DE69002036T2

DE69002036T2 - Kalter Tiegel mit Bodenentleerung.

Info

Publication number: DE69002036T2
Application number: DE90420240T
Authority: DE
Inventors: Marcel Garnier; Isabelle Gleizes; Patrick Paillere; Pierre Vernay
Original assignee: Compagnie Europeenne du Zirconium Cezus SA
Current assignee: Compagnie Europeenne du Zirconium Cezus SA
Priority date: 1989-05-19
Filing date: 1990-05-17
Publication date: 1993-11-11
Anticipated expiration: 2010-05-18
Also published as: US5058127A; CA2017132C; EP0399928A1; EP0399928B1; FR2647196A1; FR2647196B1; JPH0311287A; ATE91013T1; JPH0416703B2; CA2017132A1; DE69002036D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen kalten Tiegel mit Entleerung durch den Boden.
Zur Herstellung von sehr reinen Werkstoffen, von Reaktionsmaterialien und Materialien mit sehr hohem Schmelzpunkt müssen diese in der Regel den flüssigen Zustand durchlaufen und eine genügend lange Zeit in diesem Zustand gehalten werden, damit man die Vergleichmäßigung der Flüssigkeit gegenüber den diversen Bestandteilen oder der Temperatur erreicht, oder damit in der Flüssigkeit chemische Reaktionen stattfinden können. Hierzu muß die Flüssigkeit mit einer leistungsstarken Umwälzvorrichtung bewegt werden, außerdem darf diese an keiner der Materialwände, die im allgemeinen zum Fassen der Flüssigkeit unabdingbar sind, reagieren.
Die Lösung für dieses Problem besteht meistens in der Verwendung eines kalten Tiegels mit Erwärmung durch Induktion. Ein solcher Tiegel wird durch eine leitende, im allgemeinen aus Kupfer bestehende Wandung gebildet, die aus mehreren hohlen, untereinander elektrisch isolierten Längssektoren besteht, die innen von einem Kühlfluid durchströmt werden, wodurch ihre Oberfläche die Berührung mit dem flüssigen, in der Regel bis zu 300ºC heißen Metall aushält. Dieser Tiegel wird in einem Induktor angeordnet, der mit Wechselstrom versorgt wird, der Induktionsströme in den Sektoren herstellt, wobei sich die Ströme beim Durchströmen der Innenwand des Tiegels schließen und ein magnetisches Feld im Tiegel schaffen.
Durch jedes in einen solchen Tiegel gebrachte elektrisch leitende Material fließen Induktionsströme, durch die es bei gleichzeitigem Umrühren bis zur Schmelze erhitzt werden kann.
Diese Tiegel können auf zwei Arten funktionieren:
- zum einen durch Levitation; die Innenwände des Tiegels sind nämlich im allgemeinen nach unten konisch, so daß ihr Querschnitt unten kleiner ist als oben. Nun ist aber das Produkt des Magnetfelds durch den Querschnitt des Tiegels auf der Achse des Tiegels überwiegend konstant. Daraus ergibt sich also ein Magnetfeld im Tiegel, das von oben nach unten erheblich stärker wird. Diese Konfiguration eignet sich gut für die Levitation, da die induzierten Abstoßungskräfte in einem in den Tiegel gebrachten elektrisch leitenden Material im unteren Bereich des Materials sehr stark sind und zum oberen Bereich hin schwächer werden. Eine Flüssigkeit kann in einem solchen Tiegel somit in stabiler Levitation gehalten werden.
Nachdem der Tiegel kalt ist, birgt eine eventuelle Stromunterbrechung keine Gefahr, da sich die Flüssigkeit, die sich im Tiegel verteilt, der wie eine echte Gußform wirkt, hart wird. Wenn der Induktor erneut Spannung bekommt, schmilzt das Material wieder, die Levitation kann fortgeführt werden.
Im Levitationszustand erfährt das Material, das in Kontakt mit einer geregelten Atmosphäre gebracht werden kann, keinerlei Beeinträchtigung. Außerdem induzieren die elektromagnetischen Kräfte eine kräftige Umwälzung in der Flüssigkeit. Die Herstellungsbedingungen zum Erhalt eines sehr reinen Materials sind also vorhanden;
- zum anderen das Schalenschmelzen. In dieser gleichen Art Tiegel können die elektromagnetischen Kräfte die Schwerkraft nämlich nicht mehr ausgleichen, wenn die Masse des flüssigen Materials zu groß wird, und es ergibt sich zwangsläufig ein Kontakt zwischen dem Material und der Wand des Tiegels. Allerdings leidet das Material darunter nicht, da es sich lokal verfestigt, wenn es in flüssigem Zustand die Wand berührt. Das flüssige Material ist dann in einer Wand enthalten, die durch den festen Film aus dem Material selbst gebildet wird. Außerdem ist der Kontakt zwischen dem festen Material und dem Tiegel kalt: es findet somit weder eine Verunreinigung noch eine Reaktion statt. Die Herstellung des durch das elektromagnetische Feld umgewälzten flüssigen Materials großer Reinheit ist also ebenfalls möglich.
