DE4207694A1 - Vorrichtung fuer die herstellung von metallen und metall-legierungen hoher reinheit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Hochbeanspruchte Teile, z. B. Turbinenschaufeln, müssen aus einem Material hoher Rein­ heit hergestellt sein. Befinden sich in dem Material Einschlüsse von Fremdstoffen, so wer­ den diese Einschlüsse bei hoher Beanspruchung zu Ausgangspunkten von Haarrissen und dergleichen, die schließlich zu einer Zerstörung des ganzen Teils führen.

Ein übliches Verfahren, hochreine Metalle oder Metall-Legierungen herzustellen, besteht darin, daß ein Ausgangsmaterial durch Vakuum-Induktions-Schmelzen (= VIM = Vacuum Induction Melting) in einen Block umgeschmolzen wird. Die Reinheit des auf diese Weise gewonnenen Blocks reicht jedoch für viele Fälle noch nicht aus. Außerdem besitzt er in der Regel eine inhomogene Struktur, was u. a. darauf zurückzuführen ist, daß die Erstar­ rung des Metalls in einer Form, die die äußeren Konturen des Blocks bestimmt, von außen nach innen erfolgt. Um eine noch höhere Reinheit zu erhalten, wird der Block einem Vakuum-Lichtbogen-Schmelzprozeß (= VAR = Vacuum Arc Remelting) unterworfen. Hierbei hat der Block die Form einer zylindrischen Elektrode, die an einem Pol einer elek­ trischen Spannungsquelle liegt, während der Behälter, in den das von der Elektrode abtrop­ fende Material fällt, an dem anderen Pol dieser Spannungsquelle liegt. Es bildet sich dann zwischen der Elektrode und dem herzustellenden Block in der Kokille ein Lichtbogen aus, der dazu führt, daß das eine Ende der Block-Elektrode abgeschmolzen wird.

Bei einem anderen bekannten Verfahren, dem Elektro-Schlacken-Umschmelzverfahren (= ESU) bildet sich kein offener Lichtbogen zwischen einer Elektrode und einem Schmelz­ gut in einer Kokille aus, obwohl eine elektrische Spannung in ähnlicher Form wie bei dem VAR-Prozeß anliegt. Vielmehr wird hierbei durch den Stromfluß über in eine Schlacke eingetauchte Elektrode die Schlacke durch Widerstandsheizung aufgeheizt, wodurch das Elektrodenmaterial abschmilzt. Das abgeschmolzene Material durchdringt die Schlacke. Zwischen dem Schmelzgut und der Schlackenoberfläche laufen dabei metallurgische Reaktionen ab, so daß sich unterhalb der Schlacke ein Schmelzgut von hoher Reinheit be­ findet. Ein Vorteil des ESU-Verfahrens besteht darin, daß es bei normalem Atmosphären­ druck durchgeführt werden kann.

Die Werkstücke selbst, z. B. Turbinenteile, können durch Schmieden aus dem gereinigten Material hergestellt werden. Es ist aber auch möglich, das gereinigte und verflüssigte Material zu Pulver zu Verdüsen, in einen Formbehälter zu geben und anschließend durch mechanischen Druck zu verdichten.

Sowohl bei dem VAR-Verfahren als auch bei dem ESU-Verfahren wird die Wärme­ energie, die zum Aufschmelzen benötigt wird, durch den Stromfluß über einen Widerstand eingebracht.

Bei der sogenannten induktiven Erwärmung wird die Schmelzenergie dagegen durch Wir­ belströme in das Schmelzgut eingebracht, die ihrerseits durch ein magnetisches Wechsel­ feld einer Spule entstehen. Hierbei ist diese Spule um einen Tiegel angeordnet, in dem sich das Schmelzgut befindet.

Damit die Magnetfelder in das Schmelzgut eindringen können, muß der Tiegel ganz oder wenigstens teilweise für diese Felder durchlässig sein. Besteht der Tiegel aus Keramik, so dringen die Felder problemlos in das Schmelzgut ein. Allerdings besteht bei Keramik­ tiegeln, in denen Metalle geschmolzen werden, ein Problem darin, daß sie zwar eine hohe Schmelztemperatur besitzen und magnetische Wechselfelder durchlassen, aber in einigen Fällen mit der Schmelze reagieren, oder daß sich Teile der spröden Tiegelkeramik ablösen und als Einschlüsse in die Schmelze eingebracht werden.

