zwischen 1,0 und 1,0 fällt, wie durch Gleichung (21) spezifiziert. Führt die Verarbeitungsbedingungen zu einem Wert für R_hr, der kleiner als 1,0 ist, dann wird sich die Düse zusetzen, während bei einem Wert von größer als oder gleich 1,0 keine Erstarrung stattfinden wird.

Es sei nun der andere oben genannte Fall betrachtet, bei dem eine anfängliche vorgepackte erstarrte Schicht einer gewissen endlichen Dicke existiert, so daß der anfängliche Radius des Strömungsbereiches Bi_fI kleiner ist als der Düsenradius Bi_R. In der Praxis ist eine anfängliche erstarrte Schicht erforderlich, so daß die flüssige Schmelze nicht mit dem Düsenmaterial reagiert. Diese anfängliche vorgepackte erstarrte Schicht wird in Abhängigkeit von den anfänglichen Bearbeitungsbedingungen entweder schmelzen, an Dicke zunehmen oder bei ihrem Ausgangswert bleiben. Der anfängliche Strömungsradius der Düse hat einen dazugehörigen Wert R_hrI wie er sich aus der Gleichung (16) ergibt.

Es wird nun auf Fig. 7 bezug genommen, um die Bildung einer erstarrten Schicht darzustellen, bei der man mit einer anfänglichen vorgepackten Schicht beginnt, und zwar für den speziellen Fall, bei dem der dimensionslose Düsenradius gleich 3,0 ist. Der Punkt C in dieser Fig. 7 definiert den kritischen Strömungsradius und den kritischen Wert für R_hr, der R_hrC ist. Ein spezieller Prozeß, der auf den ausgewählten Parametern beruht, hat dazugehörige Prozeßwerte von Bi_f und R_hr, wie sie durch Punkt P in Fig. 7 definiert sind. Die Prozeßparameter werden vorteilhafterweise so ausgewählt, daß dieser Punkt innerhalb des stationären Bereiches in der Kurve liegt.

Der erste zu erwähnende Fall ist der, bei dem der anfängliche Strömungsradius gleich dem Düsenradius ist, was Punkt A in Fig. 7 entspricht. Dies ist genau die bereits diskutierte Situation, bei der keine anfängliche vorgepackte Schicht existiert, und die bezüglich dieser Situation diskutierten Kriterien sind hier ebenfalls anwendbar.

Ist der anfängliche Wert für den Strömungsradius gleich dem Prozeßwert, dann wird die Situation durch den Punkt P in Fig. 7 veranschaulicht. In diesem Fall erstarrt die Schicht weder noch schmilzt sie, sondern verbleibt in ihrer gegenwärtigen Dicke, weil dies bereits der stationäre Wert ist.

Der nächste zu betrachtende Fall ist der, bei der der anfängliche Wert für R_hrI, wie er sich aus Gleichung (16) ergibt, geringer ist als der Prozeßwert für R_hr. Dieser Fall ist durch die Punkte B und D in Fig. 7 definiert und durch die folgende Gleichung dargestellt:

R_hrC R_hrI R_hrP 1 (22)

Da der Prozeßwert für R_hr irgendwo im stationären Bereich der Fig. 6 liegen sollte, sollte er immer größer als der kritische Wert sein. Gemäß Gleichung (15) wird für diesen Fall das Schmelzkriterium erfüllt, da das Einsetzen in Gleichung (15) zu einem Wert von größer als null führt. Die Schicht wird in der Dicke abnehmen, bis sich der Strömungsradius auf den Prozeßwert Bi_fP vergrößert hat, der der stationäre Wert wird.

Ist der anfängliche Wert für R_hrI, wie er sich aus der Gleichung (16) ergibt, größer als der Prozeßwert für R_hr, dann wird der Fall durch die folgende Gleichung repräsentiert:

R_hrC R_hrP R_hrI 1 (23)

Gemäß Gleichung (15) ist für diese Situation das Erstarrungskriterium erfüllt. Ist der anfängliche Strömungsradius Bi_fI größer als der Prozeß-Strömungsradius, d. h., ist die anfängliche erstarrte Schicht "dünn", dann wird die Schicht weiter erstarren, bis der stationäre Zustand, der durch die Prozeßparameter definiert ist, erfüllt ist. Dieser Fall ist definiert durch den Punkt E in Fig. 7. Ist andererseits der anfängliche Wert für den Strömungsradius kleiner als der Prozeßwert (d. h. die anfängliche Schicht ist "dick"), dann wird die Erstarrung niemals durch den stationären Zustand gegen und daher sich fortsetzen, bis sich die Düse zugesetzt hat. Diese Situation ist durch den Punkt F in Fig. 7 definiert. In der Praxis ist nur eine dünne vorgepackte Schicht, wie durch den Punkt E in Fig. 7 gezeigt, erforderlich, um eine stabile erstarrte Schicht zu erhalten.

