DE4435764A1 - Schwebeschmelzvorrichtung und Verfahren zum Betreiben derselben - Google Patents

Description

(Gebiet der Erfindung)

Die Erfindung betrifft eine Schwebeschmelzvorrichtung, in welcher ein zu schmelzendes leitfähiges Material in einem magnetischen Wechselfeld angeordnet wird, um einer Indukti­ onserwärmung unterworfen zu werden, welche durch eine elek­ tromagnetische Induktion erzeugt wird, und wobei das magne­ tische Feld in einer vorherbestimmten Weise verteilt ist, um aufgrund einer elektromagnetischen Kraft einen Auftrieb auf das zu schmelzende Material auszuüben, so daß das zu schmel­ zende Material in einem schwebenden Zustand geschmolzen wird, wodurch ein hochreines Material gewonnen wird. Die Er­ findung betrifft des weiteren ein Verfahren zum Betreiben der Schwebeschmelzvorrichtung.

(Beschreibung des Standes der Technik)

Eine Schwebeschmelzvorrichtung ist eine Vorrichtung, in wel­ cher ein zu schmelzendes Material in einem magnetischen Wechselfeld angeordnet wird, welches mit einer vorherbe­ stimmten Verteilung erzeugt wird und wobei aufgrund einer elektromagnetischen Kraft sowohl eine Induktionserwärmung als auch ein Auftrieb gleichzeitig auf das Material ausgeübt werden, so daß das Material in einem Zustand geschmolzen wird, in dem das Material schwebt, um zu verhindern, daß das Material in Kontakt mit anderen Erzeugnissen kommt, wie mit einem Tiegel, wodurch ein Erzeugnis mit einer gegebenen Qua­ lität und Abmessung erzielt werden kann. Die Vorrichtung weist Merkmale auf, z. B. daß das Material während des Schmelzverfahrens nicht in Kontakt mit anderen Erzeugnissen kommt und daher das Material kaum mit fremden Substanzen verunreinigt wird; daß sogar ein Material mit einem hohen Schmelzpunkt geschmolzen werden kann; und daß der Wärmelei­ tungsverlust gering ist. Aufgrund dieser Merkmale kann solch eine Vorrichtung in einem Verfahren verwendet werden, bei dem ein Material mit einem hohen Schmelzpunkt geschmolzen wird und welches eine hohe Reinheit aufweisen muß, wie Titan oder Silicium.

Fig. 8 ist ein perspektivischer Längsschnitt, welcher eine vollständige Schwebeschmelzvorrichtung in einem Betriebs zu­ stand darstellt, und Fig. 9 ist ein perspektivischer Längs­ schnitt, welcher die Hauptbereiche aus Fig. 8 in einem an­ fänglichen Betriebszustand darstellt. Diese Zeichnungen sind in der U.S. Patentanmeldung Nr. 08/067,149 dargestellt. In den Zeichnungen umfaßt die Schwebeschmelzvorrichtung: einen Tiegel 1, bestehend aus einem oberen Tiegel 11 und einem un­ teren Tiegel 12; eine Induktionsspule 2, die um die Außen­ fläche des Tiegels 1 gewickelt ist; eine kontinuierliche Be­ schickungsvorrichtung 3, welche Späne 53, die als ein zu schmelzendes leitfähiges Material verwendet werden, kontinu­ ierlich durch eine obere Öffnung des Tiegels 1 zuführt; eine Steuervorrichtung 31, welche die kontinuierliche Be­ schickungsvorrichtung steuert; ein Thermometer 32 für die Metallschmelze, um Steuerungsinformationen für die Steuer­ vorrichtung zu gewinnen; eine erste Antriebseinrichtung 4, welche den unteren Tiegel 12 vertikal bewegt; eine erste Steuereinrichtung 41, welche die erste Antriebseinrichtung steuert; und eine Metallschmelzepegelmeßvorrichtung 42 um Steuerungsinformationen für die erste Steuereinrichtung zu gewinnen.

Die Antriebseinrichtung 4 und die Steuereinrichtung 41 wer­ den mit dem Ausdruck "erste" versehen, da in der Erfindung andere Antriebseinrichtungen und Steuereinrichtungen verwen­ det werden und diese Einrichtungen voneinander unterschieden werden müssen.

Die Induktionsspule 2 besteht aus Induktionsspulen 21 und 22, die jeweils mit Wechselstromquellen 23 und 24 verbunden sind, um die jeweiligen Spulen unter Strom zu setzen. Die kontinuierliche Beschickungsvorrichtung 3 weist eine Induk­ tionsspule 33 auf, welche durch eine Wechselstromquelle 34 unter Strom gesetzt wird, um die Späne 53 vorher zu erwär­ men. Der Zustand, in welchem die in zwei Spulen geteilte In­ duktionsspule 2, welche jeweils von unterschiedlichen Wech­ selstromquellen 23 und 24 unter Strom gesetzt werden, einge­ setzt wird, tritt dann ein, wenn die Funktionen zwischen den zwei Spulen verteilt sind, d. h. die Induktionserwärmung hauptsächlich der oberen Induktionsspule 21 und die Erzeu­ gung der Flotation der unteren Induktionsspule 22 zugeteilt ist, so daß die Funktionen effizient ausgeführt werden. In dem Fall wird die Induktionsspule 22 im allgemeinen mit einer geringeren Frequenz als die Frequenz für die Induk­ tionsspule 21 unter Strom gesetzt. In der Erfindung ist es jedoch nicht erforderlich, die zwei Induktionsspulen 21 und 22 voneinander zu unterscheiden. Daher wird auf diese Induk­ tionsspulen in der folgenden Beschreibung kollektiv als die Induktionsspule 2 Bezug genommen.

Wie in den Zeichnungen dargestellt, sind der obere und der untere Tiegel 11 und 12 in solch einer Weise aufgebaut, daß eine Vielzahl von Segmente 111 und 121, die jeweils eine vorherbestimmte Form aufweisen, unter Einsatz eines isolie­ renden Materials, z. B. Glimmer, zwischen den Segmenten ange­ ordnet werden. Der Tiegel 1, der eine Kombination des oberen und unteren Tiegels darstellt, ist in einer im wesentlichen zylindrischen Gestalt mit einem Boden ausgebildet. Jedes der Segmente 111 und 121 besteht aus Kupfer und ist mit Kühl­ öffnungen versehen, um mittels Kühlwasser gekühlt zu werden.

Fig. 8 zeigt einen Zustand, in der Nähe der Endstufe des Schmelzverfahrens, und Fig. 9 zeigt einen anfänglichen Zu­ stand, bei welchem wenig zu schmelzendes Material 5 auf ei­ nem geschmolzenen Metall schwimmt bzw. schwebt. In anderen Worten, Fig. 8 zeigt einen Zustand, in welchem das zu schmelzende Material 5, als ein Resultat der Verfahren an­ wächst, welche im Detail beschrieben werden, um dessen Länge zu vergrößern. Im folgenden werden Verfahren beschrieben werden, in welchen das zu schmelzende Material 5 tatsächlich geschmolzen und ein vorherbestimmtes Produkt erhalten wird.

(1) Wie in Fig. 9 dargestellt, wird anfänglich eine geringe Menge des zu schmelzenden Materials 5 eingefüllt und die In­ duktionsspule 2 wird unter Strom gesetzt. Dies erzeugt in dem Raum ein magnetisches Wechselfeld, der von der Indukti­ onsspule 2 umgeben wird, und Wirbelströme werden durch elek­ tromagnetische Induktion induziert, um in die Segmente 111 und 121 und in das zu schmelzende Material 5 zu fließen. Die magnetischen Flüsse sind entlang der Innenfläche des Tiegels 1 verteilt. Da die Segmente 121 des unteren Tiegels 12 so geformt sind, daß sich der untere Bereich des Innenraums des unteren Tiegels 12, wie dargestellt, verengt, weist die ma­ gnetische Flußverteilung in der Nähe des Bodens, in der das zu schmelzende Material 5 vorhanden ist, eine sich nach oben ausdehnende Form auf. Wenn solch ein Wirbelstrom fließt, wird das zu schmelzende Material 5 erwärmt. Gleichzeitig er­ zeugt eine Wechselwirkung zwischen den Wirbelströmen und der obenerwähnten magnetischen Flußverteilung eine elektromagne­ tische Kraft, welche auf das zu schmelzende Material 5 in entgegengesetzter Richtung zur Schwerkraft oder in Aufwärts­ richtung wirkt. Die detaillierte Beschreibung der Erzeugung der Kraft wird ausgelassen. Wie in den Zeichnungen darge­ stellt, ist die Form des Bodens des unteren Tiegels 12 so ausgebildet, daß eine magnetische Flußverteilung erzielt wird, die zur Erzeugung der Flotation geeignet ist.

(2) Die elektromagnetische Kraft wird auf das zu schmelzende Material 5 zum gleichen Zeitpunkt ausgeübt, wie das Unter­ stromsetzen der Induktionsspule 2, und das zu schmelzende Material 5 beginnt mit einer kurzen Zeitverzögerung zu schwimmen bzw. zu schweben und hält an einer Position an, bei welcher sich die elektromagnetische Kraft mit der Schwerkraft im Gleichgewicht befindet. Das zu schmelzende Material 5 weist einen hohen Schmelzpunkt auf und erfordert einen relativ langen Zeitraum um geschmolzen zu werden. Wenn die Temperatur des zu schmelzenden Materials den Schmelz­ punkt erreicht, ist daher das zu schmelzende Material be­ reits in den schwebenden Zustand eingetreten. Dadurch wird verhindert, daß das zu schmelzende Material 5 in Kontakt mit anderen Erzeugnissen tritt, und weist daher keine Verschmut­ zung mit Verunreinigungen auf.

(3) Die Späne 53 des zu schmelzenden Materials 5 werden über die kontinuierliche Beschickungsvorrichtung 3 eingefüllt. Die Späne 53 werden vorher über elektromagnetisches Indukti­ onserwärmen mittels der Induktionsspule 33 auf eine hohe Temperatur erwärmt, die unter dem Schmelzpunkt liegt. Die eingefüllten Späne 53 treten anschließend in Kontakt mit dem zu schmelzenden Material 5 und werden durch Wärmeleitung auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes erwärmt, so daß die Späne geschmolzen werden, um buchstäblich mit dem zu schmelzenden Material 5 zu einem Körper vereinigt zu werden. Mit Fortschreiten der kontinuierlichen Beschickung der Späne 53, wächst das zu schmelzende Material an und vergrößert seine Abmessungen. Die Beschickungsfrequenz wird geeignet in solch einer Weise gesteuert, daß die Beschickung der Späne 53 durchgeführt wird, wenn das Metallschmelzethermometer 32 eine höhere Temperatur als einen gegebenen Wert angibt und wird nicht durchgeführt, wenn das Thermometer eine niedri­ gere Temperatur als den gegebenen Wert angibt.