Metalltiegel besitzen dagegen eine hohe Zähigkeit und reagieren nicht direkt mit der Schmelze. Ihr Nachteil besteht jedoch darin, daß sich in ihnen Wirbelströme ausbilden und die magnetischen Wechselfelder daran gehindert werden, in das Schmelzgut einzudringen. Außerdem besitzen sie eine relativ niedrige Schmelztemperatur.

Es ist indessen bereits bekannt, Metalltiegel trotz der erwähnten negativen Eigenschaften zum induktiven Schmelzen von Metallen und Metall-Legierungen zu verwenden (DE-PS 5 18 499, EP 02 76 544, DE-A-39 40 029). Hierbei wird einerseits die Tiegelwand in mehrere Segmente unterteilt, um die Ausbildung von abschirmenden Wirbelströmen zu verringern und so eine induktive Erwärmung des Schmelzguts zu ermöglichen, und es wer­ den andererseits die Tiegelsegmente z. B. durch Wasser gekühlt, damit diese nicht durch eine eventuell höhere Temperatur des Schmelzguts aufgeschmolzen werden. Indem die Tiegelsegmente in besonderer Weise ausgebildet werden, kann die Energieeinbringung in das Schmelzgut optimiert werden. Außerdem ist es z. B. möglich, durch den Strahlungs­ druck der von der Spule ausgehenden Felder die Schmelze von der Innenwand des Tiegels fernzuhalten. In dem gekühlten Induktionstiegel wird eine Schmelze erzeugt, die anschlie­ ßend durch Kippen des Tiegels dem Tiegel entnommen wird. Es ist jedoch auch bekannt, am Boden eines solchen Tiegels eine Öffnung vorzusehen und den herausfließenden Schmelzstrahl zu Verdüsen, so daß ein Metallpulver oder Metalloxid-Pulver entsteht (DE- A-40 11 392). Für die Formung des Gießstrahls ist dabei ein kegeliger oder rotations­ hyperbolischer Trichter vorgesehen, der aus metallischen, fluidgekühlten Segmenten be­ steht und von einer Induktionsspule umgeben ist. Durch die Form des Trichters, durch die Auswahl der Wechselstromfrequenz, mit der die Induktionsspule betrieben wird, und durch die Auswahl des Strombelags der Induktionsspule kann der Gießstrahl geformt und gesperrt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gießstrahl zu erzeugen, der aus einem Material besteht, das gegenüber den mit den erwähnten Verfahren hergestellten Materia­ lien eine erhöhte Reinheit aufweist.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen in dem Reinigen des ESU-Elektroden­ materials mittels Schlackereaktionen, in dem Reinigen des verflüssigten Schmelzmaterials durch Überhitzen im Induktionsofen sowie gegebenenfalls in einer Anreicherung der Verunreinigungen im Skull an der Kalttiegeloberfläche. Weiterhin kann durch die Ver­ knüpfung zweier Technologien in einer Anlage und in einem Schmelzprozeß gegenüber getrennten Anlagen eine erhebliche Energieeinsparung, eine Verkürzung der Prozeßdauer und gegebenenfalls eine höhere Reinigung erzielt werden. Diese Vorteile werden zusätz­ lich ergänzt durch eine große Breite in den Endprodukten. Der Prozeß kann darüberhinaus nahezu unter jeder Art von Atmosphäre durchgeführt werden, z. B. im Vakuum, in Luft, in Inertgas und unter Überdruck. Vorzugsweise wird in der Kombinationsanlage ein Auslaß integriert, der es erlaubt, die für das jeweilige Endprodukt günstigsten Prozeßbedingungen zu realisieren.

Hinzu kommt, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung sowohl im Vakuum als auch in Luft oder in einem Inertgas-Raum oder bei Überdruck betrieben werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im fol­ genden näher beschrieben.

