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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen das Gießen von
Metallen und im Besonderen einen Ofen für ein Metallbad, der bei der
gerichteten Erstarrung von Superlegierungen zum Einsatz kommt, sowie
ein Verfahren zur Durchführung
des Gießens
von Superlegierungen mit gerichteter Erstarrung.
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Bestimmte
Bauteile wie z.B. Turbinenschaufeln und Stator-Leitschaufeln für Gasturbinen
werden wegen ihrer relativ komplexen Formen und der strengen Betriebsbedingungen,
für welche
diese Komponenten geschaffen werden, typischerweise aus Legierungen
auf Basis von Nickel und Kobalt gegossen, die gewöhnlich als
Superlegierungen bekannt sind und eine hohe Festigkeit und typischerweise
sehr hohe Schmelztemperaturen aufweisen.
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Die
Festigkeit solcher Bauteile wird erhöht, indem die Turbinenleitschaufeln
(Statoren) und insbesondere die Turbinenschaufeln unter Einsatz
eines Gießvorgangs
mit gerichteter Erstarrung gebildet werden, um im Wesentlichen Komponenten
aus einem Einkristall zu erhalten. Ein solches Verfahren ist herkömmlicherweise
bekannt.
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In
der Industrie sind verschiedene Verfahren und Apparate mit unterschiedlicher
Effektivität
zum Gießen
mit gerichteter Erstarrung bekannt, wie z.B. der und das in den
US-Patenten 4,108,236 und 4,175,609 beschriebene Apparat und Verfahren.
In diesen Verfahren wird eine geeignete keramische Form speziell
für das
zu gießende
besondere Bauteil, wie eine Schaufel oder Leitschaufel für eine Gasturbine,
konfiguriert. Die Form wird in eine Heizkammer abgesenkt, wo sie
vorerhitzt wird und dann mit einer gewünschten Superlegierung in Form
einer überhitzten
flüssigen
Schmelze gefüllt.
Danach wird der Boden der Form einer bevorzugten Kühlung unterzogen,
um mit dem nur in einer Richtung verlaufenden Verfestigungsvorgang
zu beginnen, der für
die Bildung eines sich nach oben durch die Schmelze fortpflanzenden
Einkristalls nötig
ist.
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Das
Kühlen
der Schmelze kann auf verschiedene Weise erfolgen. In einem herkömmlichen
Verfahren enthält
ein Bad unterhalb der Form ein geeignetes Kühlmittel aus flüssigem Metall, wie
z.B. geschmolzenes Zinn oder Aluminium, wobei zur Herstellung eines
im wesentlichen großen
Temperaturgradienten in der Schmelze diese dann in das Kühlbad eingetaucht
wird, um eine gerichtete Erstarrung voranzutreiben.
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In
einem typischen Gießofen
für gerichtete Erstarrung
wird zunächst
eine als Beschickung bekannte feste Superlegierung in einen von
einem geeigneten Heizelement wie z.B. einem Wirbelstromheizelement
umgebenen Schmelztiegel gegeben, welcher die Beschickung schmilzt,
um mit geeigneter Überhitzungswärme die
flüssige
Schmelze zu bilden. Die Form wird zunächst in einer Heizkammer innerhalb
eines Ofens positioniert, in welcher die Form auf eine passende
hohe Temperatur vorgeheizt wird. Der Ofen und die Form werden über einem
Kühlbad
aus flüssigem
Metall angeordnet. Diese Komponenten werden typischerweise in einem
gemeinsamen Druckgefäß oder -gehäuse untergebracht,
das den Ofen bildet, welcher typischerweise evakuiert oder mit einem
geeigneten Inertgas gefüllt
wird.
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Während des
Verfahrens wird die Schmelze aus dem Schmelztiegel in die vorgeheizte
Form gegossen. Die Form wird sodann mit dem unteren Ende zuerst
zu ihrer Immersionskühlung
in das Bad abgesenkt, damit sich die Schmelze in der Form von unten nach
oben gerichtet verfestigt. Nach beendeter Erstarrung der Schmelze
in der Form wird diese aus dem Bad, dem Ofen und dem Gehäuse nach
oben entnommen. In das Gehäuse
wird eine neue Beschickung und Form eingebracht und das Verfahren
zum Gießen
weiterer Teile wiederholt.
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Um
ein Kristallwachstum in einer Richtung senkrecht nach oben zu erlangen
ist bekannt, dass ein einheitlicher hoher Wärmegradient in axialer (senkrechter)
Richtung erforderlich ist, so dass in der Form eine waagerechte
Flüssigkeits-Feststoff-Grenzfläche entsteht,
wobei mit zunehmender Abkühlung
des Metalls die Grenzfläche
senkrecht nach oben fortschreitet. Ein Wärmeverlust oder ein Wärmegradient
in radialer Richtung (d.h. in der Schmelze radial nach außen) ist
unerwünscht
und übt
auf die Kristallbildung in einer Richtung eine nachteilige Wirkung
aus, wobei die äußeren Abschnitte
der Form gegenüber
den inneren Abschnitten der Form zu einer vorzeitigen Auskühlung neigen, was
zu einer unebenen Flüssigkeits-Feststoff-Grenzfläche führt, welche
eine nachteilige Wirkung auf das Abkühlen in einer Richtung und
somit auf das Kristallwachstum in einer Richtung ausübt. Jeder
Abstand zwischen der Heizkammer für die Form und der Oberfläche des
Bades aus flüssigem
Metall bedeutet, dass, nachdem die Form zum Eintauchen in das Bad
aus der Heizkammer heraus abgesenkt worden ist, ein Teil der Form,
insbesondere ihr äußerer Teil, Wärme durch
Abstrahlen schneller verliert als der innere Teil der so exponierten
Form, was zu einem unerwünschten
radialen Wärmegradienten
führt.
