DE4209964A1

DE4209964A1 - Vorrichtung für die Herstellung von Metallen und Metall-Legierungen hoher Reinheit

Info

Publication number: DE4209964A1
Application number: DE4209964A
Authority: DE
Inventors: Felix Mueller
Original assignee: Leybold Durferrit GmbH
Current assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Priority date: 1992-03-27
Filing date: 1992-03-27
Publication date: 1993-09-30
Anticipated expiration: 2012-03-28
Also published as: DE4209964C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Herstel lung von Metallen und Metall-Legierungen hoher Reinheit unter Vakuum- bzw. Schutzgasbedingungen mit einem ge kühlten Schmeltziegel und einem gekühlten Trichter zur Führung des Gießstrahls, wobei Tiegel und Trichter im wesentlichen aus mehreren durch Schlitze voneinander getrennten, metallischen und palisadenförmig ausgebil deten Segmenten bestehen und diese Segmente mittels einer sie umgreifenden Klemmvorrichtung an ihrem äußeren Durchmesser gehalten werden und Tiegel und Trichter von je einer Induktionsspule umgeben sind.

Verfahren und Vorrichtung zum Schmelzen von Metallen oder Metall-Legierungen in einem gekühlten und geschlitz ten Tiegel sind im Stand der Technik seit langer Zeit bekannt. Diese Verfahren und Vorrichtungen werden einge setzt zum schlackefreien Schmelzen von reaktiven Metal len und Metall-Legierungen in einem quasi berührungs freien Schwebezustand. So beschreibt z. B. die DE PS 5 18 499 ein Verfahren zum Schmelzen schwer schmelzbarer Metalle, insbesondere von Tantal, Wolfram, Thorium oder Legierungen dieser Metalle in einem wassergekühlten Behälter, wobei der Schmelzbehälter aus Stoffen von niedrigerem Schmelzpunkt als das Schmelzgut besteht und die Zuführung der zum Schmelzen erforderlichen Energie sowie die Kühlung des Behälters derart erfolgt, daß ein restloses Einschmelzen des Schmelzgutes ohne Verunreini gung durch das Tiegelmaterial bewirkt wird und daß bei Verwendung eines elektrisch leitenden Werkstoffes, das Tiegelmaterial den Tiegel aus einer Reihe gegeneinander isolierter mit Kühlkanälen durchsetzter Metallsegmente besteht.

In der EP 0 276 544 ist ein weiteres Verfahren zum Schmelzen reaktiver Metalle oder Metall-Legierungen bekannt, in dem die Charge in einem segmentierten Tie gel induktiv und schlackelos erschmolzen wird.

Ein weiterer Kalt-Schmelz-Tiegel zum Schmelzen kleiner Metallmengen in der Schwebe (DE PS 38 19 153) ist in einem oberen Teil aus in Einzelanfertigung herge stellten, zusammengefügten Wandsegmenten gebildet und weist aus dem Basisteil herausragende Ableitungsrohre für das Kühlmittel auf, die als Verbindungsteil zwischen dem oberen und dem Basisteil dienen, aus dem die Zuführungsleitungen durch die Ableitungsrohre nach oben in die Wandsegmente ragen.

Als letzte Druckschrift sei hier die DE OS 40 11 392 genannt, die ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Formung eines Gießstrahls mittels eines Trichters be schreibt, der mit einem größeren Schmelzbehälter ver bunden ist, in dem sich die Schmelze befindet. Dieser Trichter besteht aus Metall oder Metall-Legie rungen und ist in fluidgekühlte Segmente unterteilt, wobei eine mit Wechselstrom beaufschlagte Spule den Trichter umgibt und die Schmelze im Trichter induktiv beheizt.

Zusammenfassend kann man feststellen, daß nach dem Stand der Technik die einzelnen Palisaden aus ferti gungstechnischen Gründen, bzw. aus Gründen der Kühl mittelführung mit einem Kupferring, dem sogenannten Kurzschlußring miteinander stoff- oder formschlüssig verbunden sind.