In der Figur ist eine Vorrichtung 1 dargestellt, in der Elemente des Elektro-Schlacken- Umschmelzverfahrens mit Elementen der Induktionstiegel-Technologie verknüpft sind. Das Aufschmelzen einer Elektrode 2 erfolgt dabei mittels einer elektrischen Energiequelle 3, deren erster Anschluß 4 mit der Elektrode 2 verbunden ist, während ihr zweiter An­ schluß 5 an einem Tiegel 6 liegt. Es kann auch eine in der Figur nicht dargestellte Starter­ platte vorgesehen sein. Außerdem kann es sich bei der Energiequelle 3 um eine Gleich- oder Wechselstromquelle handeln. Bei diesem Tiegel 6 handelt es sich um einen geschlitz­ ten Tiegel, der aus mehreren vertikal angeordneten Lamellen besteht, von denen nur einige Lamellen 7 bis 13 in der Figur zu erkennen sind. Das Ende der Elektrode 2 ist in eine flüssige Schlackenschicht 14 eingetaucht und wird dort aufgrund der hohen Wärmeent­ wicklung in der Schlackenschicht 14 abgeschmolzen. Das geschmolzene und gereinigte Schmelzgut 15 sammelt sich unterhalb der Schlackenschicht 14. Insoweit handelt es sich um das herkömmliche Elektro-Schlacken-Umschmelzverfahren. Bei diesem bekannten Verfahren bildet sich unterhalb der Schlackenschicht 14 bis zu einer bestimmten Tiefe ein Sumpf aus, der aus flüssigem geschmolzenem Elektrodenmaterial besteht. Unterhalb dieses Sumpfes wiederum ist das Material erstarrt. Die Langsamkeit des ESU-Prozesses erlaubt es im allgemeinen nicht, den ganzen Inhalt des Tiegels 6 unterhalb der Schlacken­ schicht 4 flüssig zu halten und etwa durch eine Öffnung im Tiegel 6 abzugießen und zu zerstäuben. Eine kontinuierliche Weiterführung des Schmelzprozesses wird erfindungs­ gemäß dadurch erreicht, daß es sich bei dem Tiegel 6 um einen kalten Induktionstiegel handelt. Dieser Tiegel weist um seinen Umfang herum eine wassergekühlte Induktionsspule 16 auf, die über zwei Anschlüsse 17, 18 an eine Wechselstromquelle 19 liegt. Mit Hilfe dieser Induktionsspule kann das Schmelzgut 15 flüssig gehalten werden. Am unteren Ende des Tiegels 6 befindet sich eine Öffnung 20, die während des normalen Schmelzbe­ triebs durch einen Pfropfen 21 verschlossen ist, der aus demselben Material besteht wie die Elektrode 2. Dieser Pfropfen 21 bildet sich aufgrund der Abkühlung durch die Wand des Tiegels 6 aus oder wird vorher eingesetzt. Wenn die über die Spule 16 eingekoppelte Schmelzenergie nicht ausreicht, das flüssige Material 15 soweit zu erwärmen, daß es flüssig bleibt, setzt sich der erstarrte Pfropfen in einer erstarrten Schicht 22 nach oben fort. Die verbleibende Schmelze 15 wird durch die Induktion der Spule 16 flüssig gehalten und zu Strömungen veranlaßt. Diese Strömungen sind durch gekrümmte Pfeile 23 bis 26 veran­ schaulicht, wobei die Pfeile die sehr komplizierten Strömungsbewegungen nur symbolisch darstellen und keinen Hinweis auf die tatsächlichen Strömungen geben. In jedem Fall er­ gibt sich jedoch durch die Schlackenströme, daß Einschlüsse und Verunreinigungen, die sich noch in der Schlacke befinden, nach außen gelangen, von der Schlackenschicht aufge­ nommen und so aus der Schmelze entfernt werden können. Hierdurch wird das umge­ schmolzene Material noch einmal gereinigt.

Die Elektrode 2 kann mit Hilfe eines Motors 36 gedreht werden. Es ist auch möglich, die Elektrode 2 mittels eines Hebemechanismus 27, der auf einer vertikalen Schiene 28 be­ wegbar und an einer Vorrichtung 29 befestigt ist, vertikal abzusenken oder zu heben.

Ist die Schmelze 15 hinreichend gereinigt, kann sie zur weiteren Bearbeitung dem Tiegel 6 entnommen werden. Hierfür ist am unteren Ende 30 des Tiegels 6 eine weitere Induktions­ spule 31 vorgesehen, die aus einer Wechselstromquelle 37 gespeist wird. Fließt durch die­ se Spule 31 ein Strom, so konzentriert sich die Induktions-Wärmeenergie auf den Pfropfen 21 und schmilzt diesen auf. Nachdem dieser Pfropfen aufgeschmolzen ist, kann das flüssi­ ge Material 15 aus dem Tiegel 6 durch die Öffnung 20 nach unten strömen und z. B. zu Metall- und Legierungspulver weiterverarbeitet werden. Es ist auch möglich, Strangguß- und Bodenabzugshalbzeuge herzustellen. Dieser Prozeß kann auch kontinuierlich mittels Abschmelzen der Elektrode und Abgießen des Materials betrieben werden.

