DE60024142T2 - Giesssystem und giessverfahren für hochreinen und feinkörnigen metallguss - Google Patents

Giesssystem und giessverfahren für hochreinen und feinkörnigen metallguss Download PDF

Info

Publication number
DE60024142T2
DE60024142T2 DE60024142T DE60024142T DE60024142T2 DE 60024142 T2 DE60024142 T2 DE 60024142T2 DE 60024142 T DE60024142 T DE 60024142T DE 60024142 T DE60024142 T DE 60024142T DE 60024142 T2 DE60024142 T2 DE 60024142T2
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
casting
metal
cooling
liquid
molten
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
DE60024142T
Other languages
English (en)
Other versions
DE60024142D1 (de
Inventor
Gilbert Mark BENZ
Thomas William CARTER
Alan Bruce KNUDSEN
John Robert ZABALA
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by General Electric Co filed Critical General Electric Co
Publication of DE60024142D1 publication Critical patent/DE60024142D1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE60024142T2 publication Critical patent/DE60024142T2/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/115Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces by spraying molten metal, i.e. spray sintering, spray casting
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22DCASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D23/00Casting processes not provided for in groups B22D1/00 - B22D21/00
    • B22D23/06Melting-down metal, e.g. metal particles, in the mould
    • B22D23/10Electroslag casting
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22BPRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B9/00General processes of refining or remelting of metals; Apparatus for electroslag or arc remelting of metals
    • C22B9/16Remelting metals
    • C22B9/18Electroslag remelting
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/123Spraying molten metal
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F9/00Making metallic powder or suspensions thereof
    • B22F9/02Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
    • B22F9/06Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material
    • B22F9/08Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying
    • B22F9/082Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying atomising using a fluid
    • B22F2009/0848Melting process before atomisation
    • B22F2009/0852Electroslag melting
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F9/00Making metallic powder or suspensions thereof
    • B22F9/02Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
    • B22F9/06Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material
    • B22F9/08Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying
    • B22F9/082Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying atomising using a fluid
    • B22F2009/0848Melting process before atomisation
    • B22F2009/0856Skull melting
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2998/00Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
  • Furnace Details (AREA)
  • Continuous Casting (AREA)