Durch die Zusammenführung der Palisaden im Kurzschluß ring wird die Isolation der Palisaden zueinander im Bereich des Kurzschlußrings stark eingeschränkt und damit mit Nachteil der energetische Wirkungsgrad des Gesamtsystem um ca. 20 bis 30% herabgesetzt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun in erster Linie darin, den Wirkungsgradverlust zu minimieren und weiter hin die Herstellung und Montage der Palisaden zu verein fachen, die Breite der Schlitze zwischen den einzelnen Palisaden und den Durchmesser der Abgußöffnung am Strahlführungssystem variabel zu gestalten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Palisaden nicht wie bisher stoff- oder formschlüs sig in einem Kurzschlußring zusammengeführt sind, son dern daß die palisadenförmigen Segmente von Tiegel und/oder Trichter gegen die Bauteile, die sie an den Einspannstellen umgreifen elektrisch isoliert sind.

Die vollständige Isolation der Palisaden voneinander und von den sie umgreifenden Bauteilen bedingt eine wesentlich günstigere Führung der magnetischen und elektrischen Felder und reduziert somit die aus den Palisaden abzuführende Wärmemenge. Dadurch wird mit Vorteil der Wirkungsgrad des Gesamtsystems spürbar um ca. 20-30% erhöht.

Durch die Ausführung der Palisadenbefestigung in ge klemmter Version wird das gesamte System bezüglich Wartungs- und Einstellarbeiten wesentlich service freundlicher.

Durch den Einsatz von Palisadenwerkstoff mit einer höheren Temperaturbeständigkeit als Kupfer, wie es bislang verwendet wird, ermöglicht eine höhere Tem peratur der Tiegelinnenwand und somit eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades. Das erfindungsgemäße Prinzip der isolierten Palisaden ist nicht durch die Tiegelgröße begrenzt, im Gegenteil mit zunehmender Tiegelgröße verbessert sich das Ver hältnis Oberfläche zu Volumen und damit der Wirkungs grad.

Die neuartige Führung der elektrischen und magnetischen Felder am Tiegelboden ermöglicht, daß die Tiegelboden platte nicht mehr, wie bislang üblich, geschlitzt aus geführt zu werden braucht und daß somit als weiterer Vorteil der Erfindung die Möglichkeit des Eindringens der Schmelze in die Schlitze am Tiegelboden ausge schlossen werden kann.

Weitere Ausführungsmöglichkeiten und Merkmale sind in den Unteransprüchen näher beschrieben und gekennzeich net.

Die Erfindung läßt verschiedene Ausführungsmöglichkeiten zu; eine davon ist in den anhängenden Zeichnungen näher dargestellt und zwar zeigt

Fig. 1 einen Kaltwandtiegel mit-isolierten Palisaden im Längsschnitt,

Fig. 2 ein Strahlführungssystem mit isolierten Palisaden in Schnittdarstellung,

Fig. 3 eine Tiegelbodenplatte mit radialen Schlitzen in der Draufsicht.

Ein im wesentlichen hohlzylindrischer Schmelztiegel 1 (Fig. 1) besteht aus einer kreisscheibenförmigen Tiegel- Bodenplatte 2 und einer Anzahl von einzelnen, palisaden förmigen Wandsegmenten 3, 3′ . . . Diese sind mit einem L-förmigen Fußteil 4 versehen und besitzen einen senkrechten Kühlkanal 5 zur Führung von Kühlflüssigkeit. Die Zuführung der Kühlflüssigkeit erfolgt über separate Verbindungsleitungen, die der Einfachheithalber nicht dargestellt sind, zu jeder einzelnen Palsisade 3, 3′ . . . Die Palisaden 3, 3′ . . . sind mittels eines Klemmrings 6 und Schraubverbindungen 7 , 7′ . . . fest mit der Boden platte 2 verbunden, wobei der Klemmring 6 aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff hergestellt ist und zwischen dem Fußteil 4 und der Bodenplatte 2 ein wei terer Isolator 8 eingelegt ist. Dadurch sind die Pali saden 3,3′ . . . elektrisch von der Bodenplatte 2 iso liert.