(4) Da der Grad der Zunahme der Flotation des zu schmelzen­ den Materials 5 niedriger ist als der des Gewichts des zu schmelzenden Materials, wird die Schwebeposition stufenweise verringert, während das zu schmelzende Material 5 anwächst, und der untere Bereich des zu schmelzenden Materials 5 tritt schließlich in Kontakt mit dem Boden des unteren Tiegels 12. Da der untere Tiegel 12 wie oben beschrieben gekühlt wird, um auf einer niedrigen Temperatur in der Nähe der Umgebungs­ temperatur gehalten zu werden, wird der Bereich, der sich in Kontakt mit dem unteren Tiegel befindet, augenblicklich ver­ festigt. Auf diese Weise wird zunächst ein verfestigter Be­ reich 52 gebildet, und dieser wächst anschließend an, wäh­ rend das zu schmelzende Material 5 anwächst. Eine Schmelz­ zone 51 existiert immer in dem oberen Bereich des zu schmel­ zenden Materials 5, und die Späne 53 fallen in die Schmelz­ zone 51. Da sich die Schmelzzone 51 auf dem verfestigten Bereich 52 befindet, wird verhindert, daß die Schmelzzone in Kontakt mit dem Tiegel 1 tritt. Daher kann das zu schmelzen­ de Material 5 zu einem großen Maße unter Bedingungen anwach­ sen, bei denen das zu schmelzende Material keine Verschmut­ zung mit Verunreinigungen aufweist.

(5) Wenn das Wachstum des zu schmelzenden Materials 5 um ein gewisses Maß fortschreitet, wird der untere Tiegel 12 ge­ steuert, um nach unten bewegt zu werden, so daß die Schmelz­ zone 51 in einer vorherbestimmten Position in bezug auf den oberen Tiegel 11 und die Induktionsspule 2 gehalten wird. Bei dieser Steuerung wird die Position der oberen Fläche des zu schmelzenden Materials 5 mittels der Metallschmelzepegel­ meßvorrichtung 42 gemessen, das Meßergebnis wird der ersten Steuerungseinrichtung 41 zugeführt und der untere Tiegel 12 wird durch die erste Antriebseinrichtung 4 auf der Basis des Meßergebnisses bewegt.

(6) Wenn die Länge des zu schmelzenden Materials 5 einen ge­ gebenen Wert erreicht, werden die Bewegung des unteren Tie­ gels 12, das Beschicken der Späne 53 und das Unterstromset­ zen der Induktionsspule 2 unterbrochen. Da das gesamte zu schmelzende Material 5, welches zu einer zylindrischen Form angewachsen ist, wie in Fig. 8 dargestellt, verfestigt ist, wird das verfestigte Material anschließend als das ge­ wünschte Erzeugnis aus dem Tiegel entfernt. Die Abmessungen, insbesondere die Länge des Erzeugnisses hängen von der Strecke der Bewegung des unteren Tiegels 12 ab. Daher weist die Schwebeschmelzvorrichtung das Merkmal auf, daß ein Er­ zeugnis erzielt werden kann, das im Vergleich zu der Kapazi­ tät des Tiegels 1 sehr viel länger ist.

In Fig. 8 ist die Spalte zwischen dem verfestigten Bereich 52 des zu schmelzenden Materials 5 und der Innenfläche des Tiegels 1 so dargestellt, als ob sie sehr groß wäre. Aus der obigen Beschreibung wird jedoch deutlich, daß die Spalte zwischen dem verfestigten Bereich 52 und der Innenfläche des Tiegels 1 im wesentlichen Null ist oder eine sehr geringe Größe aufweist. In der Zeichnung ist die Schmelzzone 51 so dargestellt, als ob sie eine unregelmäßige Fläche aufweisen würde. Dadurch sollen tatsächliche Phänomene dargestellt werden, wie Deformationen, die durch die Vibration der Schmelzzone 51 zu dem Zeitpunkt erzeugt werden, zu dem die Späne 53 in die Schmelzzone 51 eintreten. Wenn keine Späne 53 eingefüllt werden, zeigt die tatsächliche Form der Schmelzzone 51 eine stabile axiale symmetrische Form wie später beschrieben.

Ein sehr hoher Strom von einigen tausend Ampere fließt durch die Induktionsspule 2 und die Frequenz des Stromes ist sehr hoch oder so hoch wie einige Kilohertz. Daher müssen die Leitungen und Zuleitungen der Induktionsspule eine große Querschnittsfläche aufweisen, so daß es schwierig ist, die Induktionsspule 2 vertikal zu bewegen. Obwohl der obere und der untere Tiegel 11 und 12 mit Leitungen für Kühlwasser verbunden, können sie im Gegensatz dazu sehr viel einfacher als die Induktionsspule 2 bewegt werden. In der tatsächli­ chen Vorrichtung ist daher die Induktionsspule 2 fixiert und der untere Tiegel 2 ist beweglich.

Die Position, in welcher sich der obere Tiegel 11 in Kontakt mit dem unteren Tiegel 12 in Fig. 9 befindet, muß geeignet eingestellt sein. Wie oben beschrieben, muß die Induktions­ spule 2 geeignet sein, daß ein sehr hoher Strom durchfließt, und eine große Amperewindung realisieren, um ein magneti­ sches Feld mit einer gegebenen Stärke zu erzeugen. Daher muß die Abmessung der Spule in axialer Richtung so groß wie mög­ lich sein. Wenn die Höhe der Induktionsspule 2 konstant ist, berühren sich der obere und untere Tiegel des Tiegels 1 an einer Position, die über der unteren Fläche der Indukti­ onsspule 2 liegt, mit dem Resultat, daß sich der untere Be­ reich der Induktionsspule 2 von dem oberen Tiegel 11 aus nach unten erstreckt. In diesem Zustand bewirkt die Abwärts­ bewegung des unteren Tiegels 12, wie in Fig. 8 dargestellt, daß sich ein Bereich des verfestigten Bereiches 52 nicht in Kontakt mit der Innenfläche des Tiegels 1 befindet, und da­ her kann ein Bereich in der Nähe des oberen Tiegels 11 er­ neut durch die von außen eintretenden magnetischen Flüsse geschmolzen und anschließend wieder verfestigt werden. Dies führt dazu, daß das Wachstum des zu schmelzenden Materials 5 behindert wird. Des weiteren tritt dadurch ein anderes Pro­ blem auf, daß der Bereich der Induktionsspule 12, der sich von dem oberen Tiegel 11 aus nach unten erstreckt, der Strahlungswärme des zu schmelzenden heißen Materials ausge­ setzt ist und die Temperatur des Bereiches erhöht wird, wo­ durch die Zerstörung des isolierenden Materials beschleunigt und die Lebensdauer verkürzt wird. Um das Auftreten dieser Probleme zu verhindern, muß die Induktionsspule 2 in solch einer Weise angeordnet werden, daß die untere Fläche der In­ duktionsspule oberhalb der unteren Fläche des oberen Tiegels 11 angeordnet ist. Das bedeutet, daß die Ebene, in welcher sich der obere und der untere Tiegel 11 und 12 berühren, in einer tieferer Position angeordnet sein muß. In dem Zustand, in dem das zu schmelzende Material 5 schwimmt, wie in Fig. 9 dargestellt, ist die Ebene, in welcher sich der obere und der untere Tiegel 11 und 12 berühren, in der Nähe des schwe­ benden zu schmelzenden Materials 5 angeordnet. Als ein Er­ gebnis wirken die magnetischen Flüsse, welche durch die Ebene eintreten, in welcher sich der obere und der untere Tiegel 11 und 12 berühren, auf das zu schmelzende Material 5 ein, so daß der Anteil des zu schmelzenden Materials 5 in der Nähe der Ebene durch eine elektromagnetische Kraft er­ niedrigt wird, wodurch ein Problem auftritt, daß das zu schmelzende Material 5 eine instabile Form aufweist, oder daß das zu schmelzende Material z. B. in einer gitarrenähnli­ chen Form deformiert ist. Tatsächlich ist es in einigen Fäl­ len schwierig, ein Positionsverhältnis zwischen dem unteren Tiegel 12 und der Induktionsspule 2 geeignet einzustellen, um zu verhindern, daß die oben beschriebenen Probleme nicht auftreten.

In dem Fall, daß das zu schmelzende Material 5 Titan oder Zirkonium ist, werden diese Materialien, wenn sie in Luft geschmolzen werden, durch Verschmutzungen verunreinigt oder eine Oxidschicht wird gebildet, da sie eine besonders hohe Aktivität aufweisen, wodurch die Reinheit verringert wird. Wenn solch ein Material geschmolzen werden soll, wird daher ein System eingesetzt, bei dem eine Schwebeschmelzvorrich­ tung in einen Vakuumbehälter gestellt und das Schmelzver­ fahren in einem Vakuum durchgeführt wird. Um den Tiegel 1 und die Induktionsspule 2 intensiv zu kühlen, muß die Schwe­ beschmelzvorrichtung, wie oben beschrieben, mit dem Außen­ raum über Rohre für Kühlwasser verbunden sein, und mit Zu­ leitungen, um der Induktionsspule 2 einen Strom zuzuführen etc. Diese Verbindungen müssen durch den Vakuumbehälter ge­ führt werden, so daß ein weiteres Problem auftritt, daß die Anordnung sehr komplex ist und die Kosten für die Vorrich­ tung sehr hoch werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine Schwebeschmelzvor­ richtung zu schaffen, welche über die gesamte Betriebsdauer stabil bzw. sicher betrieben werden kann, wobei Erzeugnisse mit einer hohen Qualität bei niedrigen Kosten hergestellt werden können, und des weiteren ist es eine Aufgabe der vor­ liegenden Erfindung ein Verfahren zum Betreiben der Schwebe­ schmelzvorrichtung zur Verfügung zu stellen.