Description

  • HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft Gießsysteme und Verfahren, die Kühlung des Gießens verwenden. Insbesondere betrifft die Erfindung Reinmetall-Sprühkompaktierungssysteme und Verfahren, die Kühlung des Gussstücks verwenden.
  • Metalle, z.B. auf Eisen- (Fe), Nickel- (Ni), Titan- (Ti) und Kobalt- (Co) basierende Legierungen, werden häufig in Turbinenkomponenten verwendet, in denen feinkörnige Mikrostrukturen, Homogenität und im Wesentlichen fehlerfreie Zusammensetzungen gewünscht sind. In Superlegierungsgussstücken und Gussblöcken auftretende Probleme sind unerwünscht, da die Kosten im Zusammenhang mit der Herstellung von Superlegierungen hoch sind, und die Folgen dieser Probleme, insbesondere bei zu Turbinenkomponenten geformten Gussblöcken fatal sind. Herkömmliche Systeme zur Herstellung von Gussstücken versuchten den Anteil an Verunreinigungen, Fremdstoffen und anderen Bestandteilen, die zu unerwünschten Folgen in einer aus dem Gussstück herzustellenden Komponente führen könnten, zu reduzieren. Ein Erzielen einer homogenen, fehlerfreien Struktur ist allerdings bei der Verarbeitung und Veredelung von verhältnismäßig großen Metallkörpern, z.B. Superlegierungen, häufig mit Problemen verbunden. Es wird davon ausgegangen, dass diese Probleme zumindest teilweise, auf das sperrige Volumen des Metallgrundkörpers und die Menge und Tiefe des flüssigen Metalls während des Gießens und der Erstarrung des Gussblocks zurückzuführen sind.
  • Ein solches Problem, das im Zusammenhang mit Superlegierungen häufig auftaucht, kann die Steuerung der Korngröße und anderer Mikrostrukturen der veredelten Metalle betreffen. Typischerweise nutzt eine veredelnde Verarbeitung mehrere Schritte, z.B. ein sequentielles Erhitzen und Schmelzen, Formen, Kühlen und Wiedererhitzen der großen Metallkörper, da das Volumen des zu veredelnden Metalls im Allgemeinen wenigstens etwa 2250 kg (5000 pound) beträgt und 16.000 kg (35.000 pound) übertreffen kann. Darüber hinaus treten bei der Verarbeiten von großen Metallkörpern auch Probleme einer Seigerung von Legierungselementen oder Zutaten auf. Häufig wird eine relativ lange und kostspielige Folge von Verarbeitungsschritten ausgewählt, um die oben erwähnten Probleme zu überwinden, die beim Einsatz von Verarbeitungs- und Veredelungsschritten im Zusammenhang mit Metallen großen Volumens auftauchen.
  • Eine bekannte, in der Industrie verwendete derartige Schrittfolge setzt Vakuuminduktionsschmelzen ein, gefolgt von Elektroschlackeumschmelzung (wie z.B. offenbart in den US Patenten 5 160 532; 5 310 165; 5 325 906; 5 332 197; 5 348 566; 5 366 206; 5 472 177; 5 480 097; 5 769 151; 5 809 057; und 5 810 066, die sämtliche dem Inhaber der vorliegenden Erfindung gehören); gefolgt wiederum von Vakuum-Bogen-Veredelung (VAR) und wiederum gefolgt von einer mechanischen Beanspruchung durch Schmieden und Ziehen, um ei ne feine Mikrostruktur zu erzielen. Zwar ist das mittels eine derartigen Folge von Schritten erzeugte Metall in höchstem Maße nützlich und das Metallprodukt selbst relativ hochwertig, jedoch ist die Herstellung sehr kostspielig und zeitraubend. Darüber hinaus kann die Ausbeute aus einer solchen Schrittfolge niedrig sein, was die Kosten erhöht. Darüber hinaus stellt die Verarbeitungsschrittfolge keine Garantie für fehlerfreie Metalle dar, und es werden im Allgemeinen Ultraschalluntersuchung eingesetzt, um mit solchen Defekten behaftete Komponenten zu identifizieren und zu verwerfen, was die Kosten weiter steigert.
  • Ein herkömmliches Elektroschlackeumschmelzverfahren verwendet gewöhnlich eine Veredelungsbirne, die eine Schlackeveredelungsschicht enthält, die auf einer Schicht aus geschmolzenem veredelten Metall schwimmt. Als Abschmelzelektrode wird im Allgemeinen ein Gussblock aus nicht veredeltem Metall verwendet und in die Birne gesenkt, um mit der geschmolzen Elektroschlackeschicht in Kontakt zu kommen. Durch die Schlackeschicht hindurch wird ein elektrischer Strom zu dem Gussblock geleitet und ruft ein Flächenschmelzen an der Grenzfläche zwischen dem Gussblock und der Schlackeschicht hervor. Während der Gussblock geschmolzen wird, werden Oxideinschlüsse oder Verunreinigungen der Schlacke ausgesetzt und an dem Berührungspunkt zwischen dem Gussblock und der Schlacke entfernt. Es bilden sich Tropfen aus veredeltem Metall und diese Tropfen gelangen durch die Schlacke und werden unterhalb der Schlacke in einem Pool von geschmolzenem veredelten Metall gesammelt. Das veredelte Metall kann anschließend zu einem Gussstück geformt werden, beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränkt zu sein, zu einem Gussblock (im Folgenden zusammengefasst als "Gussstücke" bezeichnet).
  • Die oben erörterte Elektroschlackeumschmelzung und das resultierende Gussstück kann von einer Beziehung zwischen den einzelnen Prozessparametern abhängen, beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränkt zu sein, ist dies die Stromstärke des Veredelungsstroms, der spezifische Wärmeeintrag und die Schmelzrate. Diese Beziehung beinhaltet eine unerwünschte gegenseitige Abhängigkeit zwischen der Rate der Elektroschlackeumschmelzung des Metalls, den Temperaturen des Metallgussblocks und Gussstücks und der Geschwindigkeit, mit der ein veredeltes geschmolzenes Metallgussstück von seinem flüssigen Zustand in seinen festen Zustand abgekühlt wird, wobei sämtliche dieser Punkte zu einer unzureichenden metallurgischen Struktur in dem resultierenden Gussstück führen könnten.
  • Darüber hinaus lässt sich im Falle von Elektroschlackeumschmelzung keine Steuerung der Menge und Tiefe des flüssigen Bereichs in einem Gussstück schaffen. Eine reduzierte Erstarrungsrate kann zur Folge haben, dass das Gussstück Eigenschaften und Charakteristiken aufweist, die nicht erwünscht sind. Beispielsweise und ohne darauf beschränken zu wollen, können zu den unerwünschten Eigenschaften zählen: inhomogene Mikrostruktur, Defekte, einschließlich (jedoch ohne darauf beschränken zu wollen) Verunreinigungen, Poren und Einschlüsse, Seigerung und ein poröses (nicht dichtes) Material, das auf Luft zurückzuführen ist, die aufgrund der langsamen Erstarrung eingeschlossen wird.
  • Eine weiteres Problem im Zusammenhang mit herkömmlichen Elektroschlackeumschmelzverfahren basiert auf der Entstehung eines verhältnismäßig tiefen Metallpools in einem Elektroschlackeschmelztiegel. Ein tiefer Schmelzpool führt zu einem unterschiedlichen Grad an Makroseigerung von Zutaten in dem Metall, was zu einer unvorteilhafteren Mikrostruktur hervorruft, beispielsweise einer Mikrostruktur, die nicht feinkörnig ist, oder zu Seigerung der elementaren Spezies, so dass eine inhomogene Struktur entsteht. Im Zusammenhang mit dem Elektroschlackeumschmelzverfahren wurde ein Nachverarbeitungsschritt vorgeschlagen, um dieses Problem mit der Tiefe des Schmelzpools zu überwinden. Diese Nachverarbeitung kann auf Vakuum-Bogen-Umschmelzen (VAR = Vacuum Arc Re-melting) basieren. Vakuum-Bogen-Umschmelzen wird initiiert, wenn eine Gussblock durch Vakuumbogenarbeitsschritte erarbeitet wird, um einen verhältnismäßig seichten Schmelzpool hervorzubringen, wobei eine verbesserte Mikrostruktur erzeugt wird, die möglicherweise auch einen geringere Wasserstoffgehalt aufweist. Anschließend an das VAR-Verfahren wird der sich ergebende Gussblock in diesem Falle mechanisch bearbeitet, um einen Metallgrundkörper mit einer erwünschten feinkörnigen Mikrostruktur zu erhalten. Eine solche mechanische Bearbeitung kann eine Kombination von Schritten wie Schmieden, Ziehen und Wärmebehandlung einschließen. Diese thermomechanische Verarbeitung erfordert umfangreiche, kostspielige Ausstattung, sowie teuere Mengen an Energieeintrag.
  • Ein Ansatz zum Schaffen einer gewünschten Gussstückmikrostruktur wurde in dem US-Patent 5 381 847 vorgeschlagen, in dem ein Vertikalgießverfahren versucht, die Kornmikrostruktur durch Steuerung des dendritischen Wachstums zu steuern. Das Verfahren ist möglicherweise in der Lage eine für manche Anwendungen brauchbare Mikrostruktur zu schaffen, jedoch kann das Vertikalgießverfahren nicht Inhalte des Quellenmetalls steuern, zu denen, ohne darauf be schränken zu wollen, Verunreinigungen, Oxide und andere unerwünschte Bestandteile gehören. Wie in dem Patent dargelegt, steuert das Verfahren weder die Tiefe noch den flüssigen Bereich und bietet keinerlei Lösung für eine Verbesserung der Erstarrungsrate des Gussstücks, die dessen Mikrostruktur und Eigenschaften möglicherweise ungünstig beeinflusst.
  • Es besteht daher ein Bedarf, ein Metallgießverfahren zu schaffen, das ein Gussstück mit einer verhältnismäßig homogenen, feinkörnigen Mikrostruktur hervorbringt, wobei das Verfahren auf Mehrfachverarbeitungschritte verzichten kann, mit einer sauberen Metallquelle beschickt wird und die Tiefe des flüssigen Bereichs des Gussstücks steuert. Weiter besteht ein Bedarf, ein Metallgießsystem zu schaffen, das ein Gussstück mit einer verhältnismäßig homogenen, oxidfreien, feinkörnigen Mikrostruktur erzeugt. Ferner besteht ein Bedarf ein Metallgießverfahren und System zu schaffen, das ein Gussstück erzeugt, das im Wesentlichen frei von Oxiden und/oder aufgrund langsamer Erstarrungsraten eingeschlossener Luft ist.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung ist definiert in den unabhängigen Ansprüche 1 und 5, wobei optionale Merkmale der Erfindung in den Unteransprüchen ausgeführt sind.
  • Das durch das erfindungsgemäße Gießsystem erzeugte Metallgussstück weist eine feinkörnige, homogene Mikrostruktur auf, die im Wesentlichen oxid- und sulfidfrei, seigerungsfrei und im Wesentlichen frei von Hohlräumen ist, die durch Luft entstehen, die während der Verfestigung des Metalls von einem flüssigen Zustand in einen festen Zustand eingeschlossen wird. Zu dem Gießsystem gehören ein Elektroschlackeumschmelzsystem; ein Sprühkompaktierungssystem; und ein Kühlsystem, das das Metallgussstück kühlt, um einen flüssigen Bereich des Metallgussstücks zu kühlen. Das Metallgussstück wird in einer Weise gekühlt, die geeignet ist, um eine Mikrostruktur hervorzubringen, die auf einer feinkörnigen, homogenen Mikrostruktur basiert, die im Wesentlichen oxid- und sulfidfrei, seigerungsfrei und im Wesentlichen frei von Hohlräumen ist, die durch Luft entstehen, die während der Verfestigung von einem flüssigen Zustand in einen festen Zustand eingeschlossen wird.
  • Zu dem erfindungsgemäßen Verfahren gehören die Schritte: Bildung einer Quelle von sauberem, veredeltem Metall, aus dem Oxide und Sulfide durch Elektroschlackeumschmelzen entfernt worden sind; Bildung des Erzeugnisses durch Sprühkompaktieren; und Kühlung eines flüssigen Bereichs des Metallgussstücks durch Zufuhr von Kühlmittel an das Gussstück. Der Schritt des Kühlens ist daher ausreichend, um das Metallgussstück in einer Weise ausreichend zu kühlen, so das ein Mikrostruktur hervorgebracht wird, die eine feinkörnige, homogene Mikrostruktur aufweist, die im Wesentlichen oxid- und sulfidfrei, seigerungsfrei und im Wesentlichen frei von Hohlräumen ist, die durch Luft entstehen, die während der Verfestigung von einem flüssigen Zustand in einen festen Zustand eingeschlossen wird.