In beiden Fällen gibt es keine Temperaturgrenze. Bei der Levitation findet die Herstellung berührungslos statt, und der Wärmeaustausch zwischen dem Material und dem Tiegel erfolgt durch Strahlung und bleibt somit sehr begrenzt.
Beim Schalenschmelzen genügt eine sehr gute Kühlung der Sektoren des Tiegels, um eine Kruste festen Materials an der Innenwand zu erhalten.
Selbst bei Schmelztemperaturen im Bereich von 3000ºC genügt Wasser als Kühlfluid für den Tiegel.
Das in den genannten Tiegeln hergestellte Material muß nun entnommen werden. Dieser Entleerungsvorgang muß unter schmutzfreien Bedingungen stattfinden, damit man die Vorteile, die man bei der Herstellung erreicht hat, nicht wieder zunichtemacht. Die Entnahme muß außerdem zügig, bequem und vollkommen durchzuführen sein.
Mehrere Entleerungsmöglichkeiten wurden vorgeschlagen:
So kann man auf sehr elementare Art und Weise das Material im Tiegel abkühlen lassen und es aus der Form schlagen; dies ist allerdings nicht sehr praktisch, und man erhält auch kein Produkt einer bestimmten Form: man muß es also danach erneut schmelzen.
Im Patent US-4738713 wird das flüssige Material aus dem Tiegel in eine Gußform geschüttet. Da der Tiegel nur an seiner Oberseite eine Öffnung hat, kann das Ausschütten nur durch Kippen erfolgen. Wenn man kein technisch besonders hoch entwickeltes Material zur Verfügung hat, mit dem man den Tiegel und die Gußform von der Atmosphäre abschirmen kann, findet dieser Vorgang in der Regel an der Luft statt und bringt zwangsläufig eine Verunreinigung des Materials durch Oxydation oder Nitrieren mit sich. Außerdem ist das Kippen keine bequeme Lösung, da man auf ein kompliziertes mechanisches System zurückgreifen muß, wenn man den Tiegel nicht von seinen Kühlwasserzuführ- und Elektroleitungen trennen will.
Man kann den Tiegel auch-, wie im Fall des französischen Patents 2561761 beschrieben, mit einer seitlichen Ablaßrinne versehen, doch hat dies zum einen den Nachteil, daß für ihre Durchführung Sektoren verändert werden müssen, zum anderen, daß der Tiegel nicht völlig entleert werden kann. Außerdem besteht aufgrund des hohen Schmelzpunkts der Materialien für eine solche Rinne eine ständige Verstopfungsgefahr, wenn sie nicht über geeignete Erwärmungsvorrichtungen verfügt.
Deshalb hat die Patentanmelderin in Kenntnis der Schwierigkeiten, auf die man bei diesen Entleerungsmethoden stößt, nach einer Entleerungsvorrichtung gesucht und diese gefunden, bei der Verunreinigungen verhindert werden und die gleichzeitig bequem, vollständig und schnell ist.
Daraus resultiert die Erfindung, die in einem kalten Tiegel mit Entleerung durch den Boden besteht, wobei der Boden von einer Wandung gebildet wird, die aus mehreren hohlen Längssektoren besteht, die zumindest teilweise untereinander elektrisch isoliert sind und in ihrem Innern von einem Kühlfluid durchströmt werden und geeignet sind, in einem Induktor angeordnet zu werden, und bei der die genannte Wand an ihrem unteren Ende über eine Öffnung verfügt, wobei die genannte Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß innerhalb der besagten Öffnung ein herausnehmbares, sektorunterteiltes und gekühltes Verschlußstück angeordnet ist.
Auf diese Weise besteht die Erfindung zusammengefaßt darin, in der unteren Öffnung des Tiegels ein Verschlußstück vorzusehen, das als Tiegel kleiner Abmessungen konzipiert ist, d.h. hohle Sektoren aufweist, die untereinander elektrisch isoliert sind und innen von einem Kühlfluid durchströmt werden. Die Sektoren verlängern sich nicht auf dem ganzen horizontalen Querschnitt des Verschlußstücks und lassen Platz für eine zentrale Öffnung eines Durchmessers von im allgemeinen unter 3 mm, die eventuell mit einem Material zur elektrischen Isolierung verschlossen ist.
Wenn im Induktor Strom zirkuliert, entwickeln sich im Tiegel die induzierten Ströme. Im unteren Bereich des Tiegels erzeugen diese induzierten Ströme ein Magnetfeld, das wieder neue induzierte Ströme in dem in der Öffnung angeordneten Verschlußstück hervorruft. In "geschlossener" Position gibt es also weder ein materielles noch ein magnetisches Loch im unteren Bereich des Tiegels, der sich wie ein Tiegel aus einem einzigen Stück verhält. Die Levitation ist also möglich.