Um diese Probleme zu lösen umfaßt eine Schwebeschmelzvor­ richtung gemäß der vorliegenden Erfindung: einen Tiegel, bei welchem eine Vielzahl von Segmenten, die aus einem gut leit­ fähigen Material bestehen und einen vorherbestimmten Quer­ schnitt aufweisen, dicht in einem isolierenden Material an­ geordnet sind, wobei der Tiegel in einer vorherbestimmten horizontalen Ebene in einen oberen und einen unteren Tiegel geteilt ist; eine Induktionsspule, welche in einer Außenflä­ che des Tiegels angeordnet ist; eine Wechselstromquelle, welche der Induktionsspule Strom zuführt; eine kontinuierli­ che Beschickungsvorrichtung, welche kontinuierlich Späne aus einem leitfähigen zu schmelzenden Material durch einen obe­ ren Bereich des Tiegels zuführt; eine erste Antriebseinrich­ tung, welche eine vertikale relative Position des oberen und unteren Tiegels verändert; und eine erste Steuereinrichtung, welche die erste Antriebseinrichtung steuert, die Vorrich­ tung umfaßt des weiteren: eine zweite Antriebseinrichtung, welche eine vertikale relative Position des oberen Tiegels und der Induktionsspule verändert; und eine zweite Steuer­ einrichtung, welche die zweite Antriebseinrichtung steuert. Eine Innenfläche des oberen Tiegels kann in einer konischen Form ausgebildet sein, welche sich unter einem vorherbe­ stimmten Winkel nach unten ausdehnt. Die Vorrichtung kann des weiteren eine Rotationsvorrichtung für den oberen Tiegel umfassen, welche den oberen Tiegel rotiert, und der obere Tiegel kann wenigstens während einer Periode rotiert werden, wenn das zu schmelzende Material anwächst und in Kontakt mit einer Innenfläche des oberen Tiegels kommt. Wenigstens ein mit Kerben versehener Bereich kann an einer Innenfläche ei­ nes oberen Bereiches des unteren Tiegels ausgebildet sein.

Die Vorrichtung kann des weiteren umfassen: eine obere Gas­ einlaßvorrichtung, welche den oberen Bereich des oberen Tie­ gels abdeckt, und welche ein Gasrohr aufweist, durch das ein Edelgas in das Innere des oberen Tiegels einfließt; und eine horizontale Gaseinlaßvorrichtung umfassend: einen hohlen röhrenförmigen Bereich, welcher konzentrisch zwischen dem Tiegel und der Induktionsspule angeordnet ist, und welcher eine Gasauslaßöffnung in einer Innenfläche aufweist; und ein Gasrohr, durch welches ein Edelgas in das Innere des hohlen röhrenförmigen Bereiches einfließt.

Die Vorrichtung kann des weiteren umfassen: eine Schmelzpe­ gelmeßvorrichtung, welche eine Vielzahl von vertikalen Posi­ tionen in der Nähe eines oberen Bereiches einer Schmelzzone mißt; Krümmungsberechnungseinrichtungen, welche ein Aus­ gangssignal von der Schmelzpegelmeßvorrichtung empfangen, und eine Krümmung des oberen Bereiches der Schmelzzone be­ rechnen; und Steuereinrichtungen für das Steuern der zweiten Antriebseinrichtung um so die relative Position der Indukti­ onsspule und des oberen Tiegels auf der Basis eines Aus­ gangssignals von der Krümmungsberechnungseinrichtung beizu­ behalten, wobei die Steuereinrichtung eine Steuerung durch­ führt, so daß die Krümmung des oberen Bereiches der Schmelz­ zone mit einem vorherbestimmten Wert übereinstimmt.

Diese Vorrichtungen werden in der folgenden Reihenfolge be­ trieben:

• a) Einführen einer geringen Menge des zu schmelzenden Mate­ rials in den Tiegel, und Unterstromsetzen der Indukti­ onsspule in einem Zustand, in dem der obere und der un­ tere Tiegel nahe beieinanderliegen und die Induktions­ spule in bzw. an einer Außenfläche des unteren Tiegels angeordnet ist;
• b) kontinuierliches Beschicken von Spänen des leitfähigen zu schmelzenden Materials durch einen oberen Bereich-des Tiegels;
• c) relatives Bewegen einer Position der Induktionsspule, während das zu schmelzende Material anwächst, um die Höhe entsprechend der Beschickung der Späne zu erhöhen, so daß die Induktionsspule an einer geeigneten Position in bezug auf eine Position einer Schmelzzone eines obe­ ren Bereiches des zu schmelzenden Materials angeordnet bleibt;
• d) wenn die Schmelzzone anwächst um eine obere Grenze in dem oberen Tiegel zu erreichen, Fixieren einer relativen Position des oberen Tiegels und der Induktionsspule, und Abwärtsbewegen des unteren Tiegels, so daß der obere Tiegel und die Induktionsspule an geeigneten Positionen in bezug auf die Position der Schmelzzone angeordnet bleiben;
• e) wenn der untere Tiegel eine vorherbestimmte Distanz be­ wegt wird, Abstoppen der Bewegung des unteren Tiegels und Abstoppen des Unterstromsetzens der Induktionsspule; und
• f) Entfernen des zylindrischen zu schmelzenden Materials aus dem Tiegel als ein Erzeugnis.

Gemäß der Anordnung der Erfindung, sind zusätzlich zu der ersten Antriebseinrichtung, welche nur den unteren Tiegel bewegt, und der ersten Steuereinrichtung, welche die erste Antriebseinrichtung steuert, die zweite Antriebseinrichtung, die die vertikale relative Position des oberen Tiegels und der Induktionsspule verändert, und die zweite Steuereinrich­ tung, welche die zweite Antriebseinrichtung steuert, vorge­ sehen, so daß die relativen Positionen des oberen und unte­ ren Tiegels und der Induktionsspule frei verändert werden können. Daher können die relativen Positionen der Indukti­ onsspule und des oberen und des unteren Tiegels während der gesamten Betriebsdauer vom Anfang bis zum Ende geeignet ein­ gestellt werden, entsprechend der Position der Schmelzzone im oberen Bereich des zu schmelzenden Materials, welche als Resultat der kontinuierlichen Beschickung von Spänen anwächst.

In der Anordnung, in der die Innenfläche des oberen Tiegels in einer konischen Form ausgebildet ist, welche sich nach unten unter einem vorherbestimmten Winkel ausdehnt, weist der untere Endbereich der Oberfläche der Schmelzzone, wel­ cher die Innenfläche des oberen Tiegels berührt und an­ schließend verfestigt wird, einen Durchmesser auf, der klei­ ner ist als der Innendurchmesser eines Bereiches des oberen Tiegels, dessen Position unter der des verfestigten Bereichs liegt. Demgemäß wird eine Spalte zwischen dem verfestigten Bereich und dem oberen Tiegel gebildet, so daß der Reibungs­ widerstand, der beim Absenken des verfestigten Bereichs zu­ sammen mit dem unteren Tiegel auftritt, auf ein sehr gerin­ ges Maß reduziert wird.

In der Anordnung, in der eine Rotationsvorrichtung für den oberen Tiegel angeordnet ist, welche den oberen Tiegel ro­ tiert und bei welcher der obere Tiegel während eines Zeit­ raumes rotiert wird, wenn das zu schmelzende Material zu­ nimmt und in Kontakt mit der Innenfläche des oberen Tiegels kommt, wird der Berührungsbereich, an dem sich der obere Tiegel in Kontakt mit dem verfestigten Bereich befindet im­ mer verschoben, und daher erscheint der Reibungswiderstand der vertikalen Bewegung als ein Gleitreibungswiderstand (kinetic friction resistance). Im Gegensatz zu dem Fall, in dem der obere Tiegel nicht rotiert wird und der Reibungswi­ derstand durch eine Haftreibung (static friction) bewirkt wird, kann daher die Abwärtsbewegung des zu schmelzenden Ma­ terials zusammen mit dem unteren Tiegel sehr viel sanfter durchgeführt werden.

In der obengenannten Anordnung, in welche der obere Tiegel mit der Rotationsvorrichtung versehen ist, kann wenigstens ein mit Kerben versehener Bereich an der Innenfläche eines oberen Bereiches des unteren Tiegels ausgebildet sein. Wenn die Schmelzzone während des Wachstumsprozesses des zu schmelzenden Materials den mit Kerben versehenen Bereich durchläuft, tritt der verfestigte Bereich in den mit Kerben versehenen Bereich ein, so daß der Widerstand gegen die Ro­ tation auf einen sehr hohen Wert erhöht wird. Auch wenn Risse zwischen den jeweiligen Segmenten des oberen Tiegels ausgebildet werden, geschmolzenes Material in die Risse ein­ tritt und der Reibungswiderstand gegen das Drehmoment zwi­ schen dem oberen Tiegel und dem zu schmelzenden Material er­ höht wird, kann daher verhindert werden, daß das zu schmel­ zende Material in bezug auf den unteren Tiegel rotiert oder in diesem gleitet.

Alternativ ist vorgesehen, eine obere Gaseinlaßvorrichtung anzuordnen, welche einen oberen Bereich des oberen Tiegels abdeckt und ein Gasrohr aufweist, durch welches ein Edelgas in das Innere des oberen Tiegels einfließt, und eine hori­ zontale Gaseinlaßvorrichtung anzuordnen, umfassend: einen hohlen röhrenförmigen Bereich, welcher konzentrisch zwischen dem Tiegel und der Induktionsspule angeordnet ist, und wel­ cher eine Gasauslaßöffnung an einer Innenfläche aufweist; und ein Gasrohr anzuordnen, durch welches ein Edelgas in das Innere des hohlen röhrenförmigen Bereiches einfließt. Wenn ein Edelgas von der Außenseite während des Schmelzprozesses durch die Gaseinlaßvorrichtungen eingeführt wird, wird die Oberfläche des zu schmelzenden Materials von dem Edelgas ab­ gedeckt.

In der Anordnung, in der eine Vielzahl von vertikalen Posi­ tionen in der Nähe des oberen Bereiches der Schmelzzone durch die Schmelzpegelmeßvorrichtung gemessen werden, wird ein als Resultat der Messung erhaltenes Ausgangssignal der Krümmungsberechnungseinrichtung zugeführt, um die Krümmung des oberen Bereiches der Schmelzzone zu berechnen, und die relative Position in vertikaler Richtung zwischen der Induk­ tionsspule und dem oberen Tiegel wird so gesteuert, daß das Ausgangssignal mit einem vorherbestimmten Wert überein­ stimmt, wobei die Schmelzzone eine optimale Form aufweist, so daß die Bedingungen zur Erzielung der maximalen Effizienz beibehalten werden.

Wenn solch eine Schwebeschmelzvorrichtung in der folgenden Reihenfolge betrieben wird, werden die unten beschriebenen Wirkungen erzielt.