Ein Prozeßfenster zum Aufrechterhalten einer stabilen Kruste kann daher in der obigen Weise dadurch erhalten werden, daß man die Gleichung, die repräsentativ für die Erstarrungsschicht in einem Zylinder oder einer Düse ist, unter Benutzung der oben genannten dimensionslosen Parameter ableitet und danach die definierenden kritischen Werte für die Parameter auswählt, wie für R_hr im obigen Beispiel angegeben, zwischen denen der kontinuierliche Krusten-Düsen-Prozeß eine stabile Krustenkonfiguration aufrechterhalten kann. Für ein spezifisches verarbeitetes Material können tatsächlich Werte für diese Parameter auf der Grundlage der Materialeigenschaften und Verfahrensbedingungen erhalten werden, und es ist so möglich, den Prozeß zu regeln, um die Bedingungen aufrecht zu erhalten, die erforderlich sind, um den Prozeß innerhalb des Prozeßfensters ablaufen zu lassen.

Es wird so ein Prozeßfenster erzeugt, um die Beziehungen zwischen den physikalischen Parametern darzustellen. Dies geschieht durch Auftragen der entwickelten Kriterien, wie im Detail oben erläutert, zur Bildung einer stabilen erstarrten Schicht.

In Fig. 3 ist ein Prozeßfenster Z, das den Bereich definiert, in dem man eine stationäre erstarrte Schicht erhalten kann, veranschaulicht. Ist der kombinierte Parameter R_hr aus Überhitzungstemperatur und Wärmeübertragungs-Verhältnis größer oder gleich 1 für irgendeinen Wert von Bi_R, dann wird keine Erstarrungsschicht gebildet. Das geschmolzene Material reagiert dann unmittelbar mit dem Material von Düse oder Tiegel und verursacht eine mögliche Verunreinigung. Ist der genannte Parameter andererseits kleiner als der kritische Wert R_hrC, dann wird sich die Düse mit der Zeit zusetzen. Die für dieses Zusetzen erforderliche Zeit kann durch Übergangs- bzw. Ausgleichrechnungen abgeschätzt werden. Fällt R_hr zwischen den Wert 1 und den kritischen Wert, dann kann eine stationäre erstarrte Schicht gebildet werden.

Wie Fig. 3 zeigt, gibt es eine untere Grenze auf dem dimensionslosen Düsenradius Bi_R, der die tatsächliche Düsengröße bestimmt. Ist dieser dimensionslose Radius kleiner oder gleich 1, dann kann für irgendeinen Satz von Verfahrensbedingungen keine stationäre erstarrte Schicht gebildet werden.

Die erste Stufe bei der Verwirklichung einer stabilen erstarrten Schicht innerhalb einer Düse zur Herstellung sauberer Schmelzen besteht darin, die thermischen Eigenschaften der interessierenden besonderen Schmelze zu lokalisieren oder abzuschätzen, nämlich ihre Dichte, spezifische Wärme, thermische Leitfähigkeit, latente Wärme, Viskosität und Phasenübergangs-Temperatur.

Der innere und der äußere Wärmeübergangs-Koeffizient für den Prozeß muß unter Anwendung der folgenden Gleichungen errechnet werden. Der innere Wärmeübertragungs-Koeffizient h₂ ist der an der Grenzfläche zwischen dem strömenden geschmolzenen Metall und der erstarrten Schicht, wie in Fig. 2 veranschaulicht. Der Wert dieses Koeffizienten kann folgendermaßen errechnet werden:

worin D der Durchmesser der Düse und Nu die Nusseltzahl für das geschmolzene Metall ist, die folgendermaßen angenähert werden kann:

Nu = 4,82 + 0,0185 (RePr)^0,827 (25)

in der Re und Pr folgendermaßen definiert sind:

worin V die Schmelzviskosität ist.