  • Es gibt mehrere Ansätze nach dem Stand der Technik, um einige der oben erwähnten, im Zusammenhang mit der Herstellung von Metallgussstücken vorhandene Probleme anzusprechen. Beispielsweise beschreibt die US-Patentschrift 3 752 215 ("das '215-Patent") eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Gießen von Metallformkörpern. Insbesondere beschreibt das '215 Patent ein Schlackebad, das in dem oberen Bereich einer Gießkammer gebildet wird, die zwischen Gussformen ausgebildet ist. Eine Metallschmelze wird durch das Schlackebad in die Gießkammer gegossen. Anschließend bilden sich durch das Schlackebad zwischen der Gussformen und dem Metall zähflüssige Schlackefilme. Das Metall wird dann durch die Schlackefilme gekühlt.
  • Diese und andere Aspekte, Vorteile und hervorragende Merkmale der Erfindung erschließen sich anhand der folgenden detaillierten Beschreibung, die Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen offenbart, in denen übereinstimmende Teile durchweg durch übereinstimmende Bezugszeichen bezeichnet sind.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 veranschaulicht schematisch ein Kühlung des Gießens verwendendes Reinmetall-Sprühkompaktierungssystem, zu dem ein Kühlsystem, ein Elektroschlackeumschmelzsystem und ein Sprühkompaktierungssystem;
  • 2 zeigt in einer teilweise schematischen, vertikalen geschnittenen Darstellung das in 1 dargestellte Reinmetall-Sprühkompaktierungssystem, das Einzelheiten des Elektroschlackeumschmelzsystems veranschaulicht;
  • 3 zeigt eine teilweise schematische, vertikale geschnittene detaillierte Darstellung des Elektroschlacke umschmelzsystems des Reinmetall-Sprühkompaktierungssystems zur Herstellung eines Erzeugnisses;
  • 4 zeigt in einem Ausschnitt eine schematische, teilweise geschnittene Darstellung des Elektroschlackeumschmelzsystems des Reinmetall-Sprühkompaktierungssystems zur Herstellung eines Erzeugnisses;
  • 5 veranschaulicht schematisch ein Kühlung des Gießens verwendendes Reinmetall-Sprühkompaktierungssystem, das ein weiteres Kühlsystem, ein Elektroschlackeumschmelzsystem und ein Sprühkompaktierungssystem aufweist;
  • 6 veranschaulicht schematisch ein Kühlung des Gießen verwendendes Reinmetall-Sprühkompaktierungssystem, das ein weiteres Kühlsystem, ein Elektroschlackeumschmelzsystem und ein Sprühkompaktierungssystem aufweist; und
  • 7 veranschaulicht schematisch ein weiteres Kühlung des Gussstücks verwendendes Gießsystem, das ein Kühlsystem und ein Sprühkompaktierungssystem aufweist.
  • BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Gießsysteme und Verfahren, die eine erfindungsgemäß verwirklichte Kühlung des Gussstücks verwenden, lassen sich, jedoch ohne darauf beschränkt zu sein, auf Gießsysteme wie vertikale Gießsysteme und Gießsysteme anwenden, die Vertikalgießen mit Elektroschlackeumschmelzung und Kaltinduktionsführungen umfassen. Die Systeme und Verfahren, die Kühlung des Gussstücks verwenden, werden, wie in 14 veranschaulicht, nachstehend anhand von Vertikalgießen im Zusammenhang mit Elektroschlackeumschmelzung und Kaltinduktionsführungen beschrieben. Allerdings soll diese Beschreibung die Erfindung in keiner Weise beschränken, und der Schutzumfang der Erfindung ist in den Ansprüchen definiert.
  • Die Gießsysteme und Verfahren, die eine erfindungsgemäß verwirklichte Kühlung des Gießens verwenden, sind in der Lage, ein Gussstück (wobei der Begriff "Gussstück" jede Art vom Gussstück umfasst, beispielsweise einen Vorformling, Gussblock und dergleichen) hervorzubringen, das im Wesentlichen oxid- und verunreinigungsfreie Charakteristiken aufweist und im Wesentlichen dicht und nicht porös ist. Der Begriff "im Wesentlichen frei" bedeutet, dass keinerlei Bestandteile in dem Material dieses nachteilig beeinflussen, beispielsweise dessen Festigkeit und ähnliche Eigenschaften, und der Begriff "im Wesentlichen nicht porös" bedeutet, dass das Material dicht ist, und die Anteile an eingeschlossener Luft minimal sind und das Material nicht nachteilig beeinflussen.
  • Die Quelle sauberen flüssigen Metalls für die Gießsysteme und Verfahren, die die erfindungsgemäß verwirklichte Kühlung des Gießens verwenden, können eine Elektroschlackeumschmelzvorrichtung aufweisen, die aufgrund der Elektroschlackeumschmelzschritte ein sauberes flüssiges Metall hervorbringt. Beispielsweise und in keiner Weise als die Erfindung beschränkend zu bewerten, kann die Elektroschlackeumschmelzvorrichtung ein Elektroschlackeumschmelzsystem in Zusammenwirken mit einer Kaltinduktionsführung (CIG) aufweisen, wie es in den oben erwähnten Patenten dargelegt ist, die dem Inhaber der vorliegenden Erfindung gehören.
  • Die Quelle für die Gießsysteme und Verfahren mit Kühlung des Gießens kann auf einer Vertikalgießanordnung basieren, wie sie in dem US-Patent 5 381 847 offenbart ist. Daher kann ein Sprühkompaktierungssystem es ermöglichen, eine Anzahl geschmolzener Metalltropfen zu bilden und durch einen Kühlbereich zu leiten der mit einer Länge ausgebildet ist, die ausreicht, um es zu ermöglichen, das im Mittel jeder der Tropfen bis zu etwa 30 Vol.-% verfestigt. Die Tropfen werden anschließend von einer Gießform aufgenommen, und die Verfestigung der Metalltropfen wird in der Gießform zu Ende geführt. Wenn weniger als etwa 30 Vol.-% der Tropfen verfestigt sind, behalten diese die Eigenschaften einer Flüssigkeit und strömen ohne weiteres innerhalb der Gießform.
  • Um die Rate der Erstarrung des flüssigen Bereichs des Metalls in der Gießform in seinen festen Zustand zu verbessern, sehen die Gießsysteme und Verfahren, die eine erfindungsgemäß verwirklichte Kühlung des Gussstücks verwenden, Kühlmittel zum Kühlen des Gussstücks vor. Das Kühlmittel wir direkt an einen verfestigten Bereich des Gussstücks geliefert, um den flüssigen Bereich des Gussstücks, z.B. in einer zurückziehbaren Gießform, zu kühlen.
  • Die Zufuhr von Kühlmittel wird die Temperatur des Gussstücks senken. Die reduzierte Temperatur wird in dem Gussstück einen Temperaturgradienten erzeugen, wobei die niedrigere Temperatur dort auftritt, wo das Kühlmittel angewandt wird. Der Temperaturgradient wird dann von dem flüssigen (eine höhere Temperatur aufweisenden) Bereich des Gussstücks Wärme abführen. Das Abführen von Wärme wird die Kühlung beschleunigen und die Erstarrung des flüssigen oberen Bereichs des Gussstücks fördern. Das beschleunigte Küh len und die geförderte Erstarrung des flüssigen oberen Bereichs wird den Anteil an eingeschlossener Luft in dem Gussstück reduzieren und so ein dichtes Gussstück hervorbringen, das wenige eingeschlossene Luftblasen enthält. Darüber hinaus wird die beschleunigte Kühlung und die verbesserten Erstarrungsraten des flüssigen oberen Bereichs die mikrostrukturellen Eigenschaften des Gussstücks verbessern, indem die Korngröße reduziert wird, wobei eine im Wesentlichen seigerungsfreie Mikrostruktur und eine homogene Mikrostruktur hervorgebracht wird.
  • Die erfindungsgemäß verwirklichte Kühlung des Gussstücks ist in der Lage, ein Gussstück hervorbringen, das für viele Metalle und Legierungen, zu denen, jedoch ohne darauf beschränken zu wollen, auf Nickel (Ni) und Kobalt (Co) basierende Superlegierungen, Eisen- (Fe) und Titan- (Ti) -legierungen gehören, die häufig in Turbinenkomponentenanwendungen eingesetzt werden, eine homogene, feinkörnige Mikrostruktur ermöglicht. Die Gussstücke, die mittels des erfindungsgemäß verwirklichte Kühlens des Gussstücks gebildet werden, können aufgrund ihrer homogenen, feinkörnigen Mikrostruktur mit reduzierten Verarbeitungs- und Wärmebehandlungsschritten zu einem Endprodukt oder einem Strang verarbeitet, oder direkt geschmiedet werden. Das Kühlen des Gussstücks kann dementsprechend dazu verwendet werden, um hohe Qualitätsschmiedestücke hervorzubringen, die sich in vielen Anwendungen einsetzen lassen, z.B., jedoch ohne darauf beschränken zu wollen, Anwendungen rotierender Komponenten, beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränkt zu sein, Scheiben, Rotoren, Blätter, Leitschaufeln, Räder, Turbinenschaufeln, Ringe, Wellen, Lauf räder und sonstige derartige Elemente, und andere Turbinenkomponentenanwendungen. Die Beschreibung der Erfindung bezieht sich auf aus Gussstücken gefertigte Turbinenkomponenten, jedoch steht diese Anwendung lediglich exemplarisch für die Anwendungen innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung.
  • Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen veranschaulicht 1 eine halbschematische, teilweise geschnittene Draufsicht eines exemplarischen Gießsystems 3, das eine Kühlung eines Gussstücks durch ein erfindungsgemäß verwirklichtes Kühlsystem 300 aufweist. 24 veranschaulichen Einzelheiten von Merkmalen, die in 1 gezeigt sind. Zunächst wird die Kühlung des Gussstücks mittels des Elektroschlackeumschmelzsystems 1 beschrieben, gefolgt von einer Beschreibung des Sprühkompaktierungssystems 2, um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern.
  • 1 veranschaulicht schematisch ein Kühlung des Gussstücks verwendendes erfindungsgemäß verwirklichtes Gießsystem 3 zur Herstellung eines Gussstücks 145. In 1 wird das Metall für das Reinmetall-Sprühkompaktierungssystem 3 und dessen zugeordnete Reinmetall-Sprühkompaktierungsprozesse durch ein Elektroschlackeumschmelzsystem 1 bereitgestellt. Das Reinmetall wird in ein Sprühkompaktierungssystem 2 eingespeist. Das Elektroschlackeumschmelzsystem 1 und das Sprühkompaktierungssystem 2 wirken zusammen, um ein Reinmetall-Sprühkompaktierungssystem 3 zu bilden, das wiederum die erfindungsgemäß verwirklichte Kühlung des Gussstücks bildet.
  • Das Elektroschlackeumschmelzsystem 1 bringt eine Abschmelzelektrode 24 von zu veredelnden Metall direkt in ein Elektroschlackeumschmelzsystem 1 ein und veredelt die Abschmelzelektrode 24, um eine saubere, veredelte Metallschmelze 46 (im Folgenden "Reinmetall") hervorzubringen. Die Metallquelle für das Die Metallquelle für das Elektroschlackeumschmelzsystem 1 als eine Abschmelzelektrode 24 dient lediglich als Beispiel, und der Schutzumfang der Erfindung schließt ein, jedoch ohne darauf beschränken zu wollen, dass das Quellenmetall einen Gussblock, eine Metallschmelze, ein Metallpulver und Kombinationen davon beinhaltet. Die Beschreibung der Erfindung bezieht sich auf eine Abschmelzelektrode, jedoch ist diese lediglich exemplarisch und soll die Erfindung in keiner Weise beschränken. Das Reinmetall 46 wird aufgenommen und innerhalb einer Kaltherdvorrichtung 40, gehalten die unterhalb der Elektroschlackeumschmelzvorrichtung 1 angebracht ist. Das Reinmetall 46 wird aus der Kaltherdvorrichtung 40 über eine Kaltfinger-Öffnungsstruktur 80 entlassen, die unterhalb der Kaltherdvorrichtung 40 angeordnet und daran befestigt ist.
  • Das Elektroschlackeumschmelzsystem 1 ist in der Lage, einen im Wesentlichen ununterbrochenen Betrieb hinsichtlich der Lieferung von Reinmetall 46 zu ermöglichen, falls die Rate der Elektroschlackeumschmelzung von Metall und die Geschwindigkeit der Lieferung von veredeltem Metall zu einer Kaltherdvorrichtung 40 angenähert mit der Rate übereinstimmt, mit der schmelzflüssiges Metall 46 durch eine Öffnung 81 der Kaltfinger-Öffnungsstruktur 80 aus der Kaltherdvorrichtung 40 abgelassen wird. Auf diese Weise kann der Reinmetall-Sprühkompaktierungsprozess für eine längere Zeitraum ununterbrochen laufen, und daher eine große Menge von Metall verarbeiten. Alternativ kann der Reinmetall-Sprühkompaktierungsprozess durch einen intermittierenden Betriebsmodus eines oder mehrerer der Merkmale des Reinmetall-Sprühkompaktierungssystems 3 intermittierend betrieben werden.