• a) In einem Zustand, in dem der obere und der untere Tiegel nahe beieinanderliegen und die Induktionsspule in bzw. an der Außenfläche des unteren Tiegels angeordnet sind, wird eine geringe Menge des zu schmelzenden Materials in den Tiegel eingeführt und die Induktionsspule wird unter Strom gesetzt. Dadurch wird das zu schmelzende Material einer Induktionserwärmung unterworfen, und die Tempera­ tur des Materials wird erhöht. Des weiteren wird eine nach oben gerichtete elektromagnetische Kraft entspre­ chend der magnetischen Flußverteilung in dem Tiegel auf das zu schmelzende Material ausgeübt, so daß das Mate­ rial entgegen der Schwerkraft schwimmt und in einer fe­ sten Position schwebt. Da sich die Induktionsspule in bzw. an der Außenfläche des unteren Tiegels befindet, welcher das zu schmelzende Material enthält, werden das Induktionserwärmen und die Anwendung der Flotation effi­ zient durchgeführt.
• b) Späne des zu schmelzenden Materials werden kontinuier­ lich durch den oberen Bereich des Tiegels eingefüllt. Die Späne treten in das zu schmelzende Material in einem geschmolzenen Zustand ein und werden anschließend er­ wärmt um zu schmelzen und um mit dem zu schmelzenden Ma­ terial vereinigt zu werden, so daß die Größe bzw. die Abmessung des zu schmelzenden Materials erhöht wird. Da die Erhöhung der Flotation geringer ist als die des Ge­ wichts, wird die Schwebeposition des zu schmelzenden Materials stufenweise abgesenkt, wenn das Material an­ wächst, und das zu schmelzende Material berührt schließ­ lich den Boden des Tiegels um lokal abgekühlt und verfe­ stigt zu werden. Der verfestigte Bereich wächst weiter an, während das zu schmelzende Material zunimmt, und es wird nur der obere Bereich des zu schmelzenden Materials geschmolzen, um die Schmelzzone zu bilden.
• c) Während das zu schmelzende Material weiter zunimmt, wird die Induktionsspule relativ bewegt, um deren Höhe ent­ sprechend der Beschickung der Späne zu erhöhen, so daß die Induktionsspule an einer geeigneten Position in be­ zug auf die Position der Schmelzzone des oberen Berei­ ches des zu schmelzenden Materials gehalten wird. Da­ durch wird ermöglicht, daß das zu schmelzende Material ungeachtet der Bewegung der Schmelzzone stabil anwächst.
• d) Wenn die Schmelzzone eine obere Grenze in dem oberen Tiegel erreicht, wird die relative Position des oberen Tiegels und der Induktionsspule fixiert, und der untere Tiegel wird abwärts bewegt, um das Positionsverhältnis zwischen diesen Bestandteilen und der Schmelzzone bei zu­ behalten. Auf die gleiche Weise wie oben beschrieben, ermöglicht dies das stabile Anwachsen des zu schmelzen­ den Materials.
• e) Wenn der untere Tiegel um eine vorherbestimmte Distanz bewegt wird, wird die Bewegung des unteren Tiegels und das Unterstromsetzen der Induktionsspule beendet. Das zu schmelzende Material wird dann nicht mehr erwärmt, son­ dern nur noch abgekühlt, und dadurch wird auch die Schmelzzone verfestigt, um ein zylindrisches Erzeugnis zu erhalten.
• f) Das zu schmelzende Material wird als ein Erzeugnis aus dem Tiegel entfernt, und der Betrieb der Vorrichtung wird beendet.

Der obige und weitere Gegenstände, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus den begleitenden Zeichnungen und der folgenden detaillierten Beschreibung deutlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigt:

Fig. 1(a) bis 1(d) schematische perspektivische Quer­ schnitte, welche die vier Betriebszustände einer Schwebeschmelzvorrichtung, gemäß einer ersten Aus­ führungsform der Erfindung darstellen, wobei Fig. 1(a) einen anfänglichen Betriebszustand darstellt, Fig. 1(b) und Fig. 1(c) Zustände im Verlauf des Be­ triebes darstellen, und Fig. 1(d) einen Endbetriebs­ zustand darstellt;

Fig. 2 ein perspektivischer Querschnitt, welcher die Haupt­ bereiche einer Schwebeschmelzvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung darstellt;

Fig. 3 ein perspektivischer Querschnitt, welcher einen un­ teren Tiegel gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung darstellt;

Fig. 4(a) bis 4(c) schematische Querschnitte, welche eine fünfte Ausführungsform der Erfindung illustrieren und die Beziehung zwischen einer Distanz h zwischen dem oberen Bereich einer Schmelzzone und der oberen Endfläche einer Induktionsspule und der Form der Schmelzzone darstellen, wobei Fig. 4(a) den Fall h < 0, Fig. 4(b) den Fall h = 0, und Fig. 4(c) einen Fall h < 0 darstellt;

Fig. 5 eine Kurve, welche schematisch die Beziehung zwi­ schen der Distanz h aus Fig. 4(a) bis 4(c) und der Temperatur T der Schmelzzone darstellt;

Fig. 6 ein schematischer Querschnitt einer Schwebeschmelz­ vorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 7(a) bis 7(d) schematische perspektivische Quer­ schnitte, welche vier Betriebszustände der Schwebe­ schmelzvorrichtung gemäß Fig. 6 darstellen, wobei Fig. 7(a) einen anfänglichen Betriebszustand dar­ stellt, Fig. 7(b) und Fig. 7(c) Zustände während des Verlaufs des Betriebs darstellen, und Fig. 7(d) einen Endbetriebszustand darstellt;

Fig. 8 ein perspektivischer Längsschnitt, welcher eine ge­ samte Schwebeschmelzvorrichtung darstellt, die sich in einem Betriebszustand befindet; und

Fig. 9 ein perspektivischer Längsschnitt, welcher Hauptbe­ reiche aus Fig. 8 in einem anfänglichen Zustand dar­ stellt.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Im folgenden werden die Ausführungsformen der Erfindung un­ ter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1(a) bis 1(d) sind schematische perspektivische Quer­ schnitte, die vier Betriebszustände einer Schwebeschmelzvor­ richtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstel­ len. Fig. 1(a) zeigt einen anfänglichen Betriebszustand, in welchem eine geringe Menge des zu schmelzenden Materials 5 schmilzt, während es auf einem geschmolzenen Metall schwimmt bzw. schwebt. Fig. 1(b) zeigt einen Zustand, in welchem die Späne 53 von dem oberen Bereich aus durch die kontinuierli­ che Beschickungsvorrichtung 3 beschickt werden, das zu schmelzende Material 5 zunimmt um den Boden des unteren Tie­ gels 12 zu berühren, und die Bildung des verfestigten Berei­ ches beginnt. In diesem Zustand bleibt das zu schmelzende Material 5 noch in dem unteren Tiegel 12 und der verfestigte Bereich ist so gering, daß er nicht in der Zeichnung darge­ stellt werden kann. Wenn der Betriebszustand von dem Zustand entsprechend Fig. 1(a) auf den entsprechend Fig. 1(b) über­ geht, befinden sich der obere und der untere Tiegel 11 und 12 nahe beieinander und die relative Position dieser Tiegel ist fixiert. Des weiteren ist die Induktionsspule 2 ungefähr in der dargestellten Position angeordnet. Da sich die mitt­ lere Position des zu schmelzenden Materials 5, welches sich fast in einem geschmolzenen Zustand befindet, nach oben be­ wegt, kann jedoch auch die Induktionsspule 2 entsprechend der Bewegung der mittleren Position bewegt werden. Um die Induktionserwärmung und die aufwärtstreibende elektromagne­ tische Kraft auf das zu schmelzende Material 5 anzuwenden, ist es für die Induktionsspule ausreichend, in bzw. an der Außenfläche des unteren Tiegels 12 angeordnet zu sein. Daher wird die Höhe der Induktionsspule 2 so eingestellt, daß sie ungefähr mit der des unteren Tiegels 12 übereinstimmt.

Fig. 1(c) zeigt einen Zustand, in dem das zu schmelzende Ma­ terial 5 weiter anwächst und sich die Schmelzzone 51 in dem oberen Tiegel 11 befindet. Als ein Ergebnis der nach oben gerichteten Bewegung der Schmelzzone 51 wurde die relative Position der Induktionsspule 2 und der Schmelzzone bewegt. Tatsächlich ist es schwierig, die Induktionsspule 2 und de­ ren Zuleitungen, durch welche ein sehr hoher Strom von eini­ gen tausend Ampere fließt, in einer vertikalen Richtung frei zu bewegen, und daher werden der obere und der untere Tiegel 11 und 12 zusammen nach unten bewegt. Es ist klar, daß auch die kontinuierliche Beschickungsvorrichtung 3, welche nicht in der Figur dargestellt ist, mitbewegt wird. Unter der Schmelzzone 51, ist der verfestigte Bereich 52 auf ein gro­ ßes Maß angewachsen.

Fig. 1(d) zeigt einen Zustand, in dem die Schmelzzone 51 die obere Grenze erreicht hat und anschließend wird der untere Tiegel 12 entsprechend des Wachstums des zu schmelzenden Materials 5 nach unten bewegt. Wenn der untere Tiegel 12 um eine vorherbestimmte Distanz abwärtsbewegt wird, ist das Schmelzverfahren im wesentlichen vervollständigt. Damit ver­ hindert wird, daß sich die Induktionsspule 2 über den unte­ ren Endbereich des oberen Tiegels 11 hinaus erstreckt, ins­ besondere nachdem der untere Tiegel 12 von dem oberen Tiegel 11 getrennt wurde, weist der obere Tiegel 11 eine Höhe mit einem ausreichend großen Wert auf. Der obere Bereich des oberen Tiegels 11 spielt während des Schmelzverfahrens keine Rolle, wird jedoch als eine Struktur zur Bewegung oder für das Rotieren des oberen Tiegels 11 verwendet, wie später beschrieben. Daher sind die Abmessungen des oberen Tiegels nicht auf die in der Figur dargestellten begrenzt.