Für eine dünne stabile erstarrte Schicht wird der Radius des Strömungsbereiches nicht merklich vom Düsenradius abweichen, und der Wert für h₂ wird nicht geändert. Obwohl frühere Untersuchungen gezeigt haben, daß es einige lokale Variationen in der Oberflächenstruktur einer erstarrten Schicht innerhalb der Düse geben mag, wird angenommen, daß es für die vorliegende Erfindung genügt, einen mittleren Effekt beim Schichtaufbau zu betrachten und die Effekte lokaler Variationen zu ignorieren.

Der äußere Wärmeübertragungs-Koeffizient h₁ ist der Gesamtkoeffizient an der Grenzfläche zwischen der erstarrten Schicht und der Düsenwand, was die Wirkung der Kühlkanäle innerhalb der Düsenwand einschließt. Der Wert für diesen Koeffizienten wird in der folgenden Weise errechnet:

worin h_o der Wärmeübertragungs-Koeffizient des Kühlmittels und S der Formfaktor ist, der von der Tiefe der Kühlkanäle von der Düsenoberfläche sowie dem Abstand zwischen parallelen Kanälen abhängt. Die dimensionslose Überhitzungs-Temperatur kann ebenfalls unter Anwendung der Kühlmitteltemperatur innerhalb der Kanäle als der Umgebungstemperatur T_a errechnet werden.

Es sind nun alle erforderlichen Parameter zum Berechnen der Übergangslösung für die Dicke der erstarrten Schicht, wie sie in Gleichung (12) angegeben ist, verfügbar. Die Verfahrensbedingungen können eingestellt werden, bis eine stabile Schicht gebildet werden kann, wozu man die in der vorliegenden Erfindung entwickelten und weiter oben in der Beschreibung erläuterten Kriterien und Prozeßfenster Z benutzt, wie es in Fig. 3 gezeigt ist.

Gemäß Fig. 1 benutzt ein bevorzugtes Verfahren zum Regeln des Prozesses der vorliegenden Erfindung zur Aufrechterhaltung einer stabilen Krustenkonfiguration in einer Düse eine Regelstrategie einschließlich der Überwachung und Einstellung eines Druckunterschiedes zwischen dem im Tiegel 12 herrschenden Gasdruck und dem außerhalb des Tiegels am Schmelzabgabebereich herrschenden Druck. Es wurde gemäß der vorliegenden Erfindung festgestellt, daß ein untergeordneter Druckunterschied, in der Größenordnung von wenigen 7000 Pa (entsprechend wenigen psi) zwischen dem inneren und äußeren Gasdruck wirksam benutzt werden kann, die Strömungsrate des geschmolzenen Metalles zu regeln, die wiederum die Wärmeübertragungsrate, die Krustendicke und den Schmelzstrom-Durchmesser beeinflußt. Nachdem ein Prozeßfenster für ein spezielles verarbeitetes Material in einem kontinuierlichen Krusten- Düsen-Prozeß definiert worden ist, können die Verarbeitungsbedingungen- oder Parameter so ausgewählt werden, daß der Gasdruck innerhalb und/oder außerhalb des Tiegels geregelt wird, um einen Gasdruckunterschied in der Größenordnung der genannten wenigen 7000 Pa zu erzielen, was dazu führt, daß der Prozeß innerhalb des definierten Prozeßfensters betrieben wird. Vorzugsweise gestatten die eingestellten Verarbeitungsbedingungen, daß der Gasdruckunterschied so geregelt wird, daß der Gasdruck P_i innerhalb des Tiegels 12 bis zu wenigen 10 000 Pa, z. B. 7000 bis 35 000 Pa (entsprechend 1 bis 5 psi) geringer ist als der Druck P_o der vorhandenen oder geregelten Umgebung außerhalb des Tiegels.

Der erforderliche Druckunterschied, der durch den Ausgleich des Kopfes (oder der Höhe) H des geschmolzenen Metalles innerhalb des Tiegels 12 und des Druckverlustes im Düsenbereich bestimmt wird, kann entweder durch Erzeugen eines Teilvakuums innerhalb des Tiegels 12 oder durch Erzeugen eines positiven Umgebungsdruckes an der freien Oberfläche des Schmelzstromes oder durch Anwendung einer Kombination dieser beiden Bedingungen erzielt werden. Die Ausrüstung für diese Regelverfahren ist mehr oder weniger üblich, und der Fachmann erkennt, daß der Tiegel in verschiedener Weise aufgestellt werden kann, um die Regelung des Gasdruck-Unterschiedes zu gestatten.

