DE69318450T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Strömungskontrolle eines Metallgiessstrahles - Google Patents

Description

Hintergrund der Erfindung
• Diese Erfindung bezieht sich auf die Metallurgietechnologie und insbesondere auf die Steuerung der Strömung von einem Strom aus geschmolzenem Metall.
• Metallische Artikel können auf vielen Wegen hergestellt werden, von denen einer das Pulvermetallverfahren bzw. die Pulvermetallurgie ist. Bei dieser Vorgehensweise werden zunächst aus der interessierenden metallischen Legierung feine Pulverpartikel gebildet. Dann wird die richtige Menge der Teilchen oder des Metallpulvers in eine Form oder ein Behältnis eingebracht und mittels isostatischer Heiß- oder Kaltpressung, durch Extrusion oder mittels anderer Verfahren verdichtet. Diese Pulvermetallurgie besitzt den wichtigen Vorteil, daß die Mikrostruktur des mittels Pulververdichtung erzeugten Produktes typischerweise feiner und gleichmäßiger ist als die durch konventionelle Techniken erzeugte Mikrostruktur. In einigen Fällen läßt sich das endgültige Produkt im Grunde genommen bis zu seiner endgültigen Form herstellen, so daß nur wenig oder gar keine maschinelle Bearbeitung erforderlich ist. Eine maschinelle Fertigbearbeitung ist teuer sowie hinsichtlich der Legierungsmaterialien verschwenderisch, und deshalb ist die Pulvertechnologie für die Fabrikation von Artikeln oft weniger teuer als konventionelle Techniken.
• Die Vorbedingung für den Einsatz der Pulverfabrikat ionstechnologie ist die Möglichkeit, ein "sauberes" Pulver mit der erforderlichen Legierungszusammensetzung in einem kommerziellen Maßstab herzustellen. (Der Begriff "sauber" bezieht sich auf einen geringen Anteil von Partikeln eines Fremdmaterials in dem Metall.) Es sind zahlreiche Techniken für die Pulverherstellung entwickelt worden. Bei einer üblichen Vorgehensweise wird eine Schmelze der interessierenden Legierung gebildet, und es wird ein kontinuierlicher Legierungsstrom aus der Schmelze erzeugt. Der Strom wird mittels eines Gasstrahles oder einer Schleuderscheibe zerstäubt, was Feststoffpartikel erzeugt, die gesammelt und nach ihrer Größe sortiert werden. Partikel, welche die Größenspezifikationen erfüllen, werden behalten, und solche, die das nicht tun, werden erneut eingeschmolzen. Die vorliegende Erfindung findet Anwendung bei der Formung und Steuerung des Metallstromes, der aus der Schmelze gezogen und zu der Zerstäubungsstufe geleitet wird. In allgemeinerer Hinsicht findet sie Anwendung bei der Formung und Steuerung von Metallströmen für einen Einsatz in anderen Reinmetall-Produktionstechniken.
• Die Legierungen von Titan sind von besonderem Interesse bei der Pulverbearbeitung von Bauteilen der Luft- und Raumfahrttechnik. Diese Legierungen sind bei niedrigen und mittleren Temperaturen fest bzw. stabil und viel leichter als Kobalt- und Nickellegierungen, die für Anwendungen bei höheren Temperaturen benutzt werden. Geschmolzene Titanlegierungen sind jedoch hoch-reaktiv bezüglich anderer Materialien und können deshalb leicht verunreinigt werden, wenn sie aufgeschmolzen und in Form eines Stromes zu der Zerstäubungsstufe geleitet werden, wenn nicht besondere Sorgfalt auf die Vermeidung von Verunreinigungen aufgewendet wird.