Aus der obigen Beschreibung wird deutlich, daß sich die Aus­ führungsform wesentlich von der Schwebeschmelzvorrichtung gemäß Fig. 8 und 9 dadurch unterscheidet, daß nicht nur der untere Tiegel 12, sondern auch der obere Tiegel 11 in bezug auf die Induktionsspule 2 beweglich ist. Die Abmessungen der Induktionsspule 2, oder der Strom und die Anzahl der Windun­ gen der Induktionsspule 2 hängen wesentlich von dem inneren Durchmesser des Tiegels 1 ab, und zeigen kaum einen Einfluß auf die Höhe des Tiegels 1. Daher werden erst der innere Durchmesser des Tiegels 1 und die Abmessungen und die Werte der Induktionsspule 2 bestimmt, und auf der Basis dieser ausgewählten Werte wird anschließend die Höhe des unteren und oberen Tiegels 12 und 11 bestimmt. Zu diesem Zeitpunkt kann die Höhe des oberen Tiegels 11 einfach so eingestellt werden, daß sie, wie oben beschrieben, im Vergleich mit dem der Induktionsspule 2 einen größeren Wert aufweist, um zu verhindern, daß sich die Induktionsspule 2 über den oberen Tiegel 11 erstreckt, wenn der untere Tiegel 12 von dem oberen Tiegel 11 getrennt ist, wie in Fig. 1(d) dargestellt, und die Höhe des unteren Tiegels 12 kann einfach so einge­ stellt werden, daß der obere Bereich des unteren Tiegels 12 in einer Position angeordnet ist, welche ausreichend über der Schwebeposition des zu schmelzenden Materials 5 in dem Zustand gemäß Fig. 1(a) liegt.

In einem Übergangsverfahren von dem Zustand gemäß Fig. 1(b) in den Zustand gemäß Fig. 1(c) durchschreitet die Schmelz­ zone 51 die Gegend der Ebene, in welcher der obere und der untere Tiegel 11 und 12 nahe beieinanderliegen, und wird da­ her instabil. Zu diesem Zeitpunkt schwebt die Schmelzzone 51 jedoch nicht und der verfestigte Bereich 52 ist angewachsen um mechanisch stabil zu werden. Daher übt die instabile Schmelzzone 51 keinen großen Einfluß aus.

In dem Vorangehenden wurde die Ausführungsform der Schwebe­ schmelzvorrichtung beschrieben, in welcher nicht nur der un­ tere Tiegel, sondern auch der obere Tiegel in bezug auf die Induktionsspule beweglich ist. In der Vorrichtung gemäß der Ausführungsform tritt das Phänomen, daß der Bereich der Induktionsspule 2, welcher sich über den oberen Tiegel er­ streckt, der Strahlungswärme von der Schmelzzone und dem verfestigten Bereich des zu schmelzenden Materials, wie in dem Fall der in Fig. 8 dargestellten Schwebeschmelzvorrich­ tung ausgesetzt wird, nicht auf. Das heißt, bevor die Schmelzzone anwächst und eine Position in dem oberen Tiegel erreicht hat, welche dem oberen Bereich der Induktionsspule entspricht, werden der obere und der untere Tiegel gemeinsam in bezug auf die Induktionsspule nach unten bewegt und, nachdem die Schmelzzone die Position in dem oberen Tiegel erreicht, die dem oberen Bereich der Induktionsspule ent­ spricht, werden die Positionen des oberen Tiegels und der Induktionsspule fixiert und nur der untere Tiegel wird abwärtsbewegt.

Im folgenden wird ein experimentelles Beispiel genauer be­ schrieben, bei welchem die Höhe des oberen Tiegels 11 so gewählt war, daß sie die Höhe der Induktionsspule 2 über­ schritt. Der obere Tiegel wies einen Außendurchmesser von 100 mm und einen Innendurchmesser von 60 mm auf, und die.

Induktionsspule 2 hatte einen Innendurchmesser von ungefähr 106 mm und einen Leitungsbereich von 10 mm². Schwebeschmelz­ experimente wurden durchgeführt, während die Größe des unteren Bereiches des oberen Tiegels 11, der sich über die untere Endfläche der Induktionsspule 2 in dem Zustand gemäß Fig. 1(d) nach unten erstreckt, in dem Bereich von 1,5 Mal dem Querschnitt der Spulenleiter oder von 15 mm bis 35 mm verändert wurde. Es wurde bestätigt, daß wenigstens in dem Bereich von 15 mm bis 35 mm kein Unterschied in der Schmelz­ periode auftritt, und daß das isolierende Material der In­ duktionsspule 2 keine Verschlechterung aufgrund der Strah­ lungswärme von der Schmelzzone und dem verfestigten Bereich des zu schmelzenden Materials zeigte.

Fig. 2 ist ein perspektivischer Querschnitt, welcher Haupt­ bereiche einer Schwebeschmelzvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung darstellt. In der Zeichnung weist ein oberer Tiegel 11A eine Innenfläche mit einer koni­ schen Form auf, die sich nach unten unter einem vorherbe­ stimmten Winkel ausdehnt. Segmente 111A sind so ausgebildet, daß sie der konischen Gestalt entsprechen. Wie oben be­ schrieben, wird der verfestigte Bereich 52 erzeugt und wächst, dadurch an, daß die Schmelzzone teilweise abgekühlt wird, da die Schmelzzone in einem anfänglichen Zustand in Kontakt mit der Innenfläche des unteren Tiegels 12 (welcher nicht in der Figur dargestellt ist) und zu einem mittleren Zeitpunkt des Verfahrens mit der des oberen Tiegels 11A gebracht wird. Wenn der Innendurchmesser des oberen Tiegels 11A so gewählt ist, daß er nach unten zunimmt, wie in der Figur dargestellt, entspricht der Durchmesser des verfestig­ ten Bereiches 52 in der Position, in der das untere Ende der Schmelzzone 51 verfestigt wird, dem Durchmesser des oberen Tiegels 11A in dieser Position. In dem Fall, daß ein Mate­ rial verwendet wird, bei welchem die Abmessungen zwischen dem geschmolzenen und dem verfestigten Zustand stark vonein­ ander abweichen, trifft die obenerwähnte Übereinstimmung in diesem strengen Sinn nicht zu. Dies wird später erörtert. In dem Zeitraum des Zustandes gemäß Fig. 2, wird die Schmelz­ zone 51 relativ erhöht, oder die Schmelzzone 51 verbleibt anschließend in einer festen Position und der untere Tiegel 12 wird abwärtsbewegt. Während die Schmelzzone 51 in dem oberen Tiegel 11A angehoben und die relative Position des verfestigten Bereiches 52 und des oberen Tiegels 11A fest­ gelegt wird, stellt der verfestigte Bereich 52 einen Kontakt mit der Innenfläche des oberen Tiegels 11A her. Wenn die Schmelzzone 51 in einer festen Position verbleibt, ent­ spricht der Durchmesser eines neu erzeugten Bereiches des verfestigten Bereiches 52 dem Innendurchmesser des oberen Tiegels 11A, und daher wird eine Spalte zwischen dem oberen Tiegel 11A und einem Bereich des verfestigten Bereiches aus­ gebildet, welcher entsprechend dem Wachstum des verfestigten Bereiches nach unten gezogen wird. Daher wird der Berüh­ rungsbereich zwischen dem oberen Tiegel 11A und dem verfe­ stigten Bereich 52 nur durch einen Spitzenbereich gebildet, an dem die Verfestigung durchgeführt wird, so daß sich wäh­ rend des Wachstumsprozesses des verfestigten Bereiches 52, der Reibungswiderstand zwischen dem oberen Tiegel 11A und dem verfestigten Bereich 52 welcher sich nach unten aus­ dehnt, auf ein sehr geringes Maß verringert. Dies ermög­ licht, daß das zu schmelzende Material 5 in bezug auf den oberen Tiegel 11A leicht bewegt werden kann.

Aus der obigen Beschreibung wird deutlich, daß es für den Zweck ausreichend ist, wenn eine schmale Spalte zwischen dem gebildeten verfestigten Bereich 52, und der Innenfläche des oberen Tiegels 11A ausgebildet wird. Daher kann die konische Form der Innenfläche des oberen Tiegels 11A einen kleinen Winkel aufweisen. In dem Fall, daß ein Material wie Silicium als zu schmelzendes Material verwendet wird, das sich bei dem Übergang vom Schmelzzustand in den verfestigten Zustand ausdehnt, muß der Neigungswinkel jedoch auf einen größeren Wert festgelegt werden, um den Ausdehnungskoeffizienten zu berücksichtigen.

In einer dritten Ausführungsform der Erfindung, wird ein Verfahren eingesetzt, bei welchem eine Rotationsvorrichtung zum Rotieren des oberen Tiegels 11 verwendet wird, und der obere Tiegel 11 wird rotiert um den Reibungswiderstand zwi­ schen dem oberen Tiegel 11 und dem zu schmelzenden Material 5 zu reduzieren.

Der untere Bereich des zu schmelzenden Materials 5 befindet sich in Kontakt mit dem unteren Tiegel 12, und daher kann das zu schmelzende Material 5 nicht rotiert werden. Wenn der obere Tiegel 11 rotiert wird, tritt der Reibungswiderstand zwischen dem oberen Tiegel 11 und dem zu schmelzenden Mate­ rial 5 in Form einer Gleitreibung auf, und führt zu einer Verringerung des Reibungswiderstandes. Das liegt daran, daß, wie bekannt ist, die Gleitreibung niedriger ist als die Haftreibung.

Fig. 3 ist ein perspektivischer Querschnitt eines unteren Tiegels, gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Der untere Tiegel 12B unterscheidet sich dadurch von dem in den Fig. 8 und 9 dargestellten unteren Tiegel 12, daß die Innenfläche des unteren Endbereiches jedes Segmentes 121B teilweise entfernt wurde, um den mit Kerben versehenen Be­ reich 123 zu bilden. Die mit Kerben versehenen Bereiche 123 sind an jeder der Verbindungsbereiche 122 in solch einer Weise ausgebildet, daß sich die mit Kerben versehenen Be­ reiche der benachbarten Segmente 121B einander gegenüberlie­ gen. Wie oben beschrieben, wurde ein isolierendes Material, wie Glimmer, in die Verbindungsbereiche 122 eingeführt. In jedem der Verbindungsbereiche 122 wurde auch das isolierende Material teilweise entfernt. Wenn die Schmelzzone 51 angeho­ ben wird, um die mit Kerben versehenen Bereiche zu passie­ ren, und der verfestigte Bereich 52 die Höhe der mit Kerben versehenen Bereiche überschreitet, tritt der verfestigte Be­ reich 52 in die mit Kerben versehenen Bereiche 123 ein, so daß der Widerstand gegen die Rotation um einen hohen Wert erhöht wird. Wenn Risse zwischen den jeweiligen Segmenten des oberen Tiegels 11 gebildet werden, wird geschmolzenes Material in die Risse eingeführt, und daher wird verhindert, daß das zu schmelzende Material 5 der Rotation des oberen Tiegels 11 folgt, und das Material, welches sich in den Rissen festgesetzt hat wird zerbrochen. Obwohl der Reibungs­ widerstand in diesem Fall augenblicklich erhöht wird, wird der Widerstand nicht akkumuliert, so daß der normale Betrieb beibehalten werden kann.