Die Anwendung eines geregelten Druckunterschiedes hat einen ähnlichen Effekt wie die früher vorgeschlagene Anwendung der magnetischen Levitation zur Erzeugung einer Druckkraft auf die freie Oberfläche des Schmelzstromes mittels einer Induktionsspule, welche Technik weiter oben diskutiert wurde. Das direkte Regeln des Druckunterschiedes nach der vorliegenden Erfindung hat jedoch verschiedene Vorteile gegenüber dem an sich bekannten Levitationsverfahren.

Darüber hinaus war die magnetische Levitationstechnik als Mittel vorgeschlagen worden, den Gebrauch einer Kruste zu beseitigen oder die mit dem Versuch verbundenen Probleme zu beseitigen, eine stabile Krustengeometrie innerhalb eines Tiegels und einer Düse aufrechtzuerhalten, indem man ein Mittel zum Begrenzen des Schmelzstromes schaffte, das nicht mit einem physikalischen Kontakt des geschmolzenen Metalles mit einem Behälter verbunden war, um die Strömungsrate des geschmolzenen Metalles zu regeln. Diese früheren Anstrengungen haben nicht erkannt, daß ein Prozeßfenster entwickelt werden könnte, um die Prozeßbedingungen zu identifizieren, mit denen es möglich ist, eine Kruste stabiler Geometrie in einer Düse aufrechtzuerhalten, und daß die Strömungsrate des Schmelzstromes für den Zweck geregelt werden könnte, die Betriebsbedingungen des Prozesses innerhalb des entwickelten Prozeßfensters zu bringen.

Die Viskositäten des geschmolzenen Titans bzw. der geschmolzenen Titanlegierungen sind im allgemeinen sehr gering, und irgendwelche untergeordneten Störungen oder Asymmetrie-Bedingungen in der Umgebung des Schmelzstromes führen zu einer Instabilität, die problematische Betriebsbedingungen erzeugt, z. B. Spritzer oder die Bildung von Satellitentröpfchen. Die Regelung des Druckunterschiedes schafft natürlich eine symmetrische Kraft längs der freien Oberfläche des Schmelzstromes, die aufgrund der vielen geometrischen Faktoren, die beim Spulenentwurf eine Rolle spielen, beim Levitationsverfahren schwierig zu erzielen ist. Darüber hinaus erfordert das Levitationsverfahren einen beträchtlichen Konzept- Validierungsprozeß, der geometrische Faktoren einschließt, wie Ort, Gestalt und Durchmesser der Induktionsspule und des Kühlkanals, und auch die Asymmetrie-Verbindung der Leistungszufuhr wäre sorgfältig zu analysieren und zu entwerfen, bevor auch nur ein Prototyp konstruiert werden könnte.

Das Regelverfahren der vorliegenden Erfindung über den Druckunterschied bringt keine zusätzlichen Leistungszufuhr- Anforderungen und damit verbundene Strom- und Spannungsregelungen zur Aufrechterhaltung der Stabilität im Schmelzstrom mit sich. Schließlich kann das für das Levitationsverfahren erforderliche starke elektromagnetische Feld ein unnötiges Induktionserhitzen des Tiegels, der Düse und der Krustenoberfläche erzeugen, was eine Wechselwirkung mit anderen lokalen elektrischen Funktionen verursachen kann, wie dem Plasmabogenschmelzen, das zum Schmelzen von Titan/Titanlegierung im Tiegel benutzt wird.

Ein weiteres wichtiges Merkmal der Anwendung des Verfahrens der Regelung des Druckunterschiedes ist, daß, weil der Druckunterschied die Strömungsrate des geschmolzenen Metalles wirksam und genau regeln kann, gibt es sehr viel weniger Einschränkung hinsichtlich der Düsengröße, die bei einem speziellen kontinuierlichen Krusten-Düsen-Prozeß benutzt werden kann. Das Verfahren der Druckunterschied- Regelung kann auch benutzt werden, um die Anfahrbedingungen des Prozesses zu regeln, wobei die Strömungsrate des geschmolzenen Metalles vor dem Erreichen eines stationären Zustandes graduell erhöht werden muß. Änderungen in der Überhitzungs-Temperatur und der Kühlrate können als sekundäre Regelparameter angesehen werden, um den primären Druckunterschied-Regelparameter bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zu ergänzen.

