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HINTERGRUND
ZU DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft Gießsysteme
und Verfahren, die Kühlung
des Gießens
verwenden. Insbesondere betrifft die Erfindung Reinmetall-Sprühkompaktierungssysteme
und Verfahren, die Kühlung
des Gussstücks
verwenden.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung ist definiert in den unabhängigen Ansprüche 1 und
5, wobei optionale Merkmale der Erfindung in den Unteransprüchen ausgeführt sind.
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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.
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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.
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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.
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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.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 veranschaulicht
schematisch ein Kühlung
des Gießens
verwendendes Reinmetall-Sprühkompaktierungssystem,
zu dem ein Kühlsystem,
ein Elektroschlackeumschmelzsystem und ein Sprühkompaktierungssystem;
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2 zeigt
in einer teilweise schematischen, vertikalen geschnittenen Darstellung
das in 1 dargestellte Reinmetall-Sprühkompaktierungssystem, das
Einzelheiten des Elektroschlackeumschmelzsystems veranschaulicht;
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3 zeigt
eine teilweise schematische, vertikale geschnittene detaillierte
Darstellung des Elektroschlacke umschmelzsystems des Reinmetall-Sprühkompaktierungssystems
zur Herstellung eines Erzeugnisses;
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4 zeigt
in einem Ausschnitt eine schematische, teilweise geschnittene Darstellung
des Elektroschlackeumschmelzsystems des Reinmetall-Sprühkompaktierungssystems
zur Herstellung eines Erzeugnisses;
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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
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7 veranschaulicht
schematisch ein weiteres Kühlung
des Gussstücks
verwendendes Gießsystem,
das ein Kühlsystem
und ein Sprühkompaktierungssystem
aufweist.
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BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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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 1–4 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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. 2–4 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Unterhalb
der Elektroschlackeumschmelzvorrichtung 30 ist eine Kaltherdvorrichtung 40 montiert
(1–3).
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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Jedes
der oben beschriebenen Kühlsysteme wurde
mit Blick auf ein beispielsweise in 1–6 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 1–6 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.
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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.
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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.
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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.
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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.