Fig. 3 zeigt den Aufbau, bei welchem die mit Kerben versehe­ nen Bereiche 123 in jedem der Verbindungsbereiche 122 ausge­ bildet sind. Die Anzahl der mit Kerben versehenen Bereiche 123 kann reduziert werden, und in extremen Fällen kann die Anzahl auf eins begrenzt sein. Die Position der mit Kerben versehenen Bereiche ist nicht auf solche beschränkt, bei welchen sich die mit Kerben versehenen Bereiche der benach­ barten Segmente 121B gegenüberliegen. In einer Anordnung, bei welcher mit Kerben versehene Bereiche in vertikalen Mittelpositionen der Segmente 121B gebildet werden, ist es jedoch schwierig, daß zu schmelzende Material 5 als ein Er­ zeugnis herauszuziehen. Daher müssen die mit Kerben versehe­ nen Bereiche in dem oberen Endbereich gebildet werden.

Fig. 4(a) bis 4(c) zeigen schematische Querschnitte, die eine fünfte Ausführungsform der Erfindung illustrieren und das Verhältnis zwischen einer Distanz h zwischen dem oberen Bereich einer Schmelzzone und der unteren Endfläche einer Induktionsspule und der Form der Schmelzzone darstellen.

Fig. 4(a) zeigt einen Fall, bei dem der obere Bereich der Schmelzzone 51 oberhalb der oberen Endfläche der Induktions­ spule 2 liegt (h < 0, wobei h dem Positionsunterschied zwi­ schen dem oberen Bereich der Schmelzzone 51 und der oberen Endfläche der Induktionsspule 2 entspricht), Fig. 4(b) zeigt einen Fall, bei dem der obere Bereich der Schmelzzone 51 in der Höhe mit der oberen Endfläche der Induktionsspule über­ einstimmt (h = 0), und Fig. 4(c) zeigt einen Fall, bei dem der obere Bereich der Schmelzzone 51 unter der oberen End­ fläche der Induktionsspule 2 liegt (h < 0).

Wie aus den Figuren deutlich wird, ist der obere Bereich der Schmelzzone 51 in dem Fall gemäß Fig. 4(a) flach, in dem Fall gemäß Fig. 4(b) rund und in dem Fall gemäß Fig. 4(c) spitz.

Der Grund für die obigen Phänomene kann kurz wie folgt be­ schrieben werden: Da in dem Fall gemäß Fig. 4(a) die Induk­ tionsspule 2 in einer niedrigeren Position angeordnet ist, ist die Stärke des magnetischen Feldes in der Nähe der Schmelzzone 51 so gering, daß die Abstoßungskraft der Schmelzzone 51 gegen die Induktionsspule 2 reduziert ist, wodurch das Ansteigen reduziert wird. In dem Fall gemäß Fig. 4(c), ist die Stärke des Magnetfeldes so hoch, daß eine übermäßige Abstoßungskraft ausgeübt wird, woraus ein zu starker Anstieg folgt, der in der Bildung einer spitzen Form resultiert. Fig. 4(b) zeigt einen Zustand, bei welchem ein Ansteigen um ein mittleres Maß oder ein geeignetes Maß er­ zielt wird. Es wurde experimentell bestätigt, daß die maxi­ male Effizienz der Induktionserwärmung der Schmelzzone 51 im Zustand gemäß Fig. 4(b) erzielt wird.

Fig. 5 ist eine Kurve, die schematisch das Verhältnis zwi­ schen der Distanz h aus den Fig. 4(a) bis 4(c) und der Tem­ peratur der Schmelzzone darstellt. In der Figur gibt die Abszisse den in den Fig. 4(a) bis 4(c) dargestellen Positi­ onsunterschied h, zwischen dem oberen Bereich der Schmelz­ zone 51 und der oberen Endfläche der Induktionsspule 2 an, und die Ordinate gibt die Temperatur T der Schmelzzone 51 an, welche mittels des Metallschmelzethermometers aus Fig. 8 gemessen wird.

Das Verhältnis zwischen der Distanz h und der Temperatur T der Schmelzzone in dem Zustand gemäß Fig. 4(a) wird durch den Punkt (a) angegeben. Auf die gleiche Weise wird das Ver­ hältnis in dem Zustand gemäß Fig. 4(b) durch den Punkt (b) angegeben und das in dem Zustand gemäß Fig. 4(c) durch den Punkt (c). Eine Situation, in der die Temperatur T hoch ist, bedeutet, daß die Schmelzzone mit einer großen Kraft ver­ sorgt wird, oder daß die Effizienz ausgezeichnet ist. Demzu­ folge wird deutlich, daß die maximale Effizienz in dem Zu­ stand h = 0 erzielt wird, oder in dem der Fig. 4(b). Wenn die Steuerung geeignet durchgeführt wird, um den Zustand ge­ mäß Fig. 4(b) beizubehalten, kann eine maximale Effizienz erzielt werden.

Der Zustand gemäß Fig. 4(b) ist dadurch gekennzeichnet, daß h 0 entspricht (h = 0) und daß die Schmelzzone 51 eine runde Form besitzt. Meßresultate unter verschiedenen Bedingungen machten jedoch deutlich, daß die maximale Effizienz nicht in dem Zustand h = 0 erzielt wird, sondern in dem Zustand, in dem die Schmelzzone 51 eine runde Form aufweist. Das heißt in anderen Worten, da der Einfluß der Induktionsspule 2 auf die Schmelzzone 51 nicht nur durch die relative Position, sondern auch durch die Frequenz und die Amperewindungen be­ einflußt wird, wird die maximale Effizienz nicht immer dann erzielt, wenn h 0 entspricht.

Die Struktur, bei welcher die Schmelzzone 51 eine runde Form aufweist, bedeutet, daß die Krümmung des oberen Bereiches im wesentlichen einer Hälfte des Innendurchmessers des oberen Tiegels 11 entspricht. Aus Fig. 5 wird deutlich, daß auch, wenn die Bedingungen ein wenig von den Werten verschoben werden, bei denen eine maximale Effizienz erzielt wird, än­ dert sich die resultierende Effizienz (in der Figur die Tem­ peratur) nicht wesentlich, und daher ist es nicht notwendig, die Krümmung strikt auf den Wert zur Erzielung der maximalen Effizienz einzustellen.

In jedem Fall kann die maximale Effizienz erzielt werden, wenn die Steuerung so ausgeführt wird, daß der obere Bereich der Schmelzzone 51 abgerundet ist.

Die Steuerung wird insbesondere in solch einer Weise durch­ geführt, daß die Metallschmelzepegelmeßvorrichtung 42 aus Fig. 8 die Pegel von vielen Punkten in der Nähe des oberen Bereiches der Schmelzzone 51 mißt, die Krümmungsberechnungs­ einrichtung, welche nicht dargestellt ist, die Krümmung des oberen Bereiches auf der Basis der Meßergebnisse berechnet, und eine Rückkopplungsregelung so durchgeführt ist, daß die berechnete Krümmung mit einem vorherbestimmten Wert überein­ stimmt. Ein optisches Entfernungsmessungsgerät unter Verwen­ dung eines Lasers ist als Metallschmelzepegelmeßvorrichtung geeignet. Das Steuerungsobjekt kann eine relative Position des Tiegels 1 und der Induktionsspule 2 sein. Die Krümmungs­ berechnungseinrichtung kann z. B. eine analoge arithmetische Einheit, oder eine digitale arithmetische Einheit unter Ver­ wendung eines Computers sein. Alternativ kann die Krümmungs­ berechnungseinrichtung einfach realisiert werden, indem sie in die erste oder zweite Steuereinrichtung eingebaut wird. Die Steuerung der relativen Position der Induktionsspule 2 und des Tiegels 1 in Fig. 1 wird mittels der ersten und zweiten Steuereinrichtungen durchgeführt. Diese Steuerein­ richtungen sind voneinander nur in einer funktionellen Deutung getrennt, und werden tatsächlich als eine Steuerein­ richtung aufgebaut. Um die Position der Induktionsspule 2 präziser zu steuern, kann die Steuereinrichtung eine Rück­ kopplungsregelung durchführen, bei welcher sowohl die - Position als auch die Krümmung des oberen Bereiches der Schmelzzone 51 berücksichtigt werden. Solch eine Steuerein­ richtung kann in verschiedenen Formen gemäß des Standes der Technik realisiert werden.

In dem Vorhergehenden wurde die Ausführungsform der Schwebe­ schmelzvorrichtung beschrieben, bei welcher die Position der Schmelzzone gesteuert wird, um die Effizienz der Induktions­ erwärmung der Schmelzzone zu maximieren. Zusammenfassend bleibt festzuhalten, daß es bei der Vorrichtung der Ausfüh­ rungsform wichtig ist, den Tiegel relativ zu bewegen, um die Position des oberen Bereiches der Schmelzzone an dem Pegel des oberen Endes der Induktionsspule beizubehalten, oder daß die Krümmung des oberen Bereiches der Schmelzzone im wesent­ lichen einer Hälfte des Innendurchmessers des oberen Tiegels entspricht. Um dies zu erreichen, wird die Position der Schmelzzone in bezug auf die Induktionsspule auf die oben beschriebene Weise gesteuert.

Fig. 6 ist ein schematischer perspektivischer Querschnitt einer Schwebeschmelzvorrichtung, gemäß einer sechsten Aus­ führungsform der Erfindung. Die in der Zeichnung darge­ stellte Schwebeschmelzvorrichtung unterscheidet sich von der in Fig. 1 dargestellten dadurch, daß Gaseinlaßvorrichtungen angeordnet sind. Insbesondere ist eine obere Gaseinlaßvor­ richtung 6 oberhalb des Tiegels 1 angeordnet, und eine hori­ zontale Gaseinlaßvorrichtung 60 ist zwischen dem Tiegel 1 und der Induktionsspule 2 auf eine konzentrische Weise ange­ ordnet. Die Gaseinlaßvorrichtung 6 umfaßt einen Deckel 62 um den oberen Bereich des oberen Tiegels 11 abzudecken, einen Zylinderbereich 61, der als eine Beschickungsöffnung zum Einfüllen von Spänen 53 dient, ein Gasrohr 63, welches mit dem Deckel 62 verbunden ist und durch welches ein Edelgas 7 von der Außenseite in den Tiegel 1 eingeführt wird. Die ho­ rizontale Gaseinlaßvorrichtung 60 umfaßt einen hohlen Zylin­ derbereich 64, welcher hohl ist und eine Gasauslaßöffnung 66 aufweist, die sich in die Innenwand öffnet, und ein Gasrohr 65 durch welches das Edelgas 7 in den hohlen Bereich 67 des hohlen Zylinderbereiches 64 eingeführt wird. Das in den hoh­ len Bereich 67 über das Gasrohr 65 eingeführte Edelgas 7 schießt durch die Gasauslaßöffnung 66 in den Tiegel 1. Wie später beschrieben, schützt das Edelgas 7 das zu schmelzende Material 5 vor der Luft, dessen Oberfläche in dem Bereich, in dem der obere und untere Tiegel 11 und 12 voneinander ge­ trennt sind, freiliegt.