Claims

1. Verfahren zur Aufrechterhalten einer stationären Erstarrungsschicht aus einem Metall oder einer Legierung in einem Behälter, der zum Gießen einer Schmelze des genannten Metalles oder der genannten Legierung in einem kontinuierlichen Krusten-Düsen-Prozeß benutzt wird, umfassend:
Regeln eines Druckunterschiedes zwischen einem Inneren des Behälters und einem Äußeren des Behälters, um eine Gieß- Strömungsrate der Schmelze des Metalles oder der Legierung innerhalb eines vorbestimmten erwünschten Bereiches aufrechtzuerhalten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin der vorbestimmte Bereich der Gieß-Strömungsrate des genannten Metalles oder der genannten Legierung bestimmt wird nach der weiteren Stufe der Definition eines Prozeßfensters, das einen Bereich von Prozeßbedingungen anzeigt, innerhalb deren die stationäre erstarrte Schicht aufrechterhalten wird und außerhalb deren eine stationäre Erstarrungsschicht nicht aufrechterhalten werden kann.

3. Verfahren nach Anspruch 2, worin das Prozeßfenster durch zwei oder mehr dimensionslose Parameter definiert ist, die auf abhängigen oder unabhängigen Variablen der Materialien und des Prozesses beruhen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, worin der Druckunterschied derart geregelt wird, daß der Druck innerhalb des Tiegels um einige 10 000 Pa geringer ist als der Druck am Gießauslaß außerhalb des Tiegels.

5. Verfahren nach Anspruch 4, worin der dimensionslose Düsenradius einen der dimensionslosen Parameter umfaßt, die das Prozeßfenster definieren.

6. Verfahren nach Anspruch 5, worin ein dimensionsloser kombinierter Parameter, der die Überhitzung der Schmelze und das Wärmeübertragungs-Verhältnis an der äußeren und inneren Oberfläche der erstarrten Schicht berücksichtigt, einen der dimensionslosen Parameter umfaßt, die das Prozeßfenster definieren, wobei das Prozeßfenster graphisch durch Auftragen eines Bereiches dimensionsloser Düsengrößen gegen einen Bereich von Werten des kombinierten Parameters aus Überhitzung und Wärmeübertragungs-Verhältnis dargestellt werden kann.

7. Verfahren zum Regeln eines kontinuierlichen Krusten- Düsenprozesses, der bei der Herstellung von Metallen oder Legierungen aus einer Schmelze benutzt wird, umfassend:
Definieren eines Prozeßfensters, das einen Bereich von Prozeßbedingungen anzeigt, innerhalb deren eine stationäre erstarrte Schicht aus dem genannten Metall oder der genannten Legierung mit einer gewünschten Dicke innerhalb einer Ausgabedüse aufrechterhalten wird, und außerhalb deren eine stationäre erstarrte Schicht des genannten Metalles oder der genannten Legierung nicht aufrechterhalten werden kann, wobei das Prozeßfenster durch zwei oder mehrere dimensionslose Parameter definiert ist, die auf abhängigen und unabhängigen Material- und Prozeß- Variabeln beruhen,
Regeln mindestens einer Prozeßvariablen wie erforderlich, um eine Verarbeitungsbedingung des kontinuierlichen Krusten-Düsen-Prozesses innerhalb des genannten Prozeßfensters aufrechtzuerhalten, wobei die genannte Prozeßvariablen-Regelstufe das Regeln mindestens eines Druckunterschiedes zwischen der Innenseite eines Tiegels, der ein geschmolzenes Metall oder eine geschmolzene Legierung enthält und der Außenseite des Tiegels umfaßt, um die Strömungsrate des geschmolzenen Metalles durch eine Ausgabedüse in dem Tiegel zu regeln.

8. Verfahren nach Anspruch 7, worin der Druckunterschied dadurch geregelt wird, daß der Druck innerhalb des Tiegels in der Größenordnung von einigen 10 000 Pa geringer ist als der Druck außerhalb der Ausgabedüse.