  • Wenn das Reinmetall 46 das Elektroschlackeumschmelzsystem 1 durch die Kaltfinger-Öffnungsstruktur 80 verlässt, tritt es in das Sprühkompaktierungssystem 2 ein. Dann kann das Reinmetall 46 weiter verarbeitet werden, um einen verhältnismäßig großen Gussblock aus veredeltem Metall hervorzubringen. Alternativ kann das Reinmetall 46 weiter verarbeitet werden, um kleinere Gussstücke, Gussblöcke und Gegenstände hervorbringen oder zu Gussgegenständen fortlaufender Natur geformt zu werden. Der Reinmetall-Sprühkompaktierungsprozess eliminiert effizient viele der oben beschriebenen Verarbeitungsschritte, die bisher erforderlich waren, um ein Metallgussstück hervorzubringen, das eine gewünschten Satz von Materialcharakteristiken und Eigenschaften aufweist.
  • In 1 ist eine Vertikalbewegungssteuerungsvorrichtung 10 schematisch veranschaulicht. Die Vertikalbewegungssteuerungsvorrichtung 10 weist einen Behälter 12 auf, der an einem senkrechten Träger 14 befestigt ist, der eine (nicht dargestellte) Antriebseinrichtung enthält, z.B. jedoch ohne darauf beschränken zu wollen einen Elektromotor oder einen sonstigen Mechanismus. Die Antriebseinrichtung ist dazu eingerichtet, ein Schraubenelement 16 in Drehung zu versetzen. Eine Gussblockträgerkonstruktion 20 weist ein Element auf, z.B. jedoch ohne darauf beschränken zu wollen, ein Element 22, das sich an einem Ende mit dem Schraubenelement 16 in Gewindeeingriff befindet. Das Element 22 trägt die Abschmelzelektrode 24 an ihrem anderen Ende durch eine geeignete Verbindung, beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränkt zu sein, eine Bolzenschraube 26.
  • Eine Elektroschlackeumschmelzvorrichtung 30 weist einen Behälter 32 auf, der durch ein geeignetes Kühlmittel gekühlt wird, beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränkt zu sein, ist dies Wasser. Der Behälter 32 enthält eine geschmolzene Schlacke 34, in der ein Überschuss der Schlacke 34 als die festen Schlackekörnchen 36 veranschaulicht ist. Die in dem Reinmetall-Sprühkompaktierungsprozess verwendete Schlackezusammensetzung wird mit dem zu verarbeitenden Metall variieren. Entlang von Innenflächen einer inneren Wand 82 des Behälters 32 kann aufgrund des kühlenden Einflusses des Kühlmittels, das gegen die Außenseite der inneren Wand 82 strömt, eine Schlackenschale 75 ausgebildet werden, wie es weiter unten beschrieben ist.
  • Unterhalb der Elektroschlackeumschmelzvorrichtung 30 ist eine Kaltherdvorrichtung 40 montiert (13). Die Kaltherdvorrichtung 40 weist einen Herd 42 auf, der durch ein geeignetes Kühlmittel, z.B. Wasser, gekühlt wird. Der Herd 42 enthält eine Schale 44 aus verfestigtem veredelten Metall und einen Körper aus veredeltem flüssigem Metall 46. Der Behälter 32 kann mit dem Herd 42 einstückig ausgebildet sein. Alternativ können der Behälter 32 und der Herd 42 als gesonderte Einheiten ausgebildet sein, die verbunden werden, um das Elektroschlackeumschmelzsystem 1 zu bilden.
  • In der Kaltfinger-Öffnungsstruktur 80 ist eine anhand 3 und 4 beschriebene Bodenöffnung 81 des Elektroschlackeumschmelzsystems 1 ausgebildet. Ein Saubermetall 46, das durch das Elektroschlackeumschmelzsystem 1 veredelt ist, um im Wesentlichen frei von Oxiden, Sulfiden und anderen Verunreinigungen zu sein, kann das Elektroschlackeumschmelzsystem 1 durchqueren und aus der Öffnung 81 der Kaltfinger-Öffnungsstruktur 80 strömen.
  • Eine Stromversorgungseinheit 70 kann dem Elektroschlackeumschmelzsystem 1 den für die Veredelung erforderlichen elektrischen Strom zuführen. Die Stromversorgungseinheit 70 kann einen Stromversorgungs- und steuerungsmechanismus 74 umfassen. Ein elektrischer Leiter 76, der in der Lage ist, dem Element 22 Strom zuzuführen und wiederum der Abschmelzelektrode 24 Strom zuzuführen, verbindet die Stromversorgungseinheit 70 mit dem Element 22. Ein Leiter 78 ist mit dem Behälter 32 verbunden, um für die Stromversorgungseinheit 70 des Elektroschlackeumschmelzsystems 1 einen geschlossenen Stromkreis zu bilden.
  • 2 zeigt eine teilweise geschnittene detaillierte Darstellung der Elektroschlackeumschmelzvorrichtung 30 und der Kaltherdvorrichtung 40, in der die Elektroschlackeumschmelzvorrichtung 30 einen oberen Bereich des Behälters 32 definiert, und die Kaltherdvorrichtung 40 einen unteren Abschnitt 42 des Behälters 32 definiert. Der Behälter 32 basiert im Allgemeinen auf einem doppelwandigen Behälter, der eine innere Wand 82 und äußere Wand 84 umfasst. Ein Kühlmittel 86 wie Wasser, jedoch ohne darauf beschränken zu wollen, ist zwischen der inneren Wand 82 und der äußeren Wand 84 vorgesehen. Das Kühlmittel 86 kann von einer Zufuhrquelle 98 (3) zu einem zwischen der inneren Wand 82 und der äußeren Wand 84 definierten Strömungskanal und durch diesen sowie durch (in den Zeichnungen nicht dargestellte) herkömmliche Einlässe und Auslässe hindurch strömen. Das die Wand 82 der Kaltherdvorrichtung 40 kühlende Kühlwasser 86 sorgt für Kühlung der Elektroschlackeumschmelzvorrichtung 30 und der Kaltherdvorrichtung 40, um zu bewirken, dass sich die Schale 44 auf der inneren Oberfläche der Kaltherdvorrichtung 40 bildet. Das Kühlmittel 86 ist für den Betrieb des Elektroschlackeumschmelzsystems 1, des Reinmetall-Sprühkompaktierungssystems 3 oder der Elektroschlackeumschmelzvorrichtung 30 nicht unbedingt erforderlich. Die Kühlung kann sicherstellen, dass die Schmelze 46 die innere Wand 82 nicht berührt und angreift, was zu Auslösungen aus der Wand 82 und Verunreinigen der Schmelze 46 führen könnte.
  • In 2 weist die Kaltherdvorrichtung 40 ferner eine äußere Wand 88 auf, die möglicherweise mit Flansch versehene rohrförmige Abschnitte 90 und 92 aufweist. Zwei mit Flansch versehene rohrförmige Abschnitte 90 und 92 sind in dem unterem Abschnitt von 2 veranschaulicht. Die äußere Wand 88 wirkt mit dem Sprühkompaktierungssystem 2 zusammen, um eine kontrollierte atmosphärische Umgebung 140 zu bilden, die hier weiter unten beschrieben ist.
  • Die Kaltherdvorrichtung 40 weist eine Kaltfinger-Öffnungsstruktur 80 auf, die in Einzelheiten in 3 und 4 gezeigt ist. Die Kaltfinger-Öffnungsstruktur 80 ist in 3 in Beziehung mit der Kaltherdvorrichtung 40 und einem Strom 56 von flüssiger Schmelze 46 veranschaulicht, die die Kaltherdvorrichtung 40 durch die Kaltfinger-Öffnungsstruktur 80 verlässt. Die Kaltfinger-Öffnungsstruktur 80 ist (in 2 und 3) in strukturellem Zusammenwirken mit der Festmetallschale 44 und der Schmelze 46 veranschaulicht. 4 veranschaulicht die Kaltfinger-Öffnungsstruktur 80 ohne Schmelze und Festmetallschale, um Einzelheiten der Kaltfinger-Öffnungsstruktur 80 zu zeigen.
  • Die Kaltfinger-Öffnungsstruktur 80 weist die Öffnung 81 auf, aus der die verarbeitete Schmelze 46 in Form eines Stroms 56 entströmen kann. Die Kaltfinger-Öffnungsstruktur 80 ist mit der Kaltherdvorrichtung 40 und der Kaltherdvor richtung 30 verbunden. Folglich ermöglicht es die Kaltherdvorrichtung 40, dass die Schalen 44 und 83 durch verarbeitete und im Allgemeinen verunreinigungsfreie Legierung gebildet wird, indem diese die Wände der Kaltherdvorrichtung 40 berührt. Die Schalen 44 und 83 dienen auf diese Weise als ein Behälter für die Schmelze 46. Darüber hinaus ist die an der Kaltfinger-Öffnungsstruktur 80 ausgebildete Schale 83 (3) hinsichtlich ihrer Dicke steuerbar und wird gewöhnlich mit einer geringeren Dicke ausgebildet als die Schale 44. Die dickere Schale 44 berührt die Kaltherdvorrichtung 40, und die dünnere Schale 83 berührt die Kaltfinger-Öffnungsstruktur 80, und die Schalen 44 und 83 stehen miteinander in Berührung, um eine im Wesentlichen ununterbrochene Schale zu bilden.
  • Der Schale 83 kann eine geregelte/gesteuerte Menge von Wärme zugeführt und thermisch auf den Schmelzekörper 46 übertragen werden. Die Wärme wird von um die Kaltherdvorrichtung angeordneten Induktionsheizspiralen 85 geliefert. Eine Induktionsheizspirale 85 kann auf einer gekühlten Induktionsheizspirale basieren, in die von einer Zufuhrquelle 87 aus ein Strom eines geeigneten Kühlmittels, z.B. Wasser fließt. Die Energie für die Induktionsheizung wird von einer Spannungsquelle 89 geliefert, die in 3 schematisch veranschaulicht ist. Die Konstruktion der Kaltfinger-Öffnungsstruktur 80 erlaubt ein Erhitzen, indem Induktionsenergie die Kaltfinger-Öffnungsstruktur 80 durchdringt und die Schmelze 46 und Schale 83 erwärmt und die Öffnung 81 offen hält, so dass der Strom 56 aus der Öffnung 81 strömen kann. Falls der Kaltfinger-Öffnungsstruktur 80 keine Heizenergie zugeführt wird, kann sich die Öffnung durch Erstarrung des Stroms 56 von Schmelze 46 möglicherweise schließen. Das Erhitzen hängt von jedem der Finger der Kaltfin ger-Öffnungsstruktur 80 ab, die von den angrenzenden Fingern beispielsweise durch einen Luft- oder Gasspalt oder durch ein geeignetes isolierendes Material isoliert sind.
  • Die Kaltfinger-Öffnungsstruktur 80 ist in 4 veranschaulicht, wobei die beiden Schalen 44 und 83 und die Schmelze 46 aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen sind. Ein einzelner Kaltfinger 97 ist von jedem angrenzenden Finger getrennt, z.B. ein Finger 92 durch einen Spalt 94. Der Spalt 94 kann mit einem isolierenden Material ausgestattet und gefüllt sein, beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränkt zu sein, ein Keramikmaterial oder ein isolierendes Gas. Auf diese Weise entweicht die (nicht dargestellte) innerhalb der Kaltfinger-Öffnungsstruktur 80 angeordnete Schmelze 46 nicht durch die Spalte, da die Schale 83 eine Brücke über die kalten Finger bildet und verhindert, dass Schmelze 46 durch die Spalte gelangt. Jeder Spalt erstreckt sich zum unteren Ende der Kaltfinger-Öffnungsstruktur 80, wie es in 4 anhand eines mit einer Betrachtersichtlinie fluchtend ausgerichteten Spalts 99 veranschaulicht ist. Die Spalte können mit einer Breite ausgestattet sein, die in einem Bereich von etwa 0,5 mm (20 tausendstel Zoll) bis etwa 1,3 mm (50 tausendstel Zoll) liegt, die ausreicht, um eine isolierende Trennung entsprechender benachbarter Finger zu schaffen.
  • Der einzelne Finger kann mit einem Kühlmittel beliefert werden, z.B. Wasser, indem aus einer (nicht gezeigten) geeigneten Kühlfluidquelle Kühlmittel in eine Leitung 96 eingespeist wird. Das Kühlmittel wird anschließend um einen Verteiler 98 herum und durch diesen hindurch zu den einzelnen Kühlrohren, z.B. dem Kühlrohr 100, geleitet. Das das Kühlrohr 100 verlassende Kühlmittel strömt zwischen einer Außenfläche des Kühlrohrs 100 und einer Innenfläche eines Fingers. Das Kühlmittel wird anschließend in einem Verteiler 102 gesammelt und durch ein Wasserauslassrohr 104 aus der Kaltfinger-Öffnungsstruktur 80 entlassen. Diese einzelne Kaltfinger-Wasserzufuhrrohranordnung ermöglicht eine Kühlung der Kaltfinger-Öffnungsstruktur 80 als Ganzes.
  • Die Intensität der Erhitzung oder Kühlung, die den Schalen 44 und 83 sowie der Schmelze 46 durch die Kaltfinger-Öffnungsstruktur 80 vermittelt wird, kann gesteuert werden, um den Durchlass von Schmelze 46 durch die Öffnung 81 als einen Strom 56 zu steuern. Die Steuerung der Erwärmung oder Kühlung wird durchgeführt, indem die elektrische Strommenge und die Menge des Kühlmittels gesteuert wird, die in den Induktionsspulen 85 zu der Kaltfinger-Öffnungsstruktur 80 und durch diese hindurchgeleitet wird. Die gesteuerte Erwärmung oder Kühlung kann die Dicke der Schalen 44 und 83 vergrößern oder verkleinern, und um die Öffnung 81 zu öffnen oder zu schließen, oder den Durchlass des durch die Öffnung 81 gelangenden Stroms 56 zu reduzieren oder zu vergrößern. Eine größere oder kleinere Menge an Schmelze 46 kann durch die Kaltfinger-Öffnungsstruktur 80 in die Öffnung 81 gelangen, um den Strom 56 zu definieren, indem die Dicke der Schalen 44 und 81 vergrößert oder verkleinert wird. Die Strömung des Stroms 56 kann in einem erwünschten Gleichgewicht gehalten werden, indem die Kühlwasser- und Heizstromleistung, die zu der Induktionsheizspirale 85 und durch diese hindurch gelangt, gesteuert wird, um begleitend mit der Steuerung der Dicke der Schalen 44 und 83 die Öffnung 81 bei einer vorgegebenen Durchlasskanalgröße zu halten.