Diese weitere Verarbeitung ist an sich bekannt (vgl. z. B. US-PS 47 62 553, US-PS 48 69 469) und braucht deshalb nicht näher beschrieben zu werden. Es versteht sich auch, daß die bekannte Kaltfinger-Technologie für den Strahlabguß zum Einsatz kommen kann oder daß eine Blockabzugseinrichtung verwendet wird. Der Wechselstrom der Quelle 3, der für den eigentlichen ESU-Prozeß verwendet wird, kann variable Frequenzen aufweisen. Dabei können auch statt einer Elektrode 2 zwei oder mehr Elektroden gleichzeitig geschmolzen werden. Im Falle von drei Elektroden könnte die Stromquelle 3 eine Drehstromquelle sein.

Für die Aufheizung der Schmelze 15 sind in der Figur zwei getrennte Wechselstrom­ quellen 19, 37 dargestellt. Statt zweier Wechselstromquellen genügt jedoch auch eine, wenn diese auf die eine oder andere Wicklung umschaltbar ist.

Die Erfindung kann in vorteilhafter Weise mit der Kaltfingertechnik zum Strahlabguß (A. Gubchenko, Y. Norikov, A. Choudhury, F. Hugo: Vacuum Induction and Induction Plasma Furnaces with Cold Crucible, Paper presented at the Vacuum Metallurgy Con­ ference, 1991, Pittsburgh/USA) oder mit einer Blockabzugseinrichtung (A. Choudhury: Vacuum Metallurgy, ASM International, 1990, S. 136, 137) kombiniert werden.

Ein aus dem Tiegel 6 kommender Gießstrahl kann in eine Kokille überführt werden, wo er zu einem Block erstarrt. Es ist auch möglich, einen Gießstrahl aus dem Tiegel 6 zum Füllen von Feingußformen zu verwenden. Außerdem kann der Gießstrahl mittels Inertgas verdüst werden, so daß feines Metallpulver entsteht. Des weiteren kann aus dem verjüng­ ten Bereich des Trichters 6 ein Strang abgezogen werden, dessen Durchmesser variabel ist Die Induktionsspule 16 kann in zwei oder mehrere Teile unterteilt werden, die an dersel­ ben oder an verschiedenen Spannungen liegen.

Claims (16)

1. Vorrichtung für die Herstellung von Metallen und Metall-Legierungen hoher Reinheit, mit einem aus mehreren metallischen Segmenten bestehenden gekühlten Tiegel, der von einer Induktionsspule umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Tiegel (6) eine flüssige Schlackenschicht (14) vorgesehen ist, in die wenigstens eine Elektrode (2) aus einem Metall oder aus einer Metall-Legierung eingetaucht ist, und daß diese Elektrode (2) an einer Spannungsquelle (3) anliegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Metallplatte als Gegenelektrode vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Schlackenschicht (14) zwei oder mehr Elektroden aus einem Metall oder aus einer Metall-Legierung einge­ taucht sind, und daß diese Elektroden an eine Spannungsquelle (3) angeschlossen sind, wobei eine oder mehrere Elektroden als Gegenelektroden dienen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel (6) in seinem Boden eine Öffnung (20) aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Tiegel (6) in Richtung auf seinen Boden verjüngt und der verjüngte Bereich des Tiegels von einer In­ duktionsspule (31) umgeben ist, die an einer Wechselspannungsquelle (37) liegt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (2) mittels eines Antriebs (36) um ihre Längsachse drehbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (2) mittels eines Antriebs (27) absenkbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (20) durch eine Pfropfen (21) verschlossen ist, der aus demselben Material wie die Elektrode (2) be­ steht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5 und Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die induktive Heizleistung der Induktionsspule (31) so groß ist, daß der Pfropfen (21) aufge­ schmolzen werden kann.

10. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß statt eines Tiegelbodens eine Blockabzugsvorrichtung angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gießstrahl aus dem Tiegel (6) in eine Kokille überführt wird, wo er zu einem Block erstarrt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gießstrahl aus dem Tiegel (6) zum Füllen von Feingußformen verwendet wird.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch einen Gießstrahl aus dem Tiegel (6) mittels Inertgasverdüsung Pulver erzeugt wird.

14. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem verjüngten Be­ reich des Trichters (6) ein Strang abgezogen wird, wobei der Strangdurchmesser variabel ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozeß unter Vaku­ um, Luft, Überdruck oder Inertgas abläuft.

16. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsspule (16) geteilt ist.