Die Palisaden 3, 3′ . . . sind zueinander auf Lücke ge setzt, so daß zwischen zwei benachbarten Palisaden 3, 3′ . . . jeweils ein Längsspalt 9, 9′ . . . entsteht. Durch die Befestigung der Palisaden 3, 3′ . . . mit dem Klemm ring 6 können die Spalte 9, 9′ . . . bei ein und derselben Bodenplatte variiert werden. Durch diese Anordnung können weiterhin die Spalte 9, 9′ . . . entweder als of fene Spalte, wie gezeigt, ausgeführt sein oder es kann auch ein zusätzlicher Isolator in die Spalte 9, 9 . . . eingelegt werden, so daß die Palisaden elektrisch von einander isoliert sind und der Tiegel 1 die Form eines geschlossenen Hohlzylinders einnimmt.

Der durch die Palisaden 3, 3′ . . . gebildete Tiegel 1 wird auf seiner Außenseite von einer Induktionsspule 10 umgeben, so daß im Innern des Tiegels 1 ein Magnetfeld induzierbar ist.

Zur Formung eines Gießstrahls aus flüssigem Metall, das beispielsweise in einem Tiegel 1 nach Fig. 1 geschmol zen ist, wird das Metall durch ein Strahlführungssys tem, wie in Fig. 2 gezeigt, abgegossen. Dieses Strahlführungssystem besteht aus einem trichter förmigen, geschlitzten Tiegel 11, der in etwa die Form eines Paraboloids hat und im wesentlichen, ähnlich dem Tiegel 1 in Fig. 1, aus mehreren, einzelnen Palisaden 12, 12′ . . . und einer Induktionsspule 15 besteht. Die Palisaden 12, 12′ . . . sind je mit einem Kühlkanal 14 versehen und weisen in der senkrechten Projektion die Form eines Kreissegments auf.

Die Palisaden 12, 12′ . . . sind mit der Oberseite ihres, in Umfangsrichtung äußeren, ebenen Randes durch einen Klemmring 15 gegen einen ebenen Haltering 16 ver schraubt, wobei der Klemmring 15 mittels Schraubenver bindungen 17, 17′ . . . fixiert wird. Die Kontaktflächen zwischen Klemmring 15 und Palisaden 12, 12′ . . . einer seits, sowie zwischen Palisaden 12, 12′ . . . und Haltering 16 andererseits sind durch einen Isolationsring 18 unterbrochen. Somit sind die Palisaden 12, 12′ . . . von dem Haltering 16 und dadurch auch von den sie umgeben den Bauteilen (die nicht näher dargestellt sind) elek trisch isoliert.

Ähnlich wie in der in Fig. 1 schon beschriebenen Tiegel ausführung ist auch die Breite der Spalte 19, 19′ . . . zwischen den Palisaden 12, 12′ . . . des Strahlführungs systems nach Fig. 2 durch Verschieben der Palisaden individuell einstellbar. Damit wird auch der lichte Durchmesser der Abgußöffnung 20 in gegebenen Grenzen wählbar, ohne die Bauteile des Systems auszutauschen. Die radialen Spalte 19, 19′ . . . können, wie gezeigt, als offene Spalte ausgeführt werden oder aber mit Iso lationsstoff ausgefüllt werden.

Eine weitere Möglichkeit der Segmentierung der Palisa den 12, 12′ . . . ist die horizontale Teilung durch die Spalte 21, 21′ . . . , wie dies auf der linken Hälfte der Fig. 2 gezeigt ist. Dadurch kann eine Palisade horizon tal in beispielsweise 3 übereinander angeordnete Seg mente unterteilt werden, wobei jedes Segment durch eine separate Klemmeinrichtung gehalten wird.