Soll das in Levitation gehaltene flüssige Material abgelassen werden, genügt es, den kleinen Tiegel, der den Haupttiegel verschließt, schnell zu entfernen. Das Magnetfeld ist dann auf der Achse im unteren Bereich der Flüssigkeit, die es nicht mehr halten kann, unterbrochen. Durch die so geschaffene Öffnung kann das Material nun ablaufen.
Im Falle des Schalenschmelzens ist die Prozedur bis auf einen Unterschied die gleiche; durch die Entfernung des kleinen Tiegels entsteht ein magnetisches Loch, doch die Kruste des erhärteten Metalls verhindert ein Auslaufen der Flüssigkeit. Für das Freilegen des Materiallochs gibt es zwei Möglichkeiten:
- entweder eine Leistungserhöhung im Induktor, die zwei Auswirkungen hat: einerseits einen Anstieg der Temperatur der Flüssigkeit, der mit einer verstärkten Umwälzung verbunden ist, was eine günstige Voraussetzung für das erneute Schmelzen der harten Kruste in dem Bereich bedeutet, in dem die Wand des abgekühlten Tiegels keine Kalorien mehr abführt; andererseits verhalten sich die Ränder der Öffnung wie ein Konzentrationsverstärker des magnetischen Felds, der bei einer stärkerer Leistung lokal den im Material entwickelten Joule-Effekt erhöht und dessen Schmelzen begünstigt;
- oder die Verwendung eines zweiten, unten im Haupttiegel angeordneten Induktors, der hierzu vorgesehen wurde und dessen Spannungsbeaufschlagung das Schmelzen der harten Kruste bewirkt, die die Öffnung verschließt, wodurch das Material dann ablaufen kann.
Die Sektorenzahl des Verschlußstücks ist vorzugsweise kleiner als die oder gleich der Sektorenzahl des Tiegels und in jedem Fall mindestens gleich zwei.
Außerdem ist es vorteilhaft, den Wandungen der Öffnung und des Verschlußstücks eine nach oben konische Form zu geben, um das Entfernen des Verschlußstücks zu erleichtern.
Dieses Entfernen kann durch jegliche mit dem Verschlußstück zusammenhängende mechanische Vorrichtung erfolgen, mit der es möglich ist, nacheinander eine vertikale Bewegung von oben nach unten und dann eine seitliche Bewegung von rechts nach links auszuführen, damit kein Fremdkörper das Ablaufen des Materials behindern kann.
Ein solches Verschlußstück kann bei einer großen Zahl von Herstellungsprozessen eingesetzt werden.
Die Erfindung wird besser verständlich mit Hilfe der beiliegenden Zeichnungen.
- Fig. 1 stellt eine Draufsicht von oben auf einen Tiegel der Erfindung dar;
- Fig. 2 stellt einen vertikalen Axialschnitt desselben Tiegels dar.
In detaillierterer Form sieht man auf Fig. 1 den Tiegel 1, der in zwölf hohle und gekühlte Sektoren 2 aufgeteilt ist, die eine Öffnung 3 umgeben, in der sich ein Verschlußstück 4 beindet, das ebenfalls aus zwölf hohlen und gekühlten Sektoren besteht, die nicht den gesamten Querschnitt der Öffnung ausfüllen, sondern noch Platz für eine kreisrunde Öffnung 5 lassen.
Auf Fig. 2 sieht man den Tiegel 1 mit der Seitenwand 6, der am Boden und seiner Vertikalachse folgend eine Öffnung 3 aufweist, in der sich das herausnehmbare Verschlußstück 4 befindet, das die hohlen und gekühlten Sektoren 2 aufweist, die zur Mitte hin durch die Öffnung begrenzt sind. Dieser Tiegel ist von einem Induktor umgeben, und die Sektoren werden durch Wasserströme gekühlt; diese Teile sind nicht dargestellt.
Im Betrieb setzt man den Induktor, nachdem die Teile für das herzustellende Material in den Tiegel gegeben wurden, unter Wechselstrom, so daß die genannten Materialien schmelzen, umgerührt werden und eventuell reagieren. Am Ende der Reaktion, wenn das Material homogen und völlig geschmolzen ist, versetzt man schnell das Verschlußstück, und zwar zunächst senkrecht, dann seitlich, so daß das Material abfließen kann.
Das Abfließen des Materials kann durch Regelung der Stromstärke, mit der der Induktor versorgt wird, geregelt werden.
Behält man nämlich eine sehr hohe Stromstärke bei, kann das Material in Levitation gehalten werden; senkt man diese Stromstärke aber langsam ab, unterdrückt man nach und nach die Levitation und erhöht gleichmäßig die Abflußmenge.
Die Erfindung kann anhand der folgenden Anwendungsbeispiele illustriert werden:

Beispiel 1

Ein Tiegel mit einem Durchmesser von 100 mm aus zwölf hohlen und untereinander elektrisch isolierten Längssektoren, die innen von einem Kühlfluid durchströmt wurden und sich innerhalb eines Induktors befanden, der mit Wechselstrom mit einer Frequenz von 15 kHz und einer Leistung von 80 kw versorgt wurde, und dessen Boden mit einer Öffnung eines Durchmessers von 16 mm ausgestattet war, wurde mit einem Verschlußstück etwa gleichen Durchmessers wie die Öffnung, einer Höhe von 40 mm und bestehend aus vier isolierten und gekühlten Sektoren versehen.
In diesem Tiegel wurden 400 g Nickel geschmolzen und anschließend innerhalb von drei Sekunden durch den Boden abgelassen, indem man das Verschlußstück zunächst vertikal genügend weit von oben nach unten bewegte, um ihn aus der Öffnung zu drücken, und dann so weit seitlich, daß das Material ungehindert ablaufen konnte. Das erhaltene Produkt wies keinerlei Verunreinigung auf.

Beispiel 2

Ein Tiegel mit einem Durchmesser von 60 mm aus acht hohlen, isolierten und gekühlten Sektoren, die sich in einem Induktor befanden, der mit Wechselstrom mit einer Frequenz von 12 kHz und einer Leistung von 60 kW versorgt wurde und dessen Boden mit einer Öffnung eines Durchmessers von 8 mm ausgestattet war, wurde mit einem Verschlußstück etwa gleichen Durchmessers wie die Öffnung, 30 mm hoch und bestehend aus zwei isolierten und gekühlten Sektoren versehen.
In diesem Tiegel wurden 150 g einer Mischung aus Titan und Aluminium in einem Verhältnis, das zur Bildung der Legierung Ti&sub3;Al führt, geschmolzen. Diese Legierung wurde anschließend innerhalb einer Sekunde ebenso wie in Beispiel 1 beschrieben durch den Boden abgelassen. Das erhaltene Produkt wies keinerlei Spuren von Verunreinigungen auf.
Die Erfindung findet ihre Anwendung in der Herstellung sehr reiner Materialen, die auf bequeme, vollkommene und schnelle Weise in flüssigem Zustand gewonnen werden können.

Claims

1. Tiegel zur Leerung durch den Boden, der durch eine leitende Wand (6) gebildet ist, die aus mehreren hohlen, wenigstens teilweise untereinander elektrisch isolierten Längssektoren besteht, die innerlich von einem Kühlfluid durchströmt werden und zur Anordnung im Inneren eines Induktors bestimmt sind, und in dem diese Wand an ihrem unteren Teil mit einer Öffnung (3) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren dieser Öffnung ein herausnehmbares, sektorunterteiltes und gekühltes Verschlußstück (4) angeordnet ist.

2. Tiegel nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sektorenzahl des Verschlußstücks kleiner als die oder gleich der Sektorenzahl des Tiegels ist.

3. Tiegel nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände des Verschlußstücks und der Öffnung nach oben konisch sind.