Das in den Tiegel 1 durch das Gasrohr 63 fließende Edelgas 7 entweicht durch Öffnungen, die zwischen dem zylindrischen Bereich 61 und dem oberen und unteren Tiegel 11 und 12 und dergleichen ausgebildet sind. Daher muß das Edelgas kontinu­ ierlich zugeführt werden. Dafür ist auch das Gasrohr 65 ge­ eignet. Da die Beschickung der Späne 53 durch den Zylinder­ bereich 61 in einer diskontinuierlichen Weise durchgeführt wird, kann die Entweichungsmenge des Edelgases dadurch redu­ ziert werden, daß Gegenmaßnahmen eingeleitet werden, z. B. der Zylinderbereich während einer Nichtbeschickungsperiode geschlossen wird.

Die Gaseinlaßvorrichtungen 6 und 60 müssen aus einem Mate­ rial bestehen, welches die Bedingungen erfüllt, daß es sich um ein isolierendes Material handelt, so daß kein Strom auf­ grund der elektromagnetischen Induktion fließt; und daß das Material eine Wärmebeständigkeit aufweist, die für die Strahlungswärme von den freigelegten Bereichen der Schmelz­ zone 51 und des verfestigten Bereiches 52 ausreichend ist. Materialien, die diese Bedingungen erfüllen, sind z. B. anorganisches isolierendes Material wie Quarzglas, und Keramiken.

Fig. 7(a) bis 7(d) sind schematische perspektivische Quer­ schnitte, die vier Betriebszustände der Schwebeschmelzvor­ richtung gemäß Fig. 6 darstellen, bei denen es sich um vier Zeichnungen handelt, die jeweils den vier Zeichnungen gemäß Fig. 1(a) bis Fig. 1(d) entsprechen, und die Zeichnungen, die mit dem gleichen Buchstaben in Klammern bezeichnet sind zeigen jeweils den gleichen Schritt während des Schmelzver­ fahrens. Das heißt Fig. 7(a) zeigt einen anfänglichen Be­ triebszustand, in dem eine geringe Menge des zu schmelzenden Materials 5 schmilzt, während es auf einem geschmolzenen Me­ tall schwebt. Fig. 7(b) zeigt einen Zustand, bei welchem die Späne 53 von dem oberen Bereich aus durch die kontinuierli­ che Beschickungsvorrichtung 3 beschickt werden, das zu schmelzende Material 5 ausreichend anwächst, um den Boden des unteren Tiegels 12 zu berühren, die Bildung des verfe­ stigten Bereiches beginnt, das zu schmelzende Material 5 je­ doch in dem unteren Tiegel 12 verbleibt und der verfestigte Bereich so gering ist, daß er nicht in der Zeichnung darge­ stellt ist. Fig. 7(c) zeigt einen Zustand, in dem das zu schmelzende Material 5 weiter anwächst, und die Schmelzzone 51 in dem oberen Tiegel 11 liegt. Fig. 7(d) zeigt einen Zu­ stand, in dem die Schmelzzone 51 die obere Grenze erreicht hat und anschließend nur noch der untere Tiegel 12 abwärts­ bewegt wird, entsprechend des Wachstums des zu schmelzenden Materials 5. Wenn der untere Tiegel 12 um eine vorherbe­ stimmte Distanz abwärtsbewegt wird, ist der Schmelzprozeß im wesentlichen vervollständigt.

Da das durch das Gasrohr 63 der oberen Gaseinlaßvorrichtung 6 zugeführte Edelgas 7 in den Tiegel 1 eindringt, um die Luft zu verdrängen, wird verhindert, daß das zu schmelzende, heiße Material in direktem Kontakt mit der Luft steht und oxidiert wird. Bei diesen Schritten wird daher das Edelgas 7 hauptsächlich von der oberen Gaseinlaßvorrichtung 6 aus zu­ geführt.

In den Schritten gemäß Fig. 7(a) bis 7(c) liegen der obere und der untere Tiegel 11 und 12 nahe beieinander, und daher übt die Zufuhr des Edelgases 7 aus der horizontalen Gasein­ laßvorrichtung 6 keine große Wirkung aus. In einem Über­ gangsschritt von dem Zustand gemäß Fig. 7(c) zu dem Zustand gemäß Fig. 7(d), beginnen sich der obere und der untere Tie­ gel 11 und 12 voneinander zu entfernen, entsprechend des Wachstums des zu schmelzenden Materials 5, so daß das zu schmelzende Material in diesem Bereich freigelegt wird. Aus den Figuren wird deutlich, daß ein Teil des verfestigten Be­ reiches 52 freigelegt wird, und dessen Temperatur ist aus­ reichend hoch, obwohl die Temperatur im Vergleich mit der Temperatur der Schmelzzone 51 verringert ist. Die Zufuhr des Edelgases 7 aus der horizontalen Gaseinlaßvorrichtung 60 verhindert, daß die freigelegte Oberfläche in Kontakt mit Luft steht, und so einen Oxidfilm bilden könnte.

Als Edelgas 7 ist Argon oder dergleichen geeignet. In dem Fall, daß das zu schmelzende Material 5 ein Material ist, das nicht mit Stickstoff reagiert, ist es manchmal geraten, Stickstoff zu verwenden, da dies billig ist.

In einem System, in welchem eine Schwebeschmelzvorrichtung, wie oben beschrieben, in einem Vakuumbehälter angeordnet ist, werden der Aufbau und das Betriebsverfahren eingesetzt, bei welchen die Gaseinlaßvorrichtungen 6 und 60 vorgesehen sind und bei welchen das zu schmelzende Material 5 mit einem Edelgas bedeckt ist, um so einen direkten Kontakt mit Luft zu verhindern. Dies ermöglicht eine Schwebeschmelzvorrich­ tung mit einer einfacheren Struktur zu konstruieren und da­ durch die Kosten zu reduzieren, und trotzdem ein Erzeugnis mit hoher Qualität zu erzeugen.

Gemäß der Erfindung wird, wie oben beschrieben, zusätzlich zu der ersten Antriebseinrichtung, welche den unteren Tiegel bewegt, und der ersten Steuereinrichtung, welche die erste Antriebseinrichtung steuert, die zweite Steuereinrichtung angeordnet, welche die vertikale relative Position des obe­ ren Tiegels und der Induktionsspule verändert, und die zweite Steuereinrichtung, welche die zweite Antriebseinrich­ tung steuert. Dies ermöglicht, daß die relativen Positionen der Induktionsspule und des oberen und unteren Tiegels ge­ eignet eingestellt werden, entsprechend der Position der Schmelzzone in dem oberen Bereich des zu schmelzenden Mate­ rials, sowohl während des anfänglichen Betriebszustandes, in welchem das zu schmelzende Material geschmolzen wird, wäh­ rend es schwebt, als auch in dem Endbetriebszustand, in wel­ chem der verfestigte Bereich angewachsen ist und der untere Tiegel weit von dem oberen Tiegel entfernt ist, und in der Zwischenperiode, welche zwischen dem anfänglichen und dem Endzustand liegt. Daher ist die Höhe des oberen und des un­ teren Tiegels nicht durch die Höhe der Induktionsspule be­ grenzt, und kann auf einen großen Wert eingestellt werden. Als ein Resultat wird das zu schmelzende Material, welches sich in einem Schwebeschmelzzustand befindet, in dem anfäng­ lichen Betriebszustand von den magnetischen Flüssen nicht negativ beeinflußt, welche durch eine Spalte zwischen dem oberen und unteren Tiegel entweichen. Des weiteren erstreckt sich die Induktionsspule nicht über den oberen Tiegel nach unten hinaus, so daß ein verfestigter Bereich aus dem zu schmelzenden Material nicht erneut geschmolzen wird, und die Zerstörung des isolierenden Materials der Induktionsspule nicht durch Stahlungswärme von der Schmelzzone und von dem verfestigten Bereich beschleunigt wird. Die vorliegende Er­ findung kann folglich einen Effekt ausüben, daß eine Schwe­ beschmelzvorrichtung erzielt wird, die stabil betrieben wer­ den kann und eine hohe Zuverlässigkeit aufweist.

Wenn die Innenfläche des oberen Tiegels mit einer konischen Gestalt ausgebildet wird, welche sich nach unten unter einem vorherbestimmten Winkel ausdehnt, weist der untere Endbe­ reich der Oberfläche der Schmelzzone, welcher mit der Innen­ fläche des oberen Tiegels in Kontakt steht und anschließend verfestigt wird, einen Durchmesser auf, der geringer ist als der Innendurchmesser eines Bereiches des oberen Tiegels, welcher unter dem verfestigten Bereich liegt. Demgemäß wird eine Spalte zwischen dem verfestigten Bereich und dem oberen Tiegel ausgebildet, so daß der Reibungswiderstand, der er­ zeugt wird, wenn der verfestigte Bereich zusammen mit dem unteren Tiegel abgesenkt wird, auf ein sehr geringes Maß re­ duziert wird. Daher kann ein langer zylindrischer verfestig­ ter Bereich einfach durch das Bewegen des unteren Tiegels erzeugt werden.

