DE4205797A1 - Elektronenstrahl-ueberlaufschmelzvorrichtung - Google Patents
Elektronenstrahl-ueberlaufschmelzvorrichtungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Elektronenstrahl-Überlaufschmelzvorrichtung nach dem Ober
begriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren für die Herstellung eines Metalls oder
einer Metall-Legierung hoher Reinheit.
Beim Elektronenstrahl-Überlaufschmelzen wird ein Block aus einem bestimmten Material,
z. B. aus einer Superlegierung oder aus einer Titanlegierung, mittels eines Elektronen
strahls oder mittels mehrerer Elektronenstrahlen fortschreitend abgeschmolzen. Das abge
schmolzene Material fällt hierauf in einen Trog, der einen Überlauf aufweist. Erreicht der
Pegel des geschmolzenen Materials den Überlauf des Trogs, so fließt es in eine Kokille
oder in eine andere Vorrichtung zur Weiterbehandlung.
Da die Bestandteile einer Legierung oft unterschiedliche Verdampfungstemperaturen
haben, kann es vorkommen, daß sich einige Bestandteile aus der Schmelze des Trogs ver
flüchtigen. Hierdurch werden jedoch die Eigenschaften einer Legierung erheblich verän
dert. Beispielsweise können bei einer Nickel-Chrom-Legierung mit einem Chromgehalt
von 30% bei einer mittleren Badtemperatur von 1700°C etwa 30% des Chromgehalts
verlorengehen.
Um diesen negativen Effekt der ungewollten Verdampfung zu verhindern, ist es bereits be
kannt, über der in dem bog befindlichen Schmelze eine Schutzschicht aus Schlacke vor
zusehen (DE-A-38 27 074). Die Schlacke stellt hierbei nicht nur eine Sperre für das Ent
weichen von Legierungsbestandteilen dar, sondern dient auch dazu, das flüssige Metall
bzw. die Metall-Legierung von Oxiden, Sulfiden und anderen Verunreinigungen zu be
freien. Damit die Schlacke nicht zusammen mit der Schmelze in eine Kokille abfließt, ist
eine wassergekühlte Barriere vorgesehen, welche die Schlacke im Trog zurückhält.
Als nachteilig hat sich bei der bekannten Vorrichtung zweierlei herausgestellt: Zum einen
reicht eine einmal aufgebrachte Schlackenschicht nicht aus, um über einen längeren Zeit
raum einen Umschmelzprozeß durchzuführen, und zum anderen eignet sich ein starr ange
ordneter Barren nicht für die Anpassung an verschiedene Schmelzgüter, Schlacken und
Schmelzgeschwindigkeiten.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der
es möglich ist, einen Elektronenstrahlschmelzprozeß über längere Zeit und mit variablen
Parametern durchzuführen.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß das Schmelzgut
über den ganzen Prozeßzeitraum mit einer durchgehenden Decke aus Schlacke überzogen
bleibt, so daß keine Legierungselemente entweichen können. Die Schlackenverluste, die
durch Abdampfen beim Auftreffen des Elektronenstrahls auf die Schlacke oder durch Auf
treffen von Schlackenteilen am Trogrand entstehen, werden fortwährend ersetzt. Dabei er
folgt die Zufuhr neuer Schlacke derart, daß eine bestimmte Dicke der Schlackenschicht
eingehalten wird. Damit die Schlacke nicht mit dem überlaufenden Schmelzgut abfließt, ist
eine an sich bekannte Barriere vorgesehen, die jedoch vertikal verschiebbar ist, so daß sie
an die jeweiligen Materialien und an deren Fließgeschwindigkeiten angepaßt werden kann.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im fol
genden näher beschrieben.
Die Figur zeigt eine Vakuumschmelzkammer 1, an der eine Elektronenstrahlkanone 2 an
geflanscht ist, mit dessen Elektronenstrahlbündel 3 das Ende eines Barrens aus Metall oder
aus einer Metall-Legierung abgeschmolzen wird. Das abgeschmolzene Material fällt in
einen wassergekühlten Kupfertrog 5 und bildet dort eine Schmelze 6, deren Pegel immer
höher steigt, bis sie an einen Überlauf 7 des Trogs 5 gelangt, von wo aus sie in eine ge
kühlte Kokille 8 gelangt. Dort erstarrt die Schmelze zu einem Block 9. Auf der Schmelze 6
ist eine Schicht 10 aus flüssiger Schlacke vorgesehen, die von einer vertikalen Barriere 11
daran gehindert wird, mit der Schmelze 6 in die Kokille 8 zu fließen. Außer dieser oberen
Barriere 11 ist auch noch eine untere Barriere 12 am Boden des Kupfertrogs 5 vorgesehen.
Die obere Barriere 11 ist mittels eines Antriebs 13, der auf einem Träger 14 angeordnet ist,
vertikal verschiebbar. Dies kann z. B. dadurch realisiert werden, daß der Antrieb 13 auf
nicht dargestellten Schienen des Trägers 14 läuft.