• Es sind viele Techniken zum Schmelzen und Bilden eines Stromes aus einer reaktiven Legierung, zum Beispiel einer Titanlegierung, entwickelt worden. Bei einem derartigen Ansatz wird die Legierung mittels einer Induktionsheizung in einem kalten Ofen bzw. Herd geschmolzen. Der Legierungsstrom wird durch den Herdboden abgezogen und auf die Zerstäubungseinrichtung geführt. Der Strom kann dabei in einfacher Weise geführt werden, indem man ihm unter dem Einfluß der Schwerkraft frei zu fallen erlaubt. Um eine übermäßige Abkühlung des Stromes beim Fallen zu vermeiden, sind elektrische Spulen für eine Widerstandsheizung um einen keramischen Düseneinsatz herum angeordnet worden, durch den der Strom hindurch verläuft, wie das beispielsweise im US-Patent 3,604,598 beschrieben ist. Ein weiterer Ansatz besteht darin, eine Induktionsspule um das Fallvolumen des Stromes herum anzuordnen, um sowohl den Strom aufzuheizen als auch seinen Durchmesser zu steuern, wie das beispielsweise im US-Patent 4,762,553 und in EP-A-0,451,552 beschrieben ist. In dem letzteren Dokument handelt es sich bei dem Volumen bzw. Raum, durch den der Strom fällt, um eine hohlwandige Düse mit Schlitzen in einer der Wandungen, um eine elektrische Kontinuität zu vermeiden. Diese und ähnliche Techniken haben sich aus verschiedenen Gründen nicht als wirtschaftlich akzeptabel für die Steuerung eines Stromes aus einer reaktiven Titanlegierung erwiesen.
• Es besteht deshalb ein Bedarf für einen verbesserten Lösungsweg zur Formung und Steuerung eines Metallstromes, und insbesondere für reaktive Metalle wie z. B. Titanlegierungen. Die vorliegende Erfindung befriedigt diesen Bedarf und bietet darüber hinaus damit im Zusammenhang stehende Vorteile.
Zusammenfassung der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung schafft eine Einrichtung zum Steuern der Strömung von einem Metallstrom, wie sie im Anspruch 1 beansprucht ist. Die Erfindung ermöglicht die Steuerung der Strömung ohne eine Verunreinigung des Metalls durch Kontakt mit Fremdsubstanzen. Die Einrichtung erlaubt eine präzise Steuerung des Metallstromes auf der Grundlage verschiedener Steuerparameter.
• Gemäß der Erfindung enthält eine Einrichtung zum Steuern der Strömung von einem Metallstrom einen hohlen kegelstumpfförmigen metallischen Düsenkörper mit einer hohlen Wand, wobei die hohle Wand eine innere Oberfläche und eine äußere Oberfläche aufweist und sich von einer ersten Basis zu einer zweiten Basis über eine Höhe h erstreckt, welche Höhe h der senkrechte Abstand zwischen der ersten Basis und der zweiten Basis ist, wobei der kegelstumpfförmige Düsenkörper ferner wenigstens einen Schlitz aufweist, der sich von der ersten Basis zur der zweiten Basis erstreckt, so daß die Wand keine elektrische Kontinuität über dem Schlitz aufweist, und eine Einrichtung zum Kühlen des Düsenkörpers. Eine Induktionsheizspule umgibt den Düsenkörper, und eine steuerbare Induktionsheizungs-Leistungsversorgung ist mit der Induktionsheizspule verbunden. Ein Sensor fühlt eine Leistungskenngröße der Einrichtung ab. Eine Steuerung steuert die an die Induktionsheizspule gelieferte Leistung von der Induktionsheizungs-Leistungsversorgung als Antwort auf ein Ausgangssignal des Sensors, um die gewählte Leistungscharakteristik der Einrichtung beizubehalten.
• Die Strömung des Metalls wird typischerweise gesteuert, um die Düsentemperatur in einem vorgewählten Bereich zu halten und um ferner für den Metallstrom einen vorgewählten Durchmesser oder eine vorgewählte Strömungsrate aufrecht zu erhalten. Der Durchmesser des Metallstromes ist so gewählt, daß er kleiner als eine Innenabmessung des Düsenkörpers ist, so daß zwischen dem strömenden Metall des Stromes und der inneren Oberfläche des Düsenkörpers eine verfestigte Schicht aus dem Metall besteht, die auf dem Fachgebiet als "Kopf" (skull) bezeichnet wird. Der Kopf verhindert einen Kontakt zwischen dem strömenden Metall und der inneren Oberfläche der Wandung des Düsenkörpers und stellt sicher, daß das Wandmaterial sich nicht in der Metallströmung auflösen und diese verunreinigen kann. Eine Verminderung der Leistungszufuhr für die Induktionsspule oder ein Betrieb bei einer niedrigeren Frequenz wird ein Dickerwerden des Kopfes bewirken, der am Ende so dick wird, daß die Metallströmung insgesamt zum Erliegen kommt. Somit kann die Einrichtung als ein Ventil für den Metallstrom wirken.
• Der erforderliche Grad an Steuerung kann nicht ohne einen gekühlten Düsenkörper und ohne eine Induktionsheizung des Kopfes und des Stromes erzielt werden. Dieses System stellt eine kritische Wärmebalance dar, die sich einfach steuern läßt, um die gewünschten Ergebnisse zu erzeugen. Der gekühlte Düsenkörper entzieht dem Teil des Kopfes, der ihm am nächsten liegt, Wärme. Gleichzeitig begrenzen die innerhalb des Kopfes von der Induktionsspule erzeugten elektromagnetischen Ströme den Wärmebetrag, der von dem strömenden Metallstrom abgezogen wird. Obwohl viel von der durch den induzierten Strom erzeugten Wärme radial nach außen in Richtung auf die Düsenwand zur Entziehung strömt, wird genügend Wärme aufgebracht, um die gewünschte Kopfdicke und den gewünschten Strömungsdurchmesser zu erzielen. Eine Erhöhung der Induktionsleistung erhöht den gesamten Wärmeeingang in das System und schmelzt einen Teil der inneren Oberfläche des Kopfes ab, was zu einer Zunahme bei dem Strömungsdurchmesser führt. Eine Verminderung der Induktionsleistung reduziert die Wärmezufuhr und vergrößert die innere Oberfläche des Kopfes, und zwar, falls gewünscht, bis zu dem Erstarrungspunkt (freeze off). Das rückgekoppelte Steuersystem ist hilfreich bei der Aufrechterhaltung vorgewählter Werte über den Verlauf eines ausgedehnten Betriebs, um die geforderten Wärmebalancen einzuhalten und die gewünschten Ergebnisse zu erreichen. Die Verwendung einer elektrischen Widerstandsheizung anstelle der Induktionsheizung ist nicht akzeptabel, da die Wärmezufuhrrate zu klein ist und die Dicke der Kopfschicht nicht angemessen gesteuert werden kann. Anders als bei der Induktionsheizung läßt sich die Widerstandsheizung nicht so steuern, daß sie selektiv zum Aufheizen des Metallkopfes oder der Strömung dient, und zwar ohne eine unerwünschte und nicht steuerbare Beeinträchtigung des Düsenkörpers.
• Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform deutlich, und zwar in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, die im Wege eines Beispiels die Grundsätze der Erfindung veranschaulichen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Pulvermetall- Produktionseinrichtung, welche die Einrichtung nach der Erfindung zum Steuern der Strömung von einem Metallstrom verwendet;
• Fig. 2 ist eine seitliche Schnittansicht des Düsenbereichs der Einrichtung von Fig. 1; und
• Fig. 3 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht der bevorzugten Düse von Fig. 2.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungen
• Eine bevorzugte Anwendung der Einrichtung zum Steuern der Strömung von einem Metallstrom erfolgt in einer Pulvermetall- Produktionseinrichtung. Die Einrichtung zum Steuern der Strömung von einem Metallstrom kann auch im Zusammenhang mit anderen Anwendungen eingesetzt werden, wie zum Beispiel bei einer Block- bzw. Ingoterzeugungseinrichtung. Die Pulvermetall- Produktionseinrichtung ist die gegenwärtig bevorzugte Anwendung und wird deshalb so beschrieben, daß sowohl der Aufbau als auch die Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung voll verstanden werden kann.
• Unter Bezugnahme auf Fig. 1 enthält eine Pulvermetall- Produktionseinrichtung 20 einen Schmelztopf bzw. Tiegel 22, in dem sich auf einer Feuerungseinrichtung bzw. einem Herd 24 geschmolzenes Metall befindet. Das geschmolzene Metall strömt als ein Strom 26 durch eine Öffnung in dem Herd 24. Nachdem er den Herd verlassen hat, passiert der Strom 26 einen Düsenbereich 28, in dem die Steuerung des Stromes vorgenommen wird, und der im Detail nachfolgend erörtert wird. Der Strom 26 wird in kleine flüssige Metallpartikel zerstäubt, indem eine Gasströmung aus einem Gasstrahl 30