In der Anordnung, in der eine Rotationsvorrichtung für den oberen Tiegel angeordnet ist, die den oberen Tiegel rotiert und bei der der obere Tiegel rotiert wird, werden die Innen­ fläche des oberen Tiegels und die Außenfläche des verfestig­ ten Bereiches, welches in Kontakt mit der Innenfläche steht, bewegt, während sie aneinander reiben, da der verfestigte Bereich des zu schmelzenden Materials an dem unteren Tiegel befestigt ist, was dazu führt, daß der Reibungswiderstand zwischen dem oberen Tiegel und dem verfestigten Bereich in der Form einer Gleitreibung auftritt. Da eine Gleitreibung einen niedrigeren Widerstand als eine Haftreibung aufweist, kann die Abwärtsbewegung des zu schmelzenden Materials ent­ sprechend des Wachstums des zu schmelzenden Materials leich­ ter ausgeführt werden, wodurch die Wirkung erzeugt wird, daß ein stabiler Betrieb durchgeführt werden kann.

In der obengenannten Anordnung, in welcher die Rotationsvor­ richtung für den oberen Tiegel vorgesehen ist, kann wenig­ stens ein mit Kerben versehener Bereich an der Innenfläche eines oberen Bereiches des unteren Tiegels ausgebildet sein. Das zu schmelzende Material tritt in den mit Kerben versehe­ nen Bereich ein und wird anschließend in diesem verfestigt, so daß der Widerstand gegen die Rotation auf einen sehr ho­ hen Wert erhöht wird. Selbst wenn Risse zwischen den jewei­ ligen Segmenten des oberen Tiegels ausgebildet werden und das geschmolzene Material in die Risse eintritt, wird der Reibungswiderstand gegen die Drehung zwischen dem oberen Tiegel und dem zu schmelzenden Material erhöht, so daß das zu schmelzende Material daran gehindert wird in bezug auf den unteren Tiegel zu rotieren oder in diesem zu gleiten, so daß der Zustand zwischen dem oberen Tiegel und dem zu schmelzenden Material stabil in dem Gleitreibungszustand beibehalten werden kann, wodurch eine Wirkung erzeugt wird, daß die Stabilität des Betriebes verbessert wird.

Wenn, wie oben beschrieben, Gaseinlaßvorrichtungen angeord­ net sind, und ein Edelgas während eines Schmelzverfahrens in den Tiegel zugeführt wird, so daß das zu schmelzende Mate­ rial keinen direkten Kontakt mit Luft aufweist, kann die Vorrichtung sehr viel einfacher aufgebaut werden, als das bekannte System bei welchem eine Schwebeschmelzvorrichtung in einem Vakuumbehälter angeordnet ist, mit dem Ergebnis, daß die Vorrichtung mit reduzierten Kosten hergestellt werden kann und ein Produkt mit höherer Qualität erzeugt wird.

In einer Ausführungsform wird die Krümmung in der Nähe des oberen Bereiches der Schmelzzone ermittelt, und die relative Position der Induktionsspule und des Tiegels wird so gesteu­ ert, daß der Wert mit einem vorherbestimmten Wert überein­ stimmt. Die maximale Effizienz wird erzielt, wenn die Krüm­ mung das oberen Bereiches der Schmelzzone in etwa dem Radius des Innendurchmessers des Tiegels entspricht. Wird dieser Zustand durch das Durchführen der obengenannten Steuerung beibehalten, wird daher eine Wirkung erzielt, daß der Be­ trieb ausgeführt werden kann, während die maximale Effizienz in dem Zeitraum erzielt wird, der der Bildung des verfestig­ ten Bereiches nachfolgt.

Wird der Betrieb in der Reihenfolge der zuvor genannten Paragraphen a) bis e) durchgeführt, können die obengenannten Wirkungen mit größerer Sicherheit erzielt werden.

Die vorgehende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungs­ form der Erfindung wurde zum Zweck der Illustration und Be­ schreibung angeführt. Sie soll die Erfindung jedoch nicht auf die präzise offenbarte Form begrenzen, sondern Modifika­ tionen und Variationen sind im Lichte der obigen Lehre mög­ lich und können durch das Ausüben der Erfindung gewonnen werden. Die Ausführungsform wurde ausgewählt und beschrieben um die Prinzipien der Erfindung und dessen praktische Anwen­ dung zu erläutern, um einen Fachmann in die Lage zu verset­ zen die Erfindung in den verschiedenen Ausführungsformen und mit verschiedenen Modifikationen einzusetzen. Es ist beab­ sichtigt, daß der Umfang der Erfindung durch die beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente festgelegt wird.

Claims (7)

1. Schwebeschmelzvorrichtung umfassend:
einen Tiegel mit einem isolierenden Material und einer Vielzahl von Segmenten aus einem gut leitfähigen Metall und mit einem vorherbestimmten Querschnitt, welche in diesem isolierenden Material dicht angeordnet sind, wo­ bei der Tiegel in einer vorherbestimmten horizontalen Ebene in einen oberen und einen unteren Tiegel geteilt ist;
eine Induktionsspule, die in einer Außenfläche des Tie­ gels angeordnet ist;
eine Wechselstromquelle um der Induktionsspule einen Strom zuzuführen;
eine kontinuierliche Beschickungsvorrichtung um kontinu­ ierlich durch einen oberen Bereich des Tiegels zu schmelzende Späne aus einem leitfähigen Material zuzu­ führen;
erste Antriebseinrichtungen um die vertikalen relativen Positionen des oberen und des unteren Tiegels zu verän­ dern;
erste Steuereinrichtung um die erste Antriebseinrichtung zu steuern;
zweite Antriebseinrichtungen um die vertikalen relativen Positionen des oberen Tiegels und der Induktionsspule zu verändern; und
zweite Steuereinrichtungen um die zweite Antriebsein­ richtung zu steuern.

2. Schwebeschmelzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Innenfläche des oberen Tiegels in einer konischen Form ausgebildet ist, welche sich unter einem vorherbestimmten Winkel nach unten ausdehnt.

3. Schwebeschmelzvorrichtung nach Anspruch 1, des weiteren umfassend eine Rotationsvorrichtung für den oberen Tie­ gel um den oberen Tiegel zu rotieren, und wobei der obere Tiegel wenigstens während einer Periode rotiert wird, wenn das zu schmelzende Material anwächst bzw. zu­ nimmt und mit einer Innenfläche des oberen Tiegels in Berührung kommt.

4. Schwebeschmelzvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß wenigstens ein mit Kerben versehener Bereich in einer Innenfläche eines oberen Bereiches des unteren Tiegels ausgebildet ist.

5. Schwebeschmelzvorrichtung nach Anspruch 1, des weiteren umfassend eine obere Gaseinlaßvorrichtung, welche den oberen Bereich des oberen Tiegels abdeckt, und welche ein Gasrohr aufweist, durch welches ein Edelgas in das Innere des oberen Tiegels einfließt; und
eine horizontale Gaseinlaßvorrichtung, welche einen hoh­ len röhrenförmigen Bereich mit einer Gasauslaßöffnung aufweist, welche konzentrisch an einer Innenfläche zwischen dem Tiegel und der Induktionsspule angeordnet ist; und ein Gasrohr, durch welches ein Edelgas in das Innere des hohlen röhrenförmigen Bereiches fließt.

6. Schwebeschmelzvorrichtung nach Anspruch 1, des weiteren umfassend eine Schmelzpegelmeßvorrichtung um eine Viel­ zahl von vertikalen Positionen in der Nähe eines oberen Bereiches einer Schmelzzone zu messen; Krümmungs-Berech­ nungseinrichtungen, welche ein Ausgangssignal von der Schmelzpegelmeßvorrichtung empfangen, um eine Krümmung des oberen Bereiches der Schmelzzone zu berechnen; und Steuereinrichtungen zur Steuerung der zweiten Antriebs­ einrichtungen, um die relative Position der Induktions­ spule und des oberen Tiegels entsprechend eines Aus­ gangssignals von den Krümmungsberechnungseinrichtungen beizubehalten,
wobei die Steuereinrichtung eine Steuerung durchführt, so daß die Krümmung des oberen Bereiches der Schmelzzone mit einem vorherbestimmten Wert übereinstimmt.

7. Verfahren zum Betreiben einer Schwebeschmelzvorrichtung, wobei die Vorrichtung umfaßt: einen Tiegel mit isolie­ renden Material und einer Vielzahl von Segmenten aus ei­ nem gut leitfähigen Metall und mit einem vorherbestimm­ ten Querschnitt, welche in diesem isolierenden Material dicht angeordnet sind, wobei der Tiegel in einer vorher­ bestimmten horizontalen Ebene in einen oberen und einen unteren Tiegel aufgeteilt ist; eine Induktionsspule, welche in einer Außenfläche des Tiegels angeordnet ist; eine Wechselstromquelle um der Induktionsspule einen Strom zuzuführen; eine kontinuierliche Beschickungsvor­ richtung, um durch einen oberen Bereich des Tiegels zu schmelzende Späne aus einem leitfähigen Material konti­ nuierlich zuzuführen; erste Antriebseinrichtungen um die vertikalen relativen Positionen des oberen und unteren Tiegels zu verändern; erste Steuereinrichtungen um die ersten Antriebseinrichtungen zu steuern; zweite An­ triebseinrichtungen um die vertikalen relativen Positio­ nen des oberen Tiegels und der Induktionsspule zu verän­ dern; und zweite Steuereinrichtungen um die zweiten An­ triebseinrichtungen zu steuern,
das Verfahren umfaßt die folgenden Schritte: Einführen einer geringen Menge des zu schmelzenden Materials in den Tiegel, und Unterstromsetzen der Induktionsspule in einem Zustand, in welchem der obere und der untere Tie­ gel nahe beieinander liegen und die Induktionsspule an einer Außenseite des unteren Tiegels angeordnet ist;
kontinuierliches Einfüllen von zu schmelzenden Spänen aus dem leitfähigen Material durch den oberen Bereich des Tiegels;
relatives Bewegen einer Position der Induktionsspule, während das zu schmelzende Material anwächst, um die Höhe entsprechend der Beschickung der Späne zu erhöhen, so daß die Induktionsspule in einer geeigneten Position in bezug auf eine Position einer Schmelzzone eines obe­ ren Bereiches des zu schmelzenden Materials angeordnet ist;
wenn die Schmelzzone anwächst um eine obere Grenze in dem oberen Tiegel zu erreichen, Fixieren einer relativen Position des oberen Tiegels und der Induktionsspule, und Abwärtsbewegen des unteren Tiegels, so daß der obere Tiegel und die Induktionsspule in geeigneten Positionen in bezug auf die Position der Schmelzzone angeordnet bleiben;
wenn der untere Tiegel um eine vorherbestimmte Distanz bewegt wird, Abstoppen der Bewegung des unteren Tiegels und Abstoppen des Unterstromsetzens der Induktionsspule; und
Entfernen des zylindrischen zu schmelzenden Materials als ein Erzeugnis aus dem Tiegel.