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Um
daher zu einem sauberen axialen (senkrechten) Wärmegradienten für eine nur
in einer Richtung verlaufende Abkühlung zu gelangen, ist es bekannt,
das Bad aus flüssigem
Metall variabel positionierbar zu machen, damit der Behälter mit
dem flüssigen
Metall und insbesondere die Oberfläche des Bades aus flüssigem Metall
unmittelbar unter die Heizkammer positioniert werden kann. Auf diese Weise
gebt es keinen Abstand zwischen der Heizkammer und dem Bad aus flüssigem Metall
und wenn die Form zum Eintauchen in das Kühlmittel aus der Heizkammer
heraus abgesenkt wird, gelangt sie unmittelbar in solch ein Kühlmittel.
Ein derartiger Ofen mit einem Bad aus flüssigem Metall, das sich direkt unter
das Heizelement positionieren lässt,
wird in der veröffentlichten
europäischen
Anmeldeschrift 0631832A1 beschrieben, die am 2. Februar 1993 von einem
der Anmelder der vorliegenden Erfindung als Eigentümer, nämlich der
ALD Vacuum Technologies GmbH, eingereicht worden war. Wenn die Oberfläche des
Kühlmittels
aus flüssigem
Metall unmittelbar unter die Heizkammer positioniert wird, veranlasst
dies nach dem Eintauchen der Form in den das Kühlmittel aus flüssigem Metall
enthaltenden Behälter,
dass sich das Niveau des Metall-Kühlmittels
anhebt, da in einem solchen Behälter
das flüssige
Metall von der eingetauchten Form verdrängt wird. Jedes Anheben des
Niveaus eines solchen geschmolzenen flüssigen Kühlmittels ist höchst unerwünscht, da
es wegen der Nähe
zur Heizkammer unmittelbar in die Heizkammer eintritt und auch bei
der Heizkammer einen großen
Schaden und/oder andere Probleme wie das Verdampfen des Kühlmittels
aus flüssigem
Metall hervorruft. Solche Probleme sind bei einer Heizkammer, in
der Wirbelstrom- oder Widerstandsspulen verwendet werden, sehr ernst
und das flüssige
Metall kommt mit den Heizspulen in Kontakt. Unter solchen Bedingungen
tritt an den Heizspulen typischerweise ein Schaden auf, da deren
Temperatur im Allgemeinen beträchtlich über der
des Kühlmittels
aus flüssigem
Metall liegt.
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Um
dieses Problem zu überwinden,
verfuhr der Stand der Technik im Allgemeinen so, dass der Badbehälter bis
ganz oben hin mit Kühlmittel
aus Flüssigmetall
befüllt
wurde, so dass jedes überschüssige Flüssigmetall
nicht in die Heizkammer hinein angehoben wird sondern statt dessen über den oberen
Rand des Badbehälters
fließt
und auf den Boden des Schmelzofens fällt. Dies hat nicht nur den Nachteil,
dass sich Schmutz und verfestigtes Kühlmittel auf dem Boden des
Ofens ansammelt, sondern auch den entschiedenen Nachteil, dass dem
Badbehälter
nach jedem Gießvorgang
zur Durchführung des
nächsten
Gießvorgangs immer
Kühlmittel
aus flüssigem
Metall zugeführt
werden muss. Wenn im nächsten
Gießvorgang
der Badbehälter
bewegt wird, so dass das Niveau des restlichen Flüssigmetalls
unmittelbar unter die Heizkammer zu liegen kommt, hat sonst, falls
kein zusätzliches
flüssiges
Metall als Ausgleich für
die Menge des durch Verdrängung
verlorenen Flüssigmetalls
zugesetzt wird, nach Eintauchen in die Oberfläche des Kühlmittels aus Flüssigmetall das
Flüssigmetall
nun genügend
Platz, um im Badbehälter
aufzusteigen, da Metall-Kühlmittel
zuvor verloren gegangen ist und steigt dann nach oben und tritt mit
unerwünschten
und schädlichen
Folgen in die Heizkammer ein.
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Ein
bekanntes Mittel, das Problem des Überlaufens des Flüssigmetalls
auf den Boden des Ofens zu beheben besteht darin, einen Badbehälter mit
einer Überlaufrinne
vorzusehen, die überfließendes Flüssigmetall
auffängt
und enthält,
wie dies in der zuvor angegebenen veröffentlichten europäischen Anmeldung
0631832A1 beschrieben und gezeigt wird, nämlich in 4.
Obwohl der Flüssigmetall-"Überlauf" von einer solchen Überlaufrinne aufgefangen wird,
muss er unglücklicherweise
danach vor dem nächsten
Gießvorgang
dem Badbehälter
wieder zugeführt
werden. Häufig
wird ein solches Flüssigmetall fest,
was bedeutet, dass es wieder aufgeheizt werden muss und somit Zeit
und Wärmeenergie
kostet. Wichtiger jedoch ist, dass das Wiederzuführen des "Überlaufs" für jeden
Gießvorgang
das nacheinander erfolgende Gießen
zahlreicher Teile zeitaufwendig und ineffizient macht und so die
Kosten für
jeden einzelnen gegossenen Gegenstand erhöht. Falls andererseits der
Badbehälter
tief genug gefertigt ist, um den Überlauf auszugleichen, so dass
nach Eintauchen der Form kein "Überlauf" über dessen oberen Rand stattfindet,
bleiben dem Betreiber des Ofens zwei Möglichkeiten, von denen keine
wünschenswert ist.
Der Betreiber kann sich dafür
entscheiden, die Oberfläche
des geschmolzenen flüssigen
Metalls im Badbehälter
unmittelbar unter die Heizkammer zu positionieren, in welchem Falle
nach dem Eintauchen der Form das Niveau ansteigt und in die Heizkammer eintritt,
mit den zuvor angegebenen schädlichen
Folgen. Alternativ dazu kann sich der Betreiber dafür entscheiden,
die Oberfläche
des Flüssigmetalls
ein wenig unterhalb der Heizkammer zu positionieren, so dass nur
nach vollständigem
Eintauchen der Form das Niveau des Flüssigmetalls bis zum untersten Rand
der Heizkammer ansteigt. Unglücklicherweise bedeutet
dies, dass anfangs zwischen dem Kühlmittel-Bad und der Heizkammer
ein "Raum" auftritt, welcher
die früher
besprochenen Probleme mit dem angerichteten Kühlen verursacht.