  • Der Betrieb des Elektroschlackeumschmelzsystems 1 des Reinmetall-Sprühkompaktierungssystems 3 wird nun allgemein anhand der Figuren beschrieben. Das Elektroschlackeumschmelzsystem 1 des Reinmetall-Sprühkompaktierungssystems 3 ist in der Lage, Gussblöcke zu veredeln, die möglicherweise Defekte und Verunreinigungen aufweisen oder bis zu einem gewissen Grade veredelt sind. Eine Abschmelzelektrode 24 wird durch das Elektroschlackeumschmelzsystem 1 abgeschmolzen. Die Abschmelzelektrode 24 ist in Kontakt mit in dem Elektroschlackeumschmelzsystem vorhandener geschmolzener Schlacke in dem Elektroschlackeumschmelzsystem 1 montierte. Dem Elektroschlackeumschmelzsystem und dem Gussblock wird elektrischer Strom zugeführt. Der Strom bewirkt ein Schmelzen des Gussblocks an einer Fläche, wo dieser die geschmolzene Schlacke berührt, und bewirkt die Bildung von geschmolzenen Tropfen von Metall. Die geschmolzenen Tropfen fallen durch die geschmolzene Schlacke. Die durch die geschmolzene Schlacke gelangten Tropfen werden in der Kaltherdvorrichtung 40 unterhalb der Elektroschlackeumschmelzvorrichtung 30 als ein Körper aus veredelter Schmelze gesammelt. Von der Abschmelzelektrode 24 stammende Oxide, Sulfide, Verunreinigungen und andere Fremdstoffe werden, während sich die Tropfen auf der Fläche des Gussblocks bilden, entfernt und gelangen durch die geschmolzene Schlacke. Die geschmolzenen Tropfen werden an der Öffnung 81 in der Kaltfinger-Öffnungsstruktur 80 von dem Elektroschlackeumschmelzsystem 1 als ein Strom 56 abgeführt. Der Strom 56, der das Elektroschlackeumschmelzsystem 1 des Erzeugnisse formenden Reinmetall-Sprühkompaktierungssystems 3 verlässt, ist eine veredelte Schmelze, die im Wesentlichen frei von Oxiden, Sulfiden, Fremdstoffen und anderen Verunreinigungen ist.
  • Die Rate, mit der der Metallstrom 56 die Kaltfinger-Öffnungsstruktur 80 verlässt, kann ferner durch Steuerung eines hydrostatischen Kopfes der Schmelze 46 oberhalb der Öffnung 81 gesteuert werden. Die Schmelze 46 und Schlacke 44 und 83, die sich oberhalb der Öffnung 81 der Kaltfinger-Öffnungsstruktur 80 erstrecken, definieren den hydrostatischen Kopf. Falls ein Reinmetall-Sprühkompaktierungssystem 3 mit einem Elektroschlackeumschmelzsystem 1 mit einem vorgegebenen konstanten hydrostatischen Kopf und einer konstant dimensionierten Öffnung 81 betrieben wird, lässt sich eine im Wesentlichen konstante Strömungsrate der Schmelze errichten.
  • Typischerweise ist eine gleichmäßige Energiequelle gewünscht, so dass die Schmelzrate im Wesentlichen gleich der der Abführrate des Stroms 56 ist, der das Reinmetall-Sprühkompaktierungssystem 3 verlässt. Allerdings lässt sich der elektrische Strom, mit dem das Reinmetall-Sprühkompaktierungssystem 3 betrieben wird, einstellen, um größere oder kleinere Mengen an Schmelze 46 und Schlacke 44 und 83 oberhalb der Öffnung 81 zu liefern. Die Menge an Schmelze 46 und Schlacke 44 und 83 oberhalb der Öffnung 81 ergibt sich aus der Leistung die den Gussblock schmilzt und der Kühlung des Elektroschlackeumschmelzsystems 1, das die Schalen erzeugt. Durch Einstellen der angelegten Spannung lässt sich der Durchfluss durch die Öffnung 81 steuern.
  • Außerdem kann der Kontakt der Abschmelzelektrode 24 mit der Oberseite der geschmolzenen Schlacke 34 aufrecht erhalten werden, um einen gleichmäßigen Betrieb 1 zu errichten. Eine Absenkrate der Abschmelzelektrode 24 in die Schmelze 46 lässt sich geeignet einstellen, so dass der Kontakt der Abschmelzelektrode 24 mit der Oberseite der ge schmolzenen Schlacke 34 im Dauerbetrieb gewährleistet ist. Somit kann in dem Reinmetall-Sprühkompaktierungssystem 3 ein konstanter Austrag an Strom 56 aufrecht erhalten werden. Der Strom 56 von Metall der in dem Elektroschlackeumschmelzsystem 1 des Reinmetall-Sprühkompaktierungssystems 3 gebildet wird, verlässt das Elektroschlackeumschmelzsystem 1 und wird einem Sprühkompaktierungssystem 2 zugeführt. Das Sprühkompaktierungssystem 2 ist in 1 in Zusammenwirken mit dem Elektroschlackeumschmelzsystem 1 schematisch veranschaulicht.
  • Das Sprühkompaktierungssystem 2, das zum Formen von Erzeugnisse dient, weist eine Zerteilungsvorrichtung 134 auf, die positioniert ist, um den Strom 56 von dem Elektroschlackeumschmelzsystem 1 des Reinmetall-Sprühkompaktierungssystems 3 aufzunehmen. Die Zerteilungsvorrichtung 134 wandelt den Strom 56 in eine Anzahl geschmolzener Metalltropfen 138 um. Der Strom 56 wird der Zerteilungsvorrichtung 134 in einer kontrollierten atmosphärischen Umgebung 140 zugeführt, die geeignet ist, um eine wesentliche und unerwünschte Oxidation der Tropfen 138 zu verhindern. Die kontrollierte atmosphärische Umgebung 140 kann jedes Gas oder jede Kombination von Gasen enthalten, die nicht mit dem Metall des Stroms 56 reagieren. Falls der Strom 56 beispielsweise Aluminium oder Magnesium enthält, präsentiert die kontrollierte atmosphärische Umgebung 140 eine Umgebung, die verhindert, dass die Tropfen 138 ein Brandrisiko bilden. Typischerweise ist jedes Edelgas oder Stickstoff zum Einsatz in der kontrollierten atmosphärischen Umgebung 140 geeignet, da diese Gase mit den meisten Metallen und Legierungen innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung im Wesentlichen nicht reaktiv sind. Beispielsweise kann Stickstoff, der ein kostengünstiges Gas ist, in der kontrollier ten atmosphärischen Umgebung 140 enthalten sein, mit Ausnahme für Metalle und Legierungen, die gegenüber übermäßiger Nitrierung empfindlich sind. Ferner falls das Metall auf Kupfer basiert, kann die kontrollierte atmosphärische Umgebung 140 Stickstoff, Argon und Mischungen davon aufweisen. Falls das Metall auf Nickel oder Stahl basiert, kann die kontrollierte atmosphärische Umgebung 140 Stickstoff oder Argon, oder Mischungen davon aufweisen.
  • Die Zerteilungsvorrichtung 134 kann auf jeder zum Umwandeln des Stroms 56 in Tropfen 138 geeigneten Einrichtung basieren. Beispielsweise kann die Zerteilungsvorrichtung 134 auf einer Gassprüheinrichtung basieren, die den Strom 56 mit einem oder mehreren Sprühstrahlen 142 umgibt. Der Gasstrom der Strahlen 142, die auf den Strom auftreffen, lässt sich steuern, so dass die Größe und Geschwindigkeit der Tropfen 138 gesteuert werden kann. Eine weitere innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegende Zerstäubungseinrichtung umfasst ein unter hohem Druck stehendes Zerstäubergas in Form eines Stroms des Gases, das verwendet wird, um die kontrollierte atmosphärische Umgebung 140 zu erzeugen. Der Strom von Gas kontrollierter atmosphärischer Umgebung 140 kann auf den Metallstrom 56 auftreffen, um den Metallstrom 56 in Tropfen 138 umzuwandeln. Zu anderen exemplarischen Arten von Stromzerteilung gehören magneto-hydrodynamische Feinzerstäubung, bei der der Strom 56 durch einen schmalen Spalt zwischen zwei mit einer Gleichspannungsquelle verbundenen Elektroden strömt, mit einem senkrecht zu dem elektrischen Feld angeordneten Magneten, und Stromzerteilungsgeräte mechanischer Bauart.
  • Die Tropfen 138 werden (1) aus der Zerteilungsvorrichtung 134 nach unten verbreitet, um eine im Allgemei nen divergierende Konusgestalt zu bilden. Die Tropfen 138 durchqueren einen Kühlbereich 144, der durch den Abstand zwischen der Zerteilungsvorrichtung 134 und der Oberseite 150 des Metallgussstücks definiert ist, das durch die Gießform 146 getragen wird. Die Länge des Kühlbereichs 144 ist ausreichend, um die Verfestigung eines Volumenfraktionsbereichs eines Tropfens in dem Zeitraum zu ermöglichen, in dem der Tropfen den Kühlbereich 144 durchquert und auf der Oberseite 150 des Metallgussstücks auftrifft. Der Bereich des Tropfens 138, der sich verfestigt (nachstehend als der "feste Volumenfraktionsbereich" bezeichnet) ist ausreichend groß, um ein grobes dendritisches Wachstum in der Gießform 146 bis zu einem Viskositätswendepunkt zu verhindern, bei dem die Flüssigkeitsstromeigenschaften in der Gießform im Wesentlichen verloren sind.
  • Die teilweise geschmolzenen/teilweise verfestigten Metalltropfen (im Folgenden als "halbfeste Tropfen" bezeichnet) sammeln sich in der Gießform 146. Die Gießform kann eine zurückziehbare Basis 246 aufweisen, die von den Seitenwänden der Gießform 146 zurückgezogen werden kann, um eine zurückziehbare Gießform zu definieren. Die zurückziehbare Basis lässt sich mit einer Welle 241 verbinden, die dazu dient, die Basis in Richtung von Pfeil 242 von den Seitenwänden weg zu bewegen. Darüber hinaus kann die Welle 241 die zurückziehbare Basis 246 in Richtung von Pfeil 243 drehen, um die größten Abschnitte der Gießform, wie weiter unten beschrieben, einem Kühlsystem zuzuführen. Die halbfesten Tropfen verhalten sich wie eine Flüssigkeit falls der feste Volumenfraktionsbereich kleiner ist als ein Viskositätswendepunkt, und die halbfesten Tropfen weisen ein ausreichendes Fließvermögen auf, um sich der Gestalt der Gießform anzupassen. Im Allgemeinen ist eine einen Viskosi tätswendepunkt festlegende obere Grenze des festen Volumenfraktionsbereichs kleiner als etwa 40% des Volumens. Ein exemplarischer fester Volumenfraktionsbereich liegt in einem Bereich von etwa 5% bis etwa 40% und ein fester Volumenfraktionsbereich in einem Bereich von etwa 15% bis etwa 30% des Volumens beeinflusst den Viskositätswendepunkt nicht ungünstig.
  • Der Sprühstrahl von Tropfen 138 erzeugt einen flüssigen, oberen Bereich 148, der in der Nähe der Oberfläche des Gussstücks 145 in der Gießform 146 angeordnet ist. Die Tiefe des flüssigen, oberen Bereichs 148 ist von der Kühlung des flüssigen Bereichs, dessen Erstarrungsrate und vielfältigen Faktoren des Reinmetall-Sprühkompaktierungssystems 3 abhängig, beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränkt zu sein, von der Geschwindigkeit des Feinzerstäubungsgases, der Tropfengeschwindigkeit, der Länge des Kühlbereichs 144, der Stromtemperatur und der Tropfengröße. Der flüssige, obere Bereich 148 kann mit einer Tiefe in der Gießform 146 in einem Bereich von etwa 0,13–25,4 mm (0,005 Zoll bis etwa 1,0 Zoll) erzeugt werden. Ein exemplarischer flüssiger, oberer Bereich 148 gemäß dem Schutzbereich der Erfindung weist eine Tiefe in der Gießform in einem Bereich von etwa 6,2–12,7 mm (0,25 bis etwa 0,50 Zoll) auf. Im Allgemeinen sollte der flüssige, obere Bereich 148 in der Gießform 146 nicht größer sein als eine Region des Gussstück, in der das Metall überwiegend flüssige Eigenschaften aufweist. Typischerweise minimiert eine beschleunigte Erstarrung des flüssigen Bereichs Gaseinschluss und resultierende Poren in dem Gussstück.