Über dem Trog 5 befindet sich das Ende eines Rohrs 15, aus dem Schlacke-Granulat 16
auf die Oberfläche der Schmelze 6 gegeben werden kann. Dieses Rohr ist um eine Achse
17 vertikal schwenkbar. Diese Achse 17 ruht ihrerseits in einer nicht gezeigten Welle, die
drehbar in einem Träger 18 gelagert ist, so daß das Rohr 15 auch horizontal drehbar ist. In
das Rohr 15 ragt das Ende 19 einer Vibrations-Wendel-Fördereinrichtung 20 hinein, die
von einem nicht gezeigten Antrieb derart in Vibration versetzt wird, daß Schüttgut,
welches unten auf die Fördereinrichtung 20 gegeben wird, durch Impulsstöße zum oberen
Ende der Fördereinrichtung 20 gelangt. Mit 21 ist ein Zuführungstrichter für Schlacke-
Granulat bezeichnet, der so viel Granulat enthält, wie für einen längeren Umschmelzvor
gang erforderlich ist.
Der Kupfertrog 5 ruht auf einer Waage 22, die das Gesamtgewicht von Trog 5, Schmelzgut
6 und Schlacke 10 ermittelt und an einen Regler 23 weiterleitet. In dem Regler wird das er
mittelte Gesamtgewicht mit einem Soll-Gewicht verglichen und die Fördereinrichtung 20
so angesteuert, daß das Ist-Gewicht dem Soll-Gewicht entspricht. Das Soll-Gewicht wird
dabei so festgelegt, daß sich stets eine geschlossene Schlacke-Decke von bestimmter Dicke
auf der Schmelze bildet. Da das spezifische Gewicht von Schmelze und Schlacke sowie
das Volumen des Trogs 5 bis zur Überlaufkante bekannt sind, kann die jeweils vorhandene
Dicke der Schlackenschicht rechnerisch ermittelt werden.
Es ist auch möglich, mit Hilfe einer Thermo- oder einer Videokamera die Oberfläche des
Troginhalts zu beobachten und stets dann, wenn die geschlossene Schlackendecke aufreißt,
Schlackengranulat nachzuschieben. Das Granulat wird, wenn es auf der Oberfläche der
Schmelze 6 angelangt ist, durch Elektronenstrahlen aufgeschmolzen, die entweder aus der
dargestellten Kanone 2 oder aus einer zweiten Elektronenstrahlkanone kommen, die nicht
dargestellt ist.
Mit Hilfe eines wellenlängen-dispersiven Meßverfahrens ist es außerdem möglich, das
Verdampfen von Elementen in der Schmelze zu überwachen und die Verdampfungsrate zu
bestimmen. Hierdurch kann anhand der ermittelten Verdampfungsraten chemischer Ele
mente eine optimale Schutzschichteinstellung erreicht werden, um die Abdampfungen von
Umschmelzmaterial so gering wie möglich zu halten.
Ob die Barriere 11 mehr oder weniger tief in die Schmelze hineinragen muß, um die
Schlacke 10 daran zu hindern, ebenfalls in die Kokille zu gelangen, hängt von der Zusam
mensetzung der Schlacke 10 und des Schmelzguts 6 sowie von der Schmelzgeschwindig
keit ab. Wird sehr schnell geschmolzen, so ist die Strömung unter der Barriere 11, die
durch die Strecke 24 symbolisiert ist, sehr groß, so daß Teile der flüssigen Schlacke 10
mitgerissen werden können. In einem solchen Fall muß deshalb die Barriere relativ tief in
die Schmelze 6 eingetaucht werden. Bei zähen Schlackematerialien ist eine geringere Ein
tauchtiefe erforderlich als bei weniger zähen Schlacken. Entsprechendes gilt für die
Schmelze. Die Barriere 12 am Boden des Trogs dient dazu, im Bedarfsfall Schwermetalle,
die sich in der Schmelze befinden, zurückzuhalten.
Die Eintauchtiefe der Barriere 11 wird am Regler 23 voreingestellt, da die hierfür erforder
lichen Daten bekannt sind. Es ist jedoch auch möglich, bestimmte Daten automatisch wäh
rend des Schmelzprozesses zu erfassen, z. B. die Fließgeschwindigkeit. Diese ist gekenn
zeichnet durch die Gewichtszunahme der Kokille 8. Indem das Gewicht der Kokille 8 mit
Inhalt gewogen und differenziert wird, kann ein Signal über eine Leitung 26 dem Regler
23 zugeführt werden, der es diesem ermöglicht, die Barriere 11 anzuheben oder abzusen
ken.
Die Schlacke für die Abdeckung der Schmelze besteht vorzugsweise aus einer Mischung
von mehreren Oxiden, z. B. von CaO, Al2O3, MgO, TiO2 und ZrO2. Ihre Dicke sollte
mindestens 2 mm betragen.
Claims (17)
1. Elektronenstrahl-Überlaufschmelzvorrichtung, mit einem Trog für die Aufnahme einer
Metall- oder Metallegierungsschmelze, die mittels eines Elektronenstrahls aus einem
festen Metall- oder Metallegierungskörper geschmolzen ist, sowie mit einer Schutzschicht
abdeckung für die Oberfläche der Schmelze, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zuführ
einrichtung (20) vorgesehen ist, welche Material (16) für die Schutzschichtabdeckung (10)
auf der Oberfläche der Schmelze (6) gibt.