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Es
besteht daher ein Bedarf nach einem Ofen zur in einer Richtung erfolgenden
Erstarrung von Superlegierungen, welcher die obigen Probleme des
Standes der Technik beseitigt.
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Um
die Probleme des Standes der Technik zu überwinden und für einen
effizienten Betrieb eines Ofens zur in einer Richtung voranschreitenden
Erstarrung von Superlegierungen zu sorgen, stellt die vorliegende
Erfindung in weitem Sinne einen Ofen zur in einer Richtung voranschreitenden
Erstarrung eines Gegenstandes aus einer Schmelze zur Verfügung, mit
einem
Gehäuse;
einer
Heizkammer innerhalb des Gehäuses,
die, wenn sie aktiviert wird, zur Vorerwärmung einer Form geeignet ist,
damit die Form die Schmelze aufnehmen kann und dann die Schmelze
im flüssigen
Zustand in der Form gehalten werden kann;
einem Tiegelelement,
welches sich unterhalb der Heizkammer befindet, zur Aufnahme eines
Flüssigmetallbades;
Mitteln
zur Absenkung der Form innerhalb der Heizkammer in das Tiegelelement;
Mittel,
welche die vertikale Bewegung des Tiegelelements zulassen, dadurch
gekennzeichnet, dass die Mittel, welche die vertikale Bewegung des
Tiegelelements zulassen, automatisierte Mittel für das automatische Herabsenken
des Tiegelelements aufweisen, wenn das Niveau des Flüssigmetallbads
angestiegen ist, um es dadurch möglich
zu machen, dass das Niveau des Flüssigmetallbads während des
Herabsenkens der Form in das flüssige
Metallbad auf einer im Wesentlichen festgelegten Position unmittelbar
unterhalb der Heizkammer gehalten werden kann.
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Vorteilhafterweise
lässt sich
mit einem Ofen der obigen Bauweise das Niveau des Kühlmittels
aus Flüssigmetall
kontinuierlich unmittelbar unter der Heizkammer halten, was auf
wirksame Weise eine Dichtung am untersten Ende der Heizkammer bildet und
einen Strahlungsverlust daraus ausschaltet. Zwischen dem Niveau
des Kühlmittels
aus Flüssigmetall und
dem untersten Rand der Heizkammer braucht man keinen "Raum" zu lassen, der sonst,
wie oben dargelegt, einen radialen thermischen Kühlgradienten verursachen würde, was
den Verlust der in einer Richtung stattfindenden Erstarrung zur
Folge hätte. Darüber hinaus
wird durch das Ausschalten des Überlaufens
nicht nur jede Verunreinigung vermieden, sondern es werden auch
die Notwendigkeit, den Überlauf
dem Bad wieder zuzuführen
sowie die damit verbundenen zeitaufwendigen Schritte, zu warten, bis
ein solcher "Überlauf' wieder geschmolzen
ist (falls er in der Zwischenzeit erstarrt war) überwunden.
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Zusätzlich lassen
sich mit dem oben beschriebenen Merkmal aufeinander folgende Gießvorgänge unter
Verwendung des gleichen Bades aus Flüssigmetall ausführen, ohne
dass der Betrieb nach jedem Gießvorgang
zum Ausgleichen des Überlaufs angehalten
werden muss. Als Ergebnis lassen sich zahlreiche aufeinander folgende
Gießvorgänge schneller
durchführen
als dies bisher der Fall war.
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In
einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Schmelzofenvorrichtung
umfasst das automatisierte Mittel zum Absenken des Tiegelelements ein
Detektionsmittel, um anzuzeigen, ob das Niveau des Flüssigmetallbades über einen
vorbestimmten Punkt relativ zur Heizkammer angestiegen ist, wenn die
Form in das Flüssigmetallbad
eintaucht, und zum nachfolgenden Absenken des Tiegelelements, nachdem
das Detektionsmittel angezeigt hat, dass das Niveau des Flüssigmetallbads über einen
solchen Punkt angestiegen ist.
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Wie
hier genauer beschrieben, kann das Detektionsmittel einen elektrisch
leitenden Sensor aufweisen, insbesondere einen Sensor des Typs,
wo ein Stromkreis geschlossen wird, nachdem Elektroden aus dem Sensor
mit dem aufsteigenden Kühlmittel aus
dem elektrisch leitenden flüssigen
Metall in Kontakt gekommen sind.
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In
einer alternativen Ausführungsform
macht das automatisierte Mittel an Stelle eines Sensors Gebrauch
von einer bekannten Verdrängungs-Beziehung
zwischen dem Abstand, den das Formelement in das Flüssigmetallbad
abgesenkt worden ist und dem Abstand, um den das Flüssigmetallbad
in Folge der Verdrängung
von flüssigem
Metall im Flüssigmetallbad
entsprechend angehoben wird, sowie von einem Mittel, um das Tiegelelement
entsprechend dieser bekannten Beziehung automatisch in solch ein Bad
abzusenken, damit das Niveau eines solchen Flüssigmetallbads relativ konstant
bleibt.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ferner ein Verfahren zur gerichteten
Erstarrung einer Superlegierung aus geschmolzenem Metall unter Verwendung
der oben beschriebenen Schmelzofenvorrichtung mit Flüssigmetallbad
zur Verfügung,
wobei das Verfahren umfasst:
das Vorerhitzen einer Form in
einer Heizkammer oberhalb eines Tiegels der ein Bad aus einem Flüssigmetallkühlmittel
enthält;
das
Gießen
der Schmelze in die vorerhitzte Form;
das Positionieren des
Flüssigmetallbades,
insbesondere des Niveaus des Flüssigmetalls
in dem Flüssigmetallbad
unmittelbar unterhalb der Heizkammer;
das Absenken der Form
und Schmelze in das Flüssigmetallbad,
dadurch gekennzeichnet, dass das Tiegelelement, welches das Flüssigmetallbad
enthält, während des
Absenkens der Form abgesenkt wird, um einen wesentlichen Anstieg
des Niveaus des Flüssigmetallbades
relativ zur Heizkammer zu vermeiden, wenn die Form in das Bad abgesenkt
wird. Bei einer gerichteten Erstarrung kommt es nicht selten vor,
dass die typischerweise aus feuerfester Keramik bestehende spröde und relativ
zerbrechliche Form während
des am Anfang stattfindenden Gießens der Schmelze in die Form
bricht oder zerspringt, oder dass alternativ die Schmelze beim Gießen in die
Form überschwappt,
mit der Folge, dass all diese Materialien einschließlich sämtlicher
Bruchstücke
der Form typischerweise durch die Heizkammer nach unter in das Kühlbad fallen.
Dies hat eine unerwünschte
Verunreinigung des Bades zur Folge, die vor dem nächsten Gießvorgang
behoben sein muss. Um daher das Kühlbad und den Schmelzofen (der
in Folge der von den Trümmern
der Form herrührenden Spritzer
beschädigt
werden kann) bei einer beschädigten
Form vor einer Verunreinigung zu bewahren, wird bei der Vorrichtung
der vorliegenden Erfindung auf besonders geeignete Weise ein Auffangbecken oder
-behälter
zwischen die Heizkammer und das Tiegelelement eingebaut, um die
Formtrümmer
aufzufangen. Das Mittel für
die senkrechte Bewegung des Tiegelelements ist so konstruiert, dass,
wenn sich das Beckenelement in einer Zwischenposition zwischen der
Heizkammer und dem Tiegelelement befindet, das Tiegelelement und
das Flüssigmetallbad
von einer abgesenkten Position unter dem Becken zu einer angehobenen
Position unmittelbar unter der Heizkammer bewegt wird, wenn das
Becken aus seiner Zwischenposition entfernt ist. Auch das erfindungsgemäße Verfahren,
in dem ein bewegliches Bad vorgesehen ist, lässt sich ebenfalls um ein solches
Merkmal erweitern. Insbesondere kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
ferner, bevor die Schmelze in die Form gegossen wird, ein Becken zwischen
die Heizkammer und das Flüssigmetallbad eingeschoben
werden, damit bei einem Bruch oder einer Leckage der Form die Formtrümmer aufgefangen
werden können,
und nach dem Gießen
der Schmelze in die vorgeheizte Form kann das Becken wieder entfernt
und das Flüssigmetallbad
angehoben werden, so dass das Niveau des Flüssigmetallbads unmittelbar
unter die Heizkammer zu liegen kommt.
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Schließlich werden
die Vorteile bei der in eine Richtung erfolgenden Erstarrung dadurch
erreicht, dass das Flüssigmetallbad
während
des Eintauchens der Form in unmittelbarer Nähe der Heizkammer gehalten
werden kann.
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Die
folgenden Zeichnungen stellen besondere erfindungsgemäße Ausführungsformen
dar.
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1A ist
die seitliche Ansicht eines Querschnitts durch einen Ofen zur gerichteten
Erstarrung gemäß dem Stand
der Technik mit sowohl einem Mittel zum Absenken der Form in ein
Flüssigmetallbad als
auch einem Mittel zum Positionieren von in einem Badbehälter befindlichem
geschmolzenem Metall unmittelbar unter einer Heizkammer. Die Figur
zeigt, wie die Form gerade in das Bad eingetaucht wird;
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1B ist
die seitliche Ansicht eines Querschnitts durch einen Ofen zur gerichteten
Erstarrung gemäß dem in 1 gezeigten Stand der Technik und zeigt
die Form beim Eintauchen in das Flüssigmetallbad;
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2 ist
die seitliche Ansicht eines Querschnitts durch einen erfindungsgemäßen Ofen
zur gerichteten Erstarrung und zeigt wie das Flüssigmetallbad unmittelbar unter
der Heizkammer positioniert ist;
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3 ist
die seitliche Ansicht eines Querschnitts durch einen Ofen zur gerichteten
Erstarrung der 2 und zeigt wie die Form teilweise
in das Flüssigmetallbad
eingetaucht ist und wie das Flüssigmetallbad
entsprechend nach dem erfindungsgemäßen Verfahren abgesenkt wird,
um das Niveau des Flüssigmetallbads
auf einer festgelegten Position unmittelbar unter der Heizkammer
zu halten;
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5 zeigt
den Ofen zur gerichteten Erstarrung der 4 mit
dem Gefäß zur Aufnahme
von Formschutt in der zurückgezogenen
Position; und
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6 zeigt
einen Ofen zur gerichteten Erstarrung der 4,
wobei die Form teilweise in das Flüssigmetallbad eingetaucht ist
und das Niveau des Flüssigmetallbads
entsprechend nach dem erfindungsgemäßen Verfahren abgesenkt ist,
um den Anstieg des Flüssigmetallbad-Niveaus auszugleichen, und
zeigt ferner das Gefäß in der
zurückgezogenen Position.
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Die 1A und 1B zeigen
zwei Ansichten eines Ofens zur gerichteten Erstarrung 14 nach dem
Stand der Technik während
zweier getrennten Stufen des Gießvorgangs bei der gerichteten
Erstarrung. Ein derartiger Ofen 14 weist typischerweise
ein Gehäuse 15 auf,
damit der Gießvorgang
unter Vakuum durchgeführt
werden kann, und er weist im angegebenen Beispiel jeweils drei Abschnitte 15a, 15b und 15c auf.
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Es
ist eine Heizkammer 4 mit Wirbelstromheizungsspulen 7 vorgesehen,
mit denen die darin befindliche Form 5 vorgeheizt wird.
Die Form 5, in der sich die geschmolzene Superlegierung
zum nachfolgenden Gießen
mit gerichteter Erstarrung befindet, kann durch die Öffnung 20 eine
Charge der geschmolzenen Superlegierung aufnehmen. Eine Kammer mit
Hebewerk 1, welche sich von dem Kolben 2 auf und
ab bewegen lässt,
kann eine Kühlplatte 4 tragen,
auf welcher die Form 5 sitzt.
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Ein
Flüssigmetallbehälter 8,
welcher ein typischerweise aus geschmolzenem Zinn oder Aluminium
bestehendes Flüssigmetall-Kühlbad 10 enthält, in welches
zur Kühlung
der Schmelze die Form 5 eingetaucht werden kann, ist an
einem Auslegerarm 9 befestigt. Mit Hilfe des Gewindestabs 12 lässt sich
das Flüssigmetallbad 10 senkrecht
positionieren, damit ein derartiges Bad 10 und insbesondere
das darin befindliche Flüssigmetall,
wie in den 1A und 1B gezeigt,
unter die Heizkammer 6 gefahren werden kann. Der Auslegerarm
lässt sich
durch die Öffnung 11 in
der Hebewerkskammer 1 nach oben bewegen, bis das Kühlbad 10 unter
die Heizkammer 6 zu liegen kommt. Das Bad 10 kann über eine
Wärmeisolierschicht 13 verfügen, durch
welche die Form 5 dringen kann, wenn sie in das Bad 10 abgesenkt wird.
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Sind
der Behälter 8 und
das Flüssigmetallbad 10 erst
einmal, wie in 1A gezeigt, unter der Heizkammer 6 positioniert,
wird zur Durchführung
der gerichteten Erstarrung der in der Form 5 befindlichen Superlegierung
die Hebewerkskammer 1, wie in 1B gezeigt,
durch den gleitbaren Kolben 2 abgesenkt, so dass die Form 5 und
die Kühlplatte 4 in
das Kühlbad 10 eingetaucht
werden, wodurch mit der gerichteten Erstarrung der Form 5 begonnen
wird, wobei sich durch das allmähliche
Eintauchen der Form 5 in das Bad 10 die Form nach
und nach vom Boden bis zum oberen Rand abkühlt.
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Um
während
des Abkühlens
Probleme eines radialen Wärmegradienten
in der Form zu vermeiden, wird der Badbehälter 8 typischerweise
bis oben hin mit geschmolzenem Metall gefüllt und dann der Badbehälter 8 und
das Bad 10 mit geschmolzenem Metall unmittelbar unter die
Heizkammer 8 positioniert, um die Kammer 8 wirksam
abzudichten, wodurch ein Verlust von aus dem Boden der Heizkammer 8 austretender
Wärmestrahlung
vermindert wird (siehe 1A).
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Wird
der Kolben 2 abgesenkt, um die Form 5, wie in 1B gezeigt,
in das Kühlbad 10 einzutauchen,
fließt
jedoch nachteilhafterweise wegen der Verdrängung des geschmolzenen flüssigen Metalls 10 durch
die eingetauchte Form 5 eine Menge an Kühlmittel 10a aus flüssigem Metall,
wie in 1B gezeigt, auf den Boden des
Ofens über.
Zur Durchführung
eines nachfolgenden Gießvorgangs
muss der Badbehälter 8 wieder
mit dem Ausfluss oder einer gleich großen Menge an Metall gefüllt werden, um
den Badbehälter 8 bis
oben hin aufzufüllen.
Dies ist aus den unter Hintergrund angegebenen Gründen nicht
zufriedenstellend.
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Zur
Behebung dieser Probleme stellt die in den 2-6 wiedergegebene
vorliegende Erfindung einen Gießofen 30 für gerichtete
Erstarrung zur Verfügung
mit einem zylindrischen Gehäuse 3,
das aus drei getrennten Abschnitten zusammengesetzt ist, nämlich einem
oberen Abschnitt 32a, einem mittleren Abschnitt 32b und
einem unteren Abschnitt 32c. Das typischerweise aus Stahl
bestehende geschlossene zylindrische Gehäuse sorgt für eine Abdichtung gegenüber der
Atmosphäre,
womit sich das Aufheizen, das Ausgießen, das Gießen und
die gerichtete Erstarrung einer Schmelze 40 aus einer Superlegierung
unter nahezu vollständigem
Vakuum oder alternativ in Gegenwart eines Inertgases durchführen lässt, um
dadurch eine Oxidation der in der Schmelze 40 der Superlegierung
vorkommender Spurenmetalle zu vermeiden, welche sonst auftreten würde, wenn
das erfindungsgemäße Verfahren
in Luft unter normalen atmosphärischen
Bedingungen ausgeführt
würde.
Zum Anlegen eines Vakuum im Gießofen 30,
ist daher eine Vakuumpumpe 42 vorgesehen. Sollte es erwünscht sein,
das Verfahren visuell zu verfolgen, sind an den in den 2–6 gezeigten
Orten Sichtfenster 20s und 20b vorgesehen.
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Im
Gehäuse 32 ist
auf geeignete Weise eine Heizkammer 44 angeordnet, die
als Ofen für
eine Form dient, um eine Form vorzuheizen, bevor diese die flüssige Schmelze 40 aufnimmt
und auch danach. Eine derartige Heizkammer kann jede herkömmliche Form
aufweisen. In der dargestellten beispielhaften Ausführungsform
stellt die Heizkammer 44 einen Ofen mit mehreren Zonen
dar, welche drei senkrecht aufgereihte Zonen mit jeweils einem unabhängig versorgten
Zonenheizelement aufweisen, die Widerstandsheizelemente 48a, 48b und 48c umfassen. Die
Zonenheizelemente 48a, 48b und 48c umgibt eine
Isolierkammer oder -kasten 49 von geeignetem wärmeisolierendem
Material, um die Hitze von den Zonenheizelementen 48a, 48b und 48c in
der Heizkammer 44 zurückzuhalten.
Die Heizkammer 44 ist oben und unten offen.
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Anfangs
zu Beginn des Gießverfahrens
wird die Form 46 in der Heizkammer 44 angeordnet
und besteht aus geeignetem feuerfestem oder keramischen Material,
um die Schmelze aus der Superlegierung 40 aufzunehmen.
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Eine
erste oder obere Hebevorrichtung 50 ist vorzugsweise oberhalb
des oberen Gehäuses 32a angeordnet
und erstreckt sich zum Teil in das Gehäuse 32, um durch die Öffnung 92 die
Form 46 in und aus der Heizkammer 44 abzusenken
und anzuheben. Die obere Hebevorrichtung 50 kann jede bekannte
Form einnehmen, um in der Heizkammer 44 nacheinander einzelne
Formen 46 in ihre Position zu überführen sowie zur nachfolgenden
senkrechten Verschiebung während
des Gießvorgangs,
wie dies im folgenden beschrieben wird.
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Die
Schmelze 40 liegt am Anfang in Form einer festen Charge
vor, die dann auf geeignete Weise durch eine Zugangsöffnung 52 oben
am Gehäuseelement 32a in
das Gehäuse 32 eingetragen
wird und am Anfang in einen Tiegel 60 abgelegt wird. Der
Tiegel 60 kann jede bekannte Form aufweisen und ist typischerweise
aus einem geeigneten von einem Induktionsheizelement 62 umgebenen
feuerfesten Material gemacht. Das Induktionsheizelement 62 wird zum
Schmelzen der festen Charge der Superlegierung im Schmelztiegel 60 unabhängig mit
Strom versorgt, um eine flüssige
Schmelze 40 aus der Superlegierung herzustellen.
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Das
Schmelzmaterial 40 kann eine Superlegierung auf Nickel-
oder Kobaltbasis zum Gießen
von z.B. hoch temperaturfesten Rotorschaufeln und Stator-Leitschaufeln
für Gasturbinen
sein. Entsprechend kann die Form 46 jede bekannte Form
zum Gießen geeigneter
Bauteile wie Schaufeln und Leitschaufeln aufweisen und ist speziell
so ausgestaltet, dass beim Erstarren der Schmelze darin eine gerichtete
Erstarrung der Schmelze 40 zu einer Einkristall-Komponente gefördert wird.
Die Form 46 weist daher typischerweise eine komplexe Gestallt
und eine unterschiedliche Außenkonfiguration
oder Profil auf und lässt
sich in einer geeignet bemessenen Heizkammer 44 einzeln
oder mit mehreren Einheiten oder Sätzen anordnen. Die Form 46 kann
ferner am Boden eine Kühlplatte 90 aus
typischerweise thermisch hoch leitfähigem Material aufweisen, welche
bei der Kühlung
der Form an ihrem niedrigsten Punkt und daher bei dem Vorgang der
gerichteten Erstarrung hilft.
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Der
Tiegel 60 wird am Anfang in dem Gehäuse 32 gegenüber der
Heizkammer 44 angeordnet und an einem geeigneten Fahrwerk 65 befestigt,
um den Tiegels 60 zum obersten Ende der Heizkammer 44 zu
befördern
und den Tiegel 60 zum Ausgießen der Schmelze 40 in
die Form 46 im Innern der Heizkammer 44 zu kippen. Das
Fahrwerk 65 kann jede bekannte Form aufweisen, um den Tiegel 60 rückwärts und
vorwärts
zur Heizkammer 44 zu bewegen, damit der Tiegel 60 wiederholt
mit einer neuen Schmelzcharge 40 wiederbefüllt werden
kann und aufeinander folgende Formen 46 nacheinander befüllt werden
können.
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Senkrecht
unter der Heizkammer 44 ist ein offener Tiegel oder Badbehälter 70 aus
einem geeigneten feuerfesten Material angeordnet. Mit einem derartigen
Tiegel 70 lässt
sich ein Immersionskühlen der
Form 46 durchführen,
wie dies im Folgenden ausführlicher
beschrieben wird, um die Schmelze 40 in der Form 46 einer
gerichteten Erstarrung zu unterziehen, wenn eine solche Form 46 in
das Bad 70 abgesenkt wird. Das Bad 70 enthält ein geeignetes
Kühlmittel
aus Flüssigmetall 72,
welches z.B. geschmolzenes Zinn oder Aluminium mit einem niedrigeren Schmelzpunkt
als die Schmelze aus der Superlegierung sein kann und zur Kühlung der
Form 46 eingesetzt wird. Ein geeignetes aus Widerstands-Heizelementen 74 bestehendes
Heizmittel für
das Bad kann das Bad 70 umgeben, um das Kühlmittel 72 bei
einer geeigneten, zum Kühlen
der die überhitzte
Schmelze 40 enthaltenden Form 46 nützlichen
Temperatur zu schmelzen und zu halten.
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In
der in 2 wiedergegebenen beispielhaften Ausführungsform
wird das Bad 70 von einer zweiten (unteren) Hebevorrichtung 76 bewegt,
welche senkrecht unter dem Gehäuse 32c angeordnet ist
und sich teilweise durch den Boden des Gehäuses 32c nach oben
erstreckt, um das Bad 70 zu tragen. Die zweite Hebevorrichtung 76 kann
zum selektiven Anheben und Absenken des Bades 70 in und
aus einer Position unter der Heizkammer 44 jede bekannte Form
aufweisen, wird in der bevorzugten Ausführungsform aber elektrisch
angetrieben und weist eine elektrisch angetriebene hydraulische
Pumpe 94 auf, welche Hydrauliköl unter Druck zu einem hydraulischen
Plunger/Kolben 96 liefert, der zum Anheben/Absenken des
Bades 75 eingesetzt wird.
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Es
ist wichtig, dass ein Sensor 80 vorgesehen ist. Ein solcher
Sensor 80 kann fest an der Heizkammer 44 oder
anderswo auf dem Ofengehäuse 32 befestigt
sein und arbeitet mit der unteren Hebevorrichtung 76 auf
die im Folgenden beschriebene Art und Weise zusammen, damit das
Niveau des Flüssigmetalls 72 während des
Absenkens der Form 46 in das Kühlmittel 72 in einer
im Wesentlichen festgelegten Position unmittelbar unter der Heizkammer 44 gehalten
wird. Ein derartiger Sensor kann irgend ein käuflicher Sensor zur Ermittlung
des Flüssigkeitspegels
sein, ist in einer Ausführungsform
aber vom Typ mit zwei Elektroden 81a, 81b, die
einen geschlossenen Stromkreis bilden, wenn sie mit dem Kühlmittel aus
Flüssigmetall
in Kontakt kommen, wobei das Kühlmittel
wie z.B. Aluminium elektrisch hoch leitfähig ist. Die Elektroden 81a, 81b werden
so positioniert, dass sie mit dem Kühlmittel 72 in einer Position an
oder geringfügig
oberhalb des gewünschten
maximalen Pegels für
das Kühlmittel
in Kontakt kommen. Sobald der elektrische Stromkreis in Folge des
Absenkens des Kühlmittels 72 durch
den Verlust der zwischen den Elektroden 81a, 81b bestehenden elektrischen
Verbindung geöffnet
wird, reißt
das elektrische Signal zur Hebevorrichtung 76 ab mit der
Folge, dass das Bad 70 und das Kühlmittel 72 nicht
weiter abgesenkt werden. Beim allmählichen Absenken der Form 46 in
das Kühlmittel 72 wird
der Vorgang mehrmals wiederholt, wobei jedes Absenken der Form einen
Anstieg des Kühlmittelniveaus
verursacht, der von den Elektroden 81a, 81b angezeigt wird,
wenn durch den Anstieg des Kühlmittels 72 der elektrische
Stromkreis geschlossen wird, was zur Folge hat, dass ein elektrisches
Signal zur unteren Hebevorrichtung 76 gesendet wird und
diese veranlasst, das Bad 70 und das darin befindliche
Kühlmittel 72 abzusenken.
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Das
Verfahren der vorliegenden Erfindung zum unter gerichteter Erstarrung
stattfindenden Gießen
eines Gegenstandes wird nun in weitestem Rahmen beschrieben.
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Eine
leere Form 46 wird von der ersten Hebevorrichtung 50 bis
zu einer Position im Innern der Heizkammer 44 abgesenkt
und vorgeheizt, um die Form 46 zur Aufnahme der Schmelze 40 bereit
zu machen. Ein derartiges Vorheizen der Form 46 vermeidet
an der Form 46 einen Hitzeschock, wenn diese die Schmelze 40 aufnimmt.
Ein Lötbarren
aus einer Superlegierung wird durch die Öffnung 52 in den Tiegel 60 hinabgelassen
und bis zu einer flüssigen Schmelze 40 erhitzt.
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Die
Schmelze 40 wird sodann von dem Fahrwerk 65 über die
Heizkammer 44 gefahren und in die vorerhitzte Form 46 gegossen,
wo ihr wahlweise durch Aufheizen der Kammer 44 weiterhin
Wärme zugeführt wird,
um notwendigenfalls die Schmelze 40 vor oder während der
gerichteten Erstarrung in flüssigem
Zustand zu halten.
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Das
Bad 70, welches das Kühlmittel
aus Flüssigmetall 72 enthält wird
sodann von der unteren Hebevorrichtung 76 angehoben, um
das Niveau des Flüssigmetall-Kühlmittels 72 im
Bad 70 unmittelbar unter die Heizkammer 44 zu
positionieren. Durch das Positionieren des Flüssigmetall-Kühlmittels 72 in
diese Position lässt
sich im Wesentlichen jeder Raum zwischen der Heizkammer 44 und
dem Niveau des Bades aus Flüssigmetall
vermindern oder eliminieren. wobei sonst vor dem Eintauchen der
Form 46 in das Kühlmittel 72 Hitze
aus der Form 46 radial abstrahlen würde. Das Bad 70 lässt sich
in der Tat anheben und der Sensor 80 so positionieren,
dass das Niveau des darin befindlichen Flüssigmetall-Kühlmittels 72 beibehalten
wird und dass er augenblicklich mit dem untersten Abschnitt der
Heizkammer und/oder der Kühlplatte 90 unten
an der Form 46 in Kontakt kommt, wodurch so weit wie möglich ein
in radialer Richtung stattfindender Wärmeverlust aus der Heizkammer 44 und
aus der Form 46 vermindert oder eliminiert wird.
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Nachdem
das Bad 70 und das Kühlmittel 72 angehoben
worden sind, so dass das Kühlmittel 72 auf
dem gewünschten
Niveau liegt, wird die Form 46 von der Hebevorrichtung 50 nach
und nach aus der Heizkammer 44 nach unten in das Kühlmittel 72 abgesenkt,
um in der Form 46 mit der gerichteten Erstarrung der Schmelze
zu beginnen. Während
dieses Vorgangs beginnt am Boden der Form 46 die gerichtete
Erstarrung und pflanzt sich mit dem allmählichen Absenken der Form 46 in
das Kühlmittel 72 senkrecht nach
oben fort. Damit wird im Wesentlichen ein Feststoff aus einem Einkristall
erhalten, der in der gewünschten
einen Richtung senkrecht nach oben wächst.
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Es
ist wichtig, dass mit dem langsamen Eintauchen der Form 46 in
das Kühlmittel 72 das
Niveau des Kühlmittels
ansteigt, wobei ein solcher Anstieg des Niveaus von dem Sensor 80 angezeigt
wird. Nach einem Signal vom Sensor 80 wird darauf hin die untere
Hebevorrichtung 76 unmittelbar aktiviert, um den unteren
Kolben 88 zum Absenken zu bewegen, wodurch das Bad 70 abgesenkt
wird, damit das Niveau des Kühlmittels 72 auf
der gewünschten
Höhe unter
der Heizkammer 44 gehalten wird. Würde das Bad 70 nicht
abgesenkt, würde
das Niveau des Kühlmittels 72 ansteigen
und entweder über
den Badbehälter 70 laufen
oder in die Heizkammer 44 angehoben, wodurch die unteren
Heizwiderstandselemente 48c und möglicherweise auch 48b beschädigt würden. Wie
aus den 3 und 6 klar ersichtlich
hat in Folge des Eintauchens der Form 46 in das Kühlmittel 72 nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren
der von der unteren Hebevorrichtung bewegte hydraulische Kolben 96 das
Bad 70 um den Abstand 'a' abgesenkt, um dadurch
das Niveau des Kühlmittels 72 auf
dem gleichen Stand wie vor dem Eintauchen zu halten, nämlich unter
der Heizkammer 44, wie dies in den 2 und 5 gezeigt
wird.
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Nach
vollständigem
Eintauchen der Form 46 in das Kühlmittel 72 kehrt
sich die Bewegungsrichtung der oberen Hebevorrichtung um, damit
die Form 46 aus dem Bad 70 und der Heizkammer 44 nach oben
und durch das obere Gehäuse 32a durch
die Ausgangsöffnung 92 entfernt
wird, um durch die nächste
leere Form 46 zur Wiederholung des Gießvorgangs ersetzt zu werden.
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Da
das Bad 70 und das Kühlmittel 72 während des
Eingießens
direkt unter der Heizkammer 44 angeordnet sind (siehe 4), würde
ein Defekt oder Zerbrechen der Form 46 in diesem Schritt
das Kühlmittel 72 im
Bad 70 mit dem anfallenden Formschutt und übergeflossener
Schmelze verunreinigen. Ferner könnte
der eingefallene Formschutt und die eingegossene Schmelze das Kühlmittel
dazu bringen, nach oben auf ein oder mehrere der Heizelemente 48a, 48b oder 48c des
Kerns zu spritzen und dort einen unerwünschten Schaden zu verursachen.
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Daher
ist für
die erfindungsgemäße Vorrichtung
und das Verfahren ein als zusätzliches
Merkmal, wie in den 4 bis 6 gezeigt,
ein zwischen der Heizkammer 44 und dem Bad 72 entfernbar
angebrachtes leeres Gefäß oder eine
Wanne 100 vorgesehen. Mit der Wanne 100 ist ein
geeigneter Stellantrieb 110 verbunden, um die Wanne 100,
wie in 4 gezeigt, während des
Eingießvorgangs
der Schmelze selektiv in die Position unter der Heizkammer 44 zu
verfrachten und um die Wanne 100 von der Heizkammer 44 wegzuziehen
und nach dem Ende des Eingießvorgangs,
wie in den 5 und 6 gezeigt,
an einem geeigneten Ort innerhalb des Gehäuses 32 unterzubringen.
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Die
Wanne 100 ist vorzugsweise ein offener Behälter von
einer Größe, um im
Falle eines Bruchs der Form 46 im Wesentlichen allen Formschutt
und die Schmelze 40 aufzunehmen und jegliche Verunreinigung
des Kühlmittels 72 im
Bad 70 zu verhindern. Sie besteht ferner aus einem geeigneten
feuerfesten Material, das durch herabfallende Schmelze nicht beschädigt wird.
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Es
wird nun unter Bezugnahme auf die 5 und 6 das
erfindungsgemäße Verfahren
beschrieben, in welchem ferner ein Auffangbecken verwendet wird.
Beginnend mit dem Schritt der Form-Aufheizung und dem Eingießen wird
die in der Heizkammer 44 befindliche Form 46 vorgeheizt,
um sie zur Aufnahme der flüssigen
Schmelze 40 bereit zu machen, welche im Tiegel 60 erhitzt
wird. Das Bad 70 wird mit der zweiten Hebevorrichtung 76 abgesenkt
und das Auffangbecken 100 wird von dem Stellantrieb 110 in
die Position unmittelbar unter der Form 46 in der Heizkammer 44 ausgefahren.
Die flüssige Schmelze 40 wird
von dem Fahrwerk 65 über
die Öffnung 20 der
Form transportiert und, wie in 4 gezeigt,
in die Form gegossen. Das Auffangbecken 100 wird sodann
vom Stellantrieb 110 von seiner ausgefahrenen Position
unter der Form 46 zu einer Aufbewahrungsposition weg von
der Heizkammer 44 gefahren und das Bad 70 sodann
in eine Position angehoben, wo der Sensor 80 den hydraulischen
Kolben 96 nicht länger
nach oben fahren lässt,
nämlich
in eine Position, in der das Niveau des Flüssigmetall-Kühlmittels 72 in
dem Bad 70, wie in 5 gezeigt,
sich unmittelbar unter der Heizkammer 44 befindet.
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Danach
wird die Form 46 von der oberen Hebevorrichtung 50 in
das Kühlmittel 72 abgesenkt. Wenn
infolge des Eintauchens der Form 46 in das Kühlmittel 72 das
Niveau des Kühlmittels 72 ansteigt, wird
dieser Niveauanstieg vom Sensor 80 aufgenommen und die
untere Hebevorrichtung 76 aktiviert, so dass das Bad 70 abgesenkt
wird, wodurch das Niveau des Kühlmittels 72 auf
einem gewünschten gleichbleibenden
Pegel bleibt.
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Es
ist beabsichtigt, dass das erfindungsgemäße Verfahren, dass nämlich beim
Absenken der Form 46 in das Kühlmittel 72 das Bad 70 so
abgesenkt wird, dass das Niveau des Kühlmittels bei einem festgelegten
gewünschten
Pegel stehen bleibt, sich ohne Verwendung eines Sensors durchführen lässt. Insbesondere
besteht eine direkte proportionale Beziehung zwischen dem Abstand,
um den die Form 46 in das flüssige Kühlmittel 72 abgesenkt
wird, und dem sich daraus ergebenden Anstieg des Niveaus des Kühlmittels 72,
wobei eine derartige Beziehung von der Formoberfläche als
Funktion ihrer Höhe
und von dem Gesamtvolumen des Badbehälters als Funktion von dessen
Höhe abhängt. Daher lässt sich
eine solche Beziehung mathematisch berechnen oder empirisch durch
experimentelle Versuche ermitteln, in denen die Form in das Bad
eingetaucht wird und die Beziehung zwischen der Größe der Absenkung
der oberen Hebevorrichtung und des sich daraus ergebenden Anstiegs
des Niveaus des Kühlmittelpegels
ermittelt wird. Nach Ermittlung einer solchen Beziehung kann die
untere Hebevorrichtung betrieben werden, um das Bad 70 entsprechend
der Absenkung der oberen Hebevorrichtung 50 in der entsprechenden
Proportion abzusenken, was sicher stellt, dass das Niveau des Kühlmittels 72 relativ
zur Heizkammer 44 an einer festgelegten gewünschten Stelle
verharrt.