  • Das Gießsystem 3 nach 5 (und 6, wie weiter unten beschrieben) weist Merkmale auf, wie sie oben be schrieben sind. Die zusätzlichen Merkmale dieser Figur werden nachstehend beschrieben, während die Beschreibung der gemeinsamen Merkmale im vorausgehenden dargelegt ist. Ein erfindungsgemäß verwirklichtes Kühlsystem 300 (1) ist in der Lage, dem Gussstück 145 Wärme zu entziehen. Das Kühlsystem 300 enthält eine Quelle für Kühlmittel 301. Das Kühlmittel kann auf jedem geeigneten Kühlmittel basieren, beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränkt zu sein, ein inertes Kühlgas sein, das mit dem Material des Gussstücks nicht reagieren wird. Zu exemplarischen Kühlgasen innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung zählen Argon, Stickstoff und Helium. In dem Kühlsystem 300 wird das Kühlmittel auf das Gussstück 145 selbst geleitet, während das Gussstück 145 aus der Gießform 146 entnommen wird. Das Kühlmittel verlässt das Kühlsystem 300 nach dem Durchströmen einer von der Kühlmittelversorgung 301 ausgehenden Kühlmittelleitung 302 in Form eines Sprühstrahls 303.
  • Das Kühlmittelsystem 400 weist eine Quelle für Kühlmittel 401 auf. Das Kühlmittel kann auf jedem geeigneten Kühlmittel basieren, beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränkt zu sein, ein inertes Kühlgas sein, das mit dem Material des Gussstücks nicht reagieren wird. Zu exemplarischen Kühlgasen innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung zählen Argon, Stickstoff und Helium. In dem Kühlsystem 400 wird das Kühlmittel auf das Gussstück 145 selbst geleitet, während das Gussstück 145 aus der Gießform 146 entnommen wird. Das Kühlmittel verlässt das Kühlsystem 400 nach dem Durchströmen einer von der Kühlmittelversorgung 401 ausgehenden Kühlmittelleitung 402 in Form eines Sprühstrahls 403.
  • Jedes entsprechende Kühlsystem 300 und 400 kann unabhängig voneinander eingesetzt werden. Falls alternativ beide Kühlsysteme 300 und 400 vorgesehen sind, können beide Kühlsysteme 300 und 400 dafür eingesetzt werden, um das Gussstück 145 und die Gießform 146 gemeinsam zu Kühlen. Auf diese Weise wird die Kühlung des flüssigen Bereichs des Gussstücks 145 verbessert.
  • Darüber hinaus kann ein Kühlung des Gussstücks verwendendes Gießsystem ein Kühlsystem 500 aufweisen, das Kühlmittel zu dem Gussstück 145 liefert, wobei, wie in 6 veranschaulicht, eine einstückige Gießform 146 der nicht zurückziehbaren Bauart übrig bleibt. Das Kühlmittelsystem 500 weist eine Quelle für Kühlmittel 501 auf. Das Kühlmittel kann auf jedem geeigneten Kühlmittel basieren, beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränkt zu sein, ein inertes Kühlgas sein, das mit dem Material des Gussstücks nicht reagieren wird. Zu exemplarischen Kühlgasen innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung zählen Argon, Stickstoff und Helium. In dem Kühlsystem 500 wird das Kühlmittel durch wenigstens eine in der Gießform 146 ausgebildete Öffnung 510 auf das Gussstück 145 selbst geleitet. Die Figur veranschaulicht mehrere Öffnungen, jedoch ist diese Darstellung mit Blick auf die Erfindung lediglich exemplarisch. Das Kühlmittel verlässt das Kühlsystem 300 nach dem Durchströmen einer von der Kühlmittelversorgung 501 ausgehenden Kühlmittelleitung 502 in Form eines Sprühstrahls 503 und trifft nach dem Durchqueren der Öffnungen 510 auf dem Gussstück 145 auf. Die Öffnungen 510 können mit einer beliebigen geeigneten Gestalt und Größe ausgebildet sein, die ausreicht, um einen Durchfluss des Kühlmittels zu dem Gussstück 145 zu ermöglichen.
  • Jedes der oben beschriebenen Kühlsysteme bewirkt die Kühlung des flüssigen oberen Bereichs 148 des Gussstücks 145 durch Wärmeleitung. Die Kühlsysteme 400 und 500 stellen außerdem ebenfalls Kühlung des flüssigen Bereichs des Gussstücks 145 durch Wärmeleitung durch das Gussstück 145 und durch die Wände der Gießform 146 zur Verfügung. Der flüssige, obere Bereich 148 aufgrund der ihm eigenen Turbulenzen in der Lage, auch einen Temperaturgradienten in dem Gussstück 145 reduzieren.
  • Die Gießform 146 kann aus einem beliebigen geeigneten Material für Gussstückanwendungen gefertigt sein, beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränken zu wollen, Graphit, Gusseisen und Kupfer. Graphit ist ein geeignetes Material für die Gießform 146, da es sich verhältnismäßig problemlos bearbeiten lässt und eine befriedigende Wärmeleitfähigkeit für eine Wärmeabfuhr mittels der erfindungsgemäß verwirklichten Kühlsysteme aufweist. Während die Gießform 146 mit halbfesten Tropfen 138 gefüllt wird, bewegt sich ihre Oberseite 150 näher an die Zerteilungsvorrichtung 134 heran, und der Kühlbereich 144 wird reduziert. Zumindest entweder die Zerteilungsvorrichtung 134 oder die Gießform 146 können an einer verschiebbaren Halterung befestigt sein und mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit voneinander getrennt werden, um eine konstante Abmessung des Kühlbereichs 144 aufrecht zu erhalten. Auf diese Weise wird ein im Wesentlichen konsistenter fester Volumenfraktionsbereich in dem Tropfen 138 gebildet. In dem Sprühkompaktierungssystem 2 können Leitbleche 152 (7) vorgesehen sein, um die kontrollierte atmosphärische Umgebung 140 von dem Elektroschlackeumschmelzsystem 1 hin zu der Gießform 146 zu erweitern. Die Leitbleche 152 können eine Oxidation der teilweise geschmolzenen Metalltropfen 138 verhindern und bewahren das Gas 140 der kontrollierten atmosphärischen Umgebung.
  • Die von dem Gussstück 145 abgezogene Wärme vervollständigt den Erstarrungsprozess des flüssigen, oberen Bereichs 148 des Gussstücks 145, um verfestigte Gussstücke für eine weitere Verwendung zu bilden. Eine ausreichende Menge Kerne werden in dem hervorgebrachten Gussstück 145 gebildet, so dass in dem Gussstück 145 bei der Erstarrung eine feine gleichachsige Mikrostruktur 149 gebildet werden kann.
  • Das erfindungsgemäß verwirklichte Gießsystem 3 inhibiert unerwünschtes dendritisches Wachstum, reduziert die aufgrund von Schrumpfen bei der Erstarrung entstehende Porosität des gebildeten Gussstücks und Erzeugnisses und reduziert Hitzerisse sowohl während des Gießens als auch während einer nachfolgenden Warmbearbeitung des Gussstücks und Erzeugnisses. Darüber hinaus bringt das Reinmetall-Sprühkompaktierungssystem 3 in dem Erzeugnis eine gleichmäßige, gleichachsige Struktur hervor, was auf die minimale Verzerrung der Gießform während des Gießens, die gesteuerte Übertragung von Wärme während der Verfestigung des Gussstücks in der Gießform und die gesteuerte Keimbildung zurückzuführen ist. Das Reinmetall-Sprühkompaktierungssystem 3 verbessert die Dehnbarkeit und Bruchzähigkeit des Erzeugnisses im Vergleich zu herkömmlichen Gussstücken.
  • Jedes der oben beschriebenen Kühlsysteme wurde mit Blick auf ein beispielsweise in 16 dargestelltes Gießsystem erörtert, das ein Elektroschlackeumschmelzsystem als eine Quelle für die Schmelze, ein Sprühkompaktierungssystem und ein Kühlsystem 300; 400; 500 aufweist. Aller dings umfasst der Schutzumfang der Erfindung ferner die Verwendung von erfindungsgemäß verwirklichten Kühlsystemen, bei denen einen Gießsystem, das, wie in 7 veranschaulicht, ein Sprühkompaktierungssystem in Verbindung mit einer beliebigen geeigneten Quelle der Schmelze aufweist. Das Gießsystem 710 in 7 weist ein Sprühkompaktierungssystem 2 auf, das dem Sprühkompaktierungssystem in 16 ähnelt. Das Sprühkompaktierungssystem 2 nach 7 ist mit einer zurückziehbaren Gießform 146 veranschaulicht, jedoch wird jede geeignete Gießform, z.B. die in 6 veranschaulichte Gießform von dem Schutzumfang der Erfindung abgedeckt.
  • Das Sprühkompaktierungssystem 2 weist eine Zerteilungsvorrichtung 134 auf, die positioniert wird, um von einer beliebigen geeigneten Quelle 711 einen Strom 712 flüssigen Metalls aufzunehmen. Die Zerteilungsvorrichtung 134 wandelt den Strom 712 flüssigen Metalls in viele geschmolzene Metalltropfen 138 um. Der Strom 712 kann der Zerteilungsvorrichtung 134 in einer kontrollierten atmosphärischen Umgebung 140 zugeführt werden, die geeignet ist, um eine wesentliche und unerwünschte Oxidation der Tropfen 138 zu verhindern. Die kontrollierte atmosphärische Umgebung 140 kann auf einem beliebigen Gas oder auf einer Kombination von Gasen basieren, die nicht mit dem Metall des Stroms 712 reagieren. Falls beispielsweise der Strom 712 Aluminium oder Magnesium enthält sorgt die kontrollierte atmosphärische Umgebung 140 für eine Umgebung, die verhindert, dass die Tropfen 138 zu einem Brandrisiko werden.
  • Die Zerteilungsvorrichtung 134 kann jede geeignete Einrichtung zum Umwandeln des Stroms 712 in Tropfen 138 aufweisen. Beispielsweise kann die Zerteilungsvorrichtung 134 eine Gassprüheinrichtung aufweisen, die den Strom 712 mit einem oder mehreren Strahlen 142 umgibt. Der Gasstrom aus den Strahlen 142, die auf den Strom auftreffen, lässt sich steuern, so dass die Größe und Geschwindigkeit der Tropfen 138 gesteuert werden kann. Eine weitere Zerstäubungseinrichtung innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung verwendet einen unter Hochdruckzerstäubungsgas in Form eines Stroms des Gases, das dazu dient, die kontrollierte atmosphärische Umgebung 140 zu bilden. Der Strom von Gas kontrollierter atmosphärische Umgebung 140 kann auf den Metallstrom 712 auftreffen, zu den Metallstrom 712 in Tropfen 138 umwandeln. Andere exemplarische Arten von Stromzerteilung sind oben beschrieben.
  • Die Tropfen 138 werden (1) aus der Zerteilungsvorrichtung 134 nach unten verbreitet, um eine im Allgemeinen divergierende Konusgestalt 130 zu bilden. Die Tropfen 138 durchqueren einen Kühlbereich 144, der durch den Abstand zwischen der Zerteilungsvorrichtung 134 und der Oberseite 150 des Metallgussstücks definiert ist, die durch die Gießform 146 getragen wird. Die Länge des Kühlbereichs 144 ist ausreichend, um die Verfestigung eines Volumenfraktionsbereichs eines Tropfens in dem Zeitraum zu ermöglichen, in dem der Tropfen den Kühlbereich 144 durchquert und auf der Oberseite 150 des Metallgussstücks auftrifft. Die teilweise geschmolzenen/teilweise verfestigten Metalltropfen (im Folgenden als "halbfeste Tropfen" bezeichnet) sammeln sich in der Gießform 146. Die Gießform kann eine zurückziehbare Basis 246 aufweisen, die von den Seitenwänden der Gießform 146 zurückgezogen werden kann, um eine zurückziehbare Gießform zu definieren. Die zurückziehbare Basis lässt sich mit einer Welle 241 verbinden, die dazu dient, die Basis in Richtung von Pfeil 242 von den Seitenwänden weg zu bewegen. Darüber hinaus kann die Welle 241 die zurückziehbare Basis 246 in Richtung von Pfeil 243 drehen, um die größten Abschnitte der Gießform, wie weiter unten beschrieben, einem Kühlsystem zuzuführen. Einzelheiten des übrigen Abschnitts des Sprühkompaktierungssystems 2 gleichen jenen, wie sie in der oben erwähnten Beschreibung dargelegt sind.
  • Das erfindungsgemäß verwirklichte Kühlsystem 700 ist in der Lage Wärme von dem Gussstück 145 abzuziehen. Das Kühlsystem 700 ähnelt dem Kühlsystem 300 nach 1 und weist eine Quelle für Kühlmittel 701 auf. Das Kühlmittel kann auf jedem geeigneten Kühlmittel basieren, beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränkt zu sein, ein inertes Kühlgas sein, das mit dem Material des Gussstücks nicht reagieren wird. Zu exemplarischen Kühlgasen innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung zählen Argon, Stickstoff und Helium. In dem Kühlsystem 700 wird das Kühlmittel auf das Gussstück 145 selbst gerichtet, während das Gussstück 145 aus der Gießform 146 entnommen wird. Das Kühlmittel verlässt das Kühlsystem 700 nach dem Durchströmen einer von der Kühlmittelversorgung 701 ausgehenden Kühlmittelleitung 702 in Form eines Sprühstrahls 703. Während die oben erwähnte Beschreibung eines Gießsystems, das ein Sprühkompaktierungssystem 2 mit einer geeigneten Quelle flüssigen Metalls aufweist, ein dem Kühlsystem 300 ähnelndes Kühlsystem 700 veranschaulicht, kann jedes der hier beschriebenen Kühlsysteme hier verwendet werden.