9. Verfahren nach Anspruch 8, worin der Druck innerhalb des Tiegels so geregelt wird, daß er um etwa 7000 bis etwa 35 000 Pa geringer ist als der Druck außerhalb des Tiegels.

10. Verfahren nach Anspruch 8, worin ein dimensionsloser Düsenradius einen der dimensionslosen Parameter umfaßt, die das Prozeßfenster definieren.

11. Verfahren nach Anspruch 10, worin ein dimensionsloser kombinierter Parameter, der die Überhitzung der Schmelze und ein Wärmeübertragungs-Verhältnis an der äußeren und der inneren Oberfläche der erstarrten Schicht in Rechnung stellt, einen der dimensionslosen Parameter umfaßt, die das Prozeßfenster definieren, wobei das Prozeßfenster graphisch durch Auftragen eines Bereiches dimensionsloser Düsengrößen gegen einen Bereich von Werten des kombinierten Parameters aus Überhitzung und Wärmeübertragungs-Verhältnis dargestellt werden kann.

12. Verfahren zum Regeln eines kontinuierlichen Krusten- Düsen-Prozesses, der zur Herstellung von Metall oder Legierungen aus einer Schmelze des Metalles oder der Legierungen benutzt wird, umfassend die Stufen:
Definieren eines Prozeßfensters, das die Bildung einer stationären erstarrten Schicht aus dem Metall oder der Legierung innerhalb einer Düse in einem kontinuierlichen Krusten-Düsen-Prozeß anzeigt, wobei das Prozeßfenster in den folgenden Stufen definiert wird:
Gruppieren eines Satzes abhängiger und unabhängiger Material- und Prozeß-Variablen zu dimensionslosen Parametern, Ableiten einer Lösung durch Integration einer Gleichung, die eine sich bewegende Erstarrungsschicht innerhalb einer zylindrischen Düse unter Anwendung einer logarithmischen Näherung für ein Temperaturfeld darstellt, wobei die Lösung durch mehr als eine der dimensionslosen Parameter ausgedrückt wird,
Bestimmen eines Bereiches von Werten einer oder mehrerer der dimensionslosen Parameter, die Bedingungen identifizieren, innerhalb deren die stationäre erstarrte Schicht in der Düse aufrechterhalten wird, aus der genannten Lösung und
Auswählen und Regeln mindestens eines Prozeßbetriebsparameters derart, daß die dimensionslosen Parameter, die mit dem Prozeß in Beziehung stehen, innerhalb den genannten Bereich von Werten der dimensionslosen Parameter fallen, wodurch die stationäre erstarrte Schicht aufrechterhalten wird, und wobei der mindestens eine Prozeß-Betriebsparameter ein Druckunterschied zwischen einem Inneren eines Tiegels, der bei dem kontinuierlichen Krusten-Düsenprozeß benutzt wird und einem Äußeren dieses Tiegels ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, worin der Druckunterschied so ausgewählt ist, daß er in der Größenordnung von einigen 10 000 Pa liegt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, worin der Druckunterschied so ausgewählt ist, daß der Druck innerhalb des Tiegels geringer ist als der Druck außerhalb des Tiegels.

15. Verfahren nach Anspruch 14, worin der Druckunterschied so ausgewählt ist, daß er in der Größenordnung von 7000 bis 35 000 Pa liegt.

16. Verfahren nach Anspruch 12, worin das Prozeßfenster definiert ist durch Auftragen eines Bereiches von Werten eines dimensionslosen Düsenradius gegen einen kombinierten Parameter aus Überhitzung und Wärmeübertragungs-Verhältnis, in dem eine stationäre Erstarrungsschicht des genannten Metalles aufrechterhalten wird.

17. Verfahren nach Anspruch 14, worin ein dimensionsloser kombinierter Parameter, der die Überhitzung der Schmelze und ein Wärmeübertragungs-Verhältnis an der äußeren und inneren Fläche der erstarrten Schicht in Rechnung stellt, einen der dimensionslosen Parameter umfaßt, die das Prozeßfenster definieren, wobei das Prozeßfenster graphisch durch Auftragen eines Bereiches dimensionsloser Düsengrößen gegen einen Bereich von Werten des kombinierten Parameters aus Überhitzung und Wärmeübertragungs-Verhältnis dargestellt werden kann.