Eine ebene, kreisscheibenförmige Tiegelbodenplatte 22 (Fig. 3) ist mit einer Vielzahl radialer Schlitze 23, 23′ . . . gleicher Länge und Breite versehen. Die Schlitze 23, 23′ . . . verlaufen von einem zentralen Teilkreis strahlenförmig zum Außenrand der Platte.

Eine Bodenplatte 22 der beschriebenen geschlitzten Ausführung war bislang für einen Kaltwandtiegel nach dem Stand der Technik erforderlich, um die magnetisch, beziehungsweise elektrischen Felder der äußeren Induk tionsspule (wie in Fig. 1 gezeigt) in die, im Tiegelin neren befindliche Schmelze zu übertragen.

In der neuen Version eines Schmelztiegels 1 nach Fig. 1 mit den erfindungsgemäß isolierten Palisaden entfällt die Notwendigkeit der geschlitzten Ausführung der Tiegelbodenplatte.

Bezugszeichenliste

1 Schmelztiegel
2 Tiegel-Bodenplatte
3, 3′ . . . Palisaden, Wandsegmente
4 Fußteil
5 Kühlkanal
6 Klemmring
7, 7′ . . . Schraubverbindung
8 Isolator
9, 9′ . . . Längsspalt
10 Induktionsspule
11 Tiegel
12, 12′ . . . Palisade
13 Induktionsspule
14 Kühlkanal
15 Klemmring
16 Haltering
17, 17′ . . . Schraubverbindung
18 Isolationsring
19, 19′ . . . Spalt
20 Abgußöffnung
21, 21′ . . . Spalt
22 Tiegelbodenplatte
23, 23′ . . . Schlitz

Claims

1. Vorrichtung für die Herstellung von Metallen und Metall-Legierungen hoher Reinheit unter Vakuum- bzw. Schutzgasbedingungen mit einem gekühlten Schmelztiegel, und einem gekühlten Trichter zur Führung des Gießstrahls, wobei Tiegel und Trichter im wesentlichen aus mehreren, durch Schlitze von einander getrennten metallischen und palisaden förmig ausgebildeten Segmenten bestehen und diese Segmente mittels einer sie umgreifenden Klemmvor richtung an ihrem äußeren Durchmesser gehalten werden, Tiegel und Trichter von mindestens einer Induktionsspule umgeben sind, dadurch gekennzeich net, daß die palisadenförmigen Segmente von Tiegel und/oder Trichter gegen die Bauteile, die sie an den Einspannstellen umgreifen, elektrisch isoliert sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Palisaden aus Kupfer oder einem kupferartigen Werkstoff hergestellt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Palisaden aus einem Werkstoff mit höherer Temperaturbeständigkeit als Kupfer her gestellt sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Palisaden durch kreisscheiben- und/ oder ringförmige Bauteile positioniert und ge halten sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, daß die scheiben- und/oder ringförmigen Bau teile nach Anspruch 4 aus elektrisch leitfähigem Werkstoff hergestellt sind und daß an den Kontakt stellen zwischen den Palisaden und den sie halten den Bauteilen ein elektrischer Isolator vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, daß die scheiben- und/oder ringförmigen Bau teile nach Anspruch 4 aus einem elektrisch nicht leitfähigem Werkstoff hergestellt sind.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorge nannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Palisaden einzeln austauschbar sind.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorge nannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Schlitze zwischen den Palisaden belie big einstellbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich net, daß der Durchmesser der Abgußöffnung (20) des trichterförmigen Tiegels (11) beliebig einstellbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich net, daß in den Schlitzen ein elektrischer Iso lator vorgesehen ist.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorge nannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte (2) des Schmelztiegels (1) ohne Schlitze ausgeführt ist.

12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorge nannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede einzelne Palisade mit einem Kühlkanal ver sehen ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich net, daß die Mittel zur Zu- und Abführung von Kühlmitteln zu jeder Palisade aus einem Werkstoff mit elektrisch geringerer Leitfähigkeit als die der Palisaden hergestellt sind.

14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorge nannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Palisaden durch zusätzliche, horizontal verlaufende Spalte unterteilbar sind.