2. Elektronenstrahl-Überlaufschmelzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß eine Vorrichtung (13) zum vertikalen Verschieben einer Barriere (11) in der
Schmelze (6) vorgesehen ist.
3. Elektronenstrahl-Überlaufschmelzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß eine Regeleinrichtung (23) vorgesehen ist, welche die Fördereinrichtung (20) der
art steuert, daß sich stets eine vorgegebene Menge einer Schutzschichtabdeckung auf der
Oberfläche der Schmelze (6) befindet.
4. Elektronenstrahl-Überlaufschmelzvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich
net, daß der Trog (5) auf einer Wiegevorrichtung (20) angeordnet ist, die das Gesamt
gewicht des Trogs (5) mit seinem jeweiligen Inhalt (6, 10) ermittelt, und daß eine Ver
gleichereinrichtung vorgesehen ist, welche aufgrund eines Vergleichs des gemessenen Ge
samtgewichts mit einem vorgegebenen Gesamtgewicht die Regeleinrichtung (23) so beauf
schlagt, daß das gemessene Gesamtgewicht dem vorgegebenen Gesamtgewicht entspricht.
5. Elektronenstrahl-Überlaufschmelzvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich
net, daß eine Thermo-Kamera vorgesehen ist, welche die Oberfläche des Trog-Inhalts (6,
10) erfaßt, daß ferner eine Einrichtung vorgesehen ist, welche aufgrund der wärmemäßig
abgebildeten Oberfläche erkennt, ob eine geschlossene Schutzschicht vorliegt oder ob die
se aufgebrochen ist, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, welche bei aufgebrochener
Schutzschicht mit Hilfe der Fördereinrichtung (20) Material für die Schutzschichtab
deckung nachführt.
6. Elektronenstrahl-Überlaufschmelzvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich
net, daß mittels eines wellenlängen-dispersiven Meßverfahrens, welches die Verdamp
fungsraten von chemischen Elementen erfaßt, die Schutzschichtabdeckung (10) so ausge
bildet wird, daß eine geringstmögliche Verdampfung an dem überwachten chemischen
Element erfolgt.
7. Elektronenstrahl-Überlaufschmelzvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich
net, daß die Thermo-Kamera auch die freie Schmelzzone vor der Barriere (11) überwacht
und die Energieeinbringung über den Elektronenstrahl (3) so gesteuert wird, daß eine ge
ringe Überhitzung des Materials erreicht wird.
8. Elektronenstrahl-Überlaufschmelzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Fördereinrichtung (20) eine Vibrations-Wendelfördereinrichtung ist, welche
Material für die Schutzschichtabdeckung von einem ersten Ort (21) zu einem zweiten Ort
(19) befördert, wobei sich dieser zweite Ort oberhalb der Oberfläche der Schmelze (6) be
findet.
9. Elektronenstrahl-Überlaufschmelzvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich
net, daß am zweiten Ort das eine Ende eines schwenkbaren Rohrs (15) vorgesehen ist, des
sen anderes Ende sich dicht über der Oberfläche der Schmelze (6) befindet.
10. Elektronenstrahl-Überlaufschmelzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß als Material für die Schutzschichtabdeckung Schlacke vorgesehen ist.
11. Elektronenstrahl-Überlaufschmelzvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Schlacke in Granulatform auf die Oberfläche der Schmelze aufgebracht
wird.
12. Elektronenstrahl-Überlaufschmelzvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Barriere (11) senkrecht von oben in Richtung auf den Trog (5) in die
Schutzschichtabdeckung (10) eingeführt ist.
13. Elektronenstrahl-Überlaufschmelzvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Barriere (11) senkrecht von oben in Richtung auf den Trog (5) in die
Schutzschichtabdeckung (10) und in die Schmelze (6) eingeführt ist.
14. Elektronenstrahl-Überlaufschmelzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß eine Barriere (12) am Boden des Trogs (5) angeordnet ist und in Richtung
auf die Schutzschichtabdeckung (10) in die Schmelze (6) hineinragt.
15. Verfahren für die Herstellung einer Metall- oder Metallegierung von hoher Reinheit,
gekennzeichnet durch folgende Schritte:
- a) es wird in einem evakuierten Raum mit Hilfe eines Elektronenstrahls Material erschmol zen, das in einen Trog gelangt;
- b) der Schmelzvorgang wird solange durchgeführt, bis das erschmolzene Material aus einem Überlauf des Trogs ausläuft;
- c) es wird die Barriere in die Schmelze des Trogs eingefahren, wodurch die Oberfläche der Schmelze in zwei Bereiche unterteilt wird;
- d) es wird Material für die Schutzschichtabdeckung auf dem Bereich der Oberfläche der Schmelze aufgebracht, der von dem Überlauf entfernt ist.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschichtab
deckung geregelt konstant gehalten wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß durch Abschmelzen der
zugeführten Metalle eine Überlaufschmelze eingestellt wird.
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