Claims (5)

  1. Gießsystem (3) zur Herstellung eines Metallgussstücks (145), wobei das Metallgussstück (145) eine feinkörnige, homogene Mikrostruktur aufweist, die im Wesentlichen oxid- und sulfidfrei, seigerungsfrei und im Wesentlichen frei von Hohlräumen ist, die von während der Verfestigung des Metalls aus einem flüssigen Zustand in einen festen Zustand eingeschlossener Luft hervorgerufen worden sind, wobei das Gießsystem (3) enthält: ein Elektroschlackeumschmelzsystem (1) und ein Sprühkompaktierungssystem (2), das gekennzeichnet ist durch ein Kühlsystem (300, 400, 500, 700), das Kühlmittel direkt an einen verfestigten Bereich des Gussstücks (145) liefert, um das Metallgussstück in einer Weise zu kühlen, die zur Kühlung eines flüssigen Bereichs des Metallgussstücks (145) ausreichend ist, wobei das Metallgussstück (145) in einer Weise gekühlt wird, die zur Erzeugung der feinkörnigen, homogenen Mikrostruktur geeignet ist, eine Zerteilungsvorrichtung (134), durch die ein Strom aus flüssigem Metall (56) in geschmolzene Metalltropfen (138) umgewandelt wird, einen Kühlbereich (144), der die geschmolzenen Metalltropfen (138) aufnimmt, wobei die geschmolzenen Metalltropfen (138) in dem Kühlbereich (144) zu halbfes ten Tropfen verfestigt werden, so dass im Durchschnitt etwa 5% bis etwa 40% des Volumens jedes halbfesten Tropfens fest sind und der Rest des halbfesten Tropfens geschmolzen ist, und eine Form (146), die die Tropfen in einem flüssigen Bereich sammelt und die Tropfen verfestigt, wodurch ein Erzeugnis gebildet wird, das die feinkörnige, homogene Mikrostruktur aufweist, wobei der flüssige Bereich des Gussstücks einen flüssigen oberen Bereich (148) aufweist, der durch Metalltropfen (138) in einem oberen Gebiet des Gussstücks (145) erzeugt worden ist, und wobei innerhalb des flüssigen oberen Bereichs (148) im Durchschnitt weniger als etwa 50% des Volumens eines durchschnittlichen Tropfens fest sind.
  2. Gießsystem (3) nach Anspruch 1, bei dem das Elektroschlackeumschmelzsystem (1) enthält: eine Elektroschlackeumschmelzvorrichtung (30), die zum Aufnehmen und Halten einer geschmolzenen Feinungsschlacke (34) eingerichtet ist, eine Metallquelle (24) von Metall zur Veredelung in der Elektroschlackeumschmelzvorrichtung (30), einen Körper aus geschmolzener Schlacke (34) in der Elektroschlackeumschmelzvorrichtung (30), wobei die Metallquelle (24) in Kontakt mit der geschmolzenen Schlacke (34) angeordnet ist, eine elektrische Versorgungseinrichtung (70), die zur Lieferung von elektrischem Strom zu der Metallquelle als einer Elektrode (24) und durch die geschmolzene Schlacke (34) zu einem Körper aus veredeltem Metall (46) unter der Schlacke (34) eingerichtet ist, um die Feinungsschlacke geschmolzen zu halten und das mit der Schlacke (34) in Kontakt stehende Ende der Metallquelle zu schmelzen, eine Vorschubvorrichtung zum Vorschieben der Metallquelle (24) in einen Kontakt mit der geschmolzenen Schlacke (34) mit einer Geschwindigkeit, die der Geschwindigkeit entspricht, mit der die in Kontakt stehende Oberfläche der Elektrode (24) abgeschmolzen wird, wenn die Veredelung derselben fortschreitet, eine Kaltherdvorrichtung (40) unter der Elektroschlackeumschmelzvorrichtung (1), wobei die Kaltherdvorrichtung (40) zum Aufnehmen und Halten des durch Elektroschlackeumschmelzen geschmolzenen Metalls in Kontakt mit einer festen Schale des veredelten Metalls eingerichtet ist, die an den Wänden des Kaltherdgefäßes gebildet worden ist, einen Körper aus veredeltem geschmolzenem Metall (46) in der Kaltherdvorrichtung (40) unter der geschmolzenen Schlacke (34), eine Kaltfinger-Öffnungsstruktur (80) unter dem Kaltherd (40), die zum Aufnehmen und Verteilen eines Stroms (56) aus veredeltem geschmolzenen Metall (46) eingerichtet ist, das durch das Elektroschlackeumschmelzsystem (1) und durch die Kaltherdvorrichtung (40) verarbeitet wird, wobei die Kaltfinger-Öffnungsstruktur (80) eine Öffnung (81) aufweist, eine Schale (44, 83) aus verfestigtem, veredeltem Metall (46) in Kontakt mit der Kaltherdvorrichtung (40) und der die Öffnung (81) enthaltenden Kaltfinger-Öffnungsstruktur.
  3. Gießsystem (3) nach Anspruch 1, bei dem das Kühlsystem (300, 400, 500, 700) enthält: eine Kühlmittelversorgung (301, 401, 501, 701) und eine Kühlmittelleitung (301, 401, 501, 701) zur Zufuhr von Kühlmittel direkt von der Kühlmittelversorgung (301, 401, 501, 701) zu dem Metallgussstück (145).
  4. Gießsystem (3) nach Anspruch 1, bei dem das Gussstück (145) wenigstens ein nickel-, kobalt-, titan- oder eisenbasiertes Metall enthält.
  5. Gießverfahren zur Bildung eines Metallgussstücks (145), wobei das Metallgussstück (145) eine feinkörnige, homogene Mikrostruktur aufweist, die im Wesentlichen oxid- und sulfidfrei, seigerungsfrei und im Wesentlichen frei von Hohlräumen ist, die von während der Verfestigung des Metalls von einem flüssigen Zustand in einen festen Zustand eingeschlossener Luft hervorgerufen worden sind, wobei das Verfahren enthält: Bildung einer Quelle von sauberem, veredeltem Metall (46), aus dem Oxide und Sulfide durch Elektroschlackeumschmelzen (1) entfernt worden sind, und Bildung des Erzeugnisses durch Sprühkompaktieren (2), gekennzeichnet durch Kühlung eines flüssigen Bereichs des Metallgussstücks (145) durch Zufuhr von Kühlmittel direkt an einen verfestigten Bereich des Gussstücks (145) zum Kühlen des Metallgussstücks in einer Weise, die zum Kühlen eines flüssigen Bereiches des Metallgussstücks (145) ausreichend ist, wobei das Metallgussstück (145) in einer Weise gekühlt wird, die zur Erzeugung der feinkörnigen, homogenen Mikrostruktur geeignet ist, Umwandlung eines Stroms von flüssigem Metall (56) in geschmolzene Metalltropfen (138) an einer Zerteilungsvorrichtung (134), Aufnahme der geschmolzenen Metalltropfen (138) in einem Kühlbereich (144), wobei die geschmolzenen Metalltropfen (138) in dem Kühlbereich (144) zu halbfesten Tropfen verfestigt werden, so dass im Durchschnitt etwa 5% bis etwa 40% des Volumens jedes halbfesten Tropfens fest sind und der Rest des halbfesten Tropfens geschmolzen ist, und Sammlung der Tropfen in einem flüssigen Bereich in einer Form (146) und Verfestigen der Tropfen, wodurch ein Erzeugnis gebildet wird, das die feinkörnige, homogene Mikrostruktur aufweist, wobei der flüssige Bereich des Gussstücks einen flüssigen oberen Bereich (148) aufweist, der durch Metalltropfen (138) in einem oberen Gebiet des Gussstücks (145) erzeugt worden ist, und wobei innerhalb des flüssigen oberen Bereichs (148) im Durchschnitt weniger als etwa 50% des Volumens eines durchschnittlichen Tropfens fest sind.
DE60024142T 2000-02-23 2000-03-29 Giesssystem und giessverfahren für hochreinen und feinkörnigen metallguss Expired - Lifetime DE60024142T2 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US511528 2000-02-23
US09/511,528 US6631753B1 (en) 1999-02-23 2000-02-23 Clean melt nucleated casting systems and methods with cooling of the casting
PCT/US2000/008484 WO2001062419A1 (en) 2000-02-23 2000-03-29 Clean melt nucleated casting systems and methods with cooling of the casting

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE60024142D1 DE60024142D1 (de) 2005-12-22
DE60024142T2 true DE60024142T2 (de) 2006-07-20

Family

ID=24035274

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE60024142T Expired - Lifetime DE60024142T2 (de) 2000-02-23 2000-03-29 Giesssystem und giessverfahren für hochreinen und feinkörnigen metallguss

Country Status (7)

Country Link
US (1) US6631753B1 (de)
EP (1) EP1259348B1 (de)
JP (1) JP2003523829A (de)
KR (1) KR100718406B1 (de)
AT (1) ATE309878T1 (de)
DE (1) DE60024142T2 (de)
WO (1) WO2001062419A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2633927A4 (de) * 2010-10-26 2017-08-30 Xixia Dragon Into Special Material Co. Ltd Reinmetallgiessform mit umgebungsservomechanismus

Families Citing this family (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6496529B1 (en) 2000-11-15 2002-12-17 Ati Properties, Inc. Refining and casting apparatus and method
US8891583B2 (en) 2000-11-15 2014-11-18 Ati Properties, Inc. Refining and casting apparatus and method
US7803211B2 (en) 2005-09-22 2010-09-28 Ati Properties, Inc. Method and apparatus for producing large diameter superalloy ingots
US7578960B2 (en) 2005-09-22 2009-08-25 Ati Properties, Inc. Apparatus and method for clean, rapidly solidified alloys
US7803212B2 (en) 2005-09-22 2010-09-28 Ati Properties, Inc. Apparatus and method for clean, rapidly solidified alloys
US8748773B2 (en) 2007-03-30 2014-06-10 Ati Properties, Inc. Ion plasma electron emitters for a melting furnace
AU2008232823B2 (en) 2007-03-30 2013-08-15 Ati Properties, Inc. Melting furnace including wire-discharge ion plasma electron emitter
US7798199B2 (en) 2007-12-04 2010-09-21 Ati Properties, Inc. Casting apparatus and method
CN101439405B (zh) * 2008-12-19 2012-09-05 江苏技术师范学院 镁基复合材料和镁基复合材料零件的成形方法
US8320427B2 (en) * 2009-12-16 2012-11-27 General Electric Company Cold walled induction guide tube
US8747956B2 (en) 2011-08-11 2014-06-10 Ati Properties, Inc. Processes, systems, and apparatus for forming products from atomized metals and alloys
US10082032B2 (en) 2012-11-06 2018-09-25 Howmet Corporation Casting method, apparatus, and product
WO2014164911A1 (en) 2013-03-12 2014-10-09 Novelis Inc. Intermittent molten metal delivery
DE102013008396B4 (de) 2013-05-17 2015-04-02 G. Rau Gmbh & Co. Kg Verfahren und Vorrichtung zum Umschmelzen und/oder Umschmelzlegieren metallischer Werkstoffe, insbesondere von Nitinol
US9894802B2 (en) * 2014-05-29 2018-02-13 Ge-Hitachi Nuclear Energy Americas Llc Passive system of powering and cooling with liquid metal and method thereof
CN106475565B (zh) * 2015-01-29 2018-03-06 天津百恩威新材料科技有限公司 喷射成形降温系统及采用该系统降低锭坯温度的方法
US10421161B2 (en) 2016-05-06 2019-09-24 Honeywell International Inc. High quality, void and inclusion free alloy wire
KR20190037345A (ko) * 2016-10-10 2019-04-05 아르코닉 인코포레이티드 고압 합금 주조 공정 및 장치
AU2018367450B2 (en) 2017-11-15 2020-01-30 Novelis Inc. Metal level overshoot or undershoot mitigation at transition of flow rate demand

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS4937617B1 (de) * 1970-11-12 1974-10-11
IT940586B (it) * 1971-11-13 1973-02-20 Dalmine Spa Procedimento perfezionato di cola ta continua di barre metalliche in particolare di acciaio
US4494594A (en) * 1981-09-08 1985-01-22 Amb Technology, Inc. Spray cooling system for continuous steel casting machine
US5247988A (en) * 1989-12-19 1993-09-28 Kurzinski Cass R Apparatus and method for continuously casting steel slabs
US5160532A (en) * 1991-10-21 1992-11-03 General Electric Company Direct processing of electroslag refined metal
US5310165A (en) 1992-11-02 1994-05-10 General Electric Company Atomization of electroslag refined metal
US5348566A (en) 1992-11-02 1994-09-20 General Electric Company Method and apparatus for flow control in electroslag refining process
US5381847A (en) * 1993-06-10 1995-01-17 Olin Corporation Vertical casting process
US5472177A (en) 1993-12-17 1995-12-05 General Electric Company Molten metal spray forming apparatus
US5480097A (en) 1994-03-25 1996-01-02 General Electric Company Gas atomizer with reduced backflow
US5649993A (en) 1995-10-02 1997-07-22 General Electric Company Methods of recycling oversray powder during spray forming
US5683653A (en) 1995-10-02 1997-11-04 General Electric Company Systems for recycling overspray powder during spray forming
US5769151A (en) 1995-12-21 1998-06-23 General Electric Company Methods for controlling the superheat of the metal exiting the CIG apparatus in an electroslag refining process
US5810066A (en) 1995-12-21 1998-09-22 General Electric Company Systems and methods for controlling the dimensions of a cold finger apparatus in electroslag refining process
US5809057A (en) 1996-09-11 1998-09-15 General Electric Company Electroslag apparatus and guide

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2633927A4 (de) * 2010-10-26 2017-08-30 Xixia Dragon Into Special Material Co. Ltd Reinmetallgiessform mit umgebungsservomechanismus

Also Published As

Publication number Publication date
EP1259348A1 (de) 2002-11-27
KR100718406B1 (ko) 2007-05-14
ATE309878T1 (de) 2005-12-15
DE60024142D1 (de) 2005-12-22
KR20020086909A (ko) 2002-11-20
US6631753B1 (en) 2003-10-14
JP2003523829A (ja) 2003-08-12
EP1259348B1 (de) 2005-11-16
WO2001062419A1 (en) 2001-08-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE60024142T2 (de) Giesssystem und giessverfahren für hochreinen und feinkörnigen metallguss
DE69931141T2 (de) Schmelzverfahren in einer Induktion-Kalt-Schmelz-Tiegelanlage
DE2528843A1 (de) Vorrichtung und verfahren zum spritzguss von metallgegenstaenden
EP1444065B1 (de) Verfahren zur herstellung von legierungs-ingots
DE69002059T2 (de) Induktivschmelzspinnen von reaktiven metallegierungen.
KR100818864B1 (ko) 주조 장치 및 주조 방법
DE60036646T2 (de) Giesssysteme und verfahren mit hilfskühlung der flüssigen oberfläche der giesskörper
DE69704200T2 (de) Weiterverarbeitung durch elektroschlackeumschmelzen gereinigter metalle
US6264717B1 (en) Clean melt nucleated cast article
DE4207694A1 (de) Vorrichtung fuer die herstellung von metallen und metall-legierungen hoher reinheit
EP0786531B1 (de) Verfahren zum Umschmelzen von Metallen zu einem Strang sowie Vorrichtung dafür
DE3421488A1 (de) Verfahren zum herstellen von legierungspulver und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens
DE892230C (de) Verfahren zum Stranggiessen metallischer Werkstoffe
DE1162094B (de) Verfahren und Vorrichtung zum Elektro-Schlacken-Umschmelzen von Metallen und Legierungen
KR100622733B1 (ko) 주조 장치 및 주조 방법
KR20020086910A (ko) 감압 주조 시스템 및 방법
KR100718407B1 (ko) 주조 장치 및 주조 방법
WO1995005489A1 (de) Verfahren zur behandlung von metallischen gusswerkstoffen

Legal Events

Date Code Title Description
8364 No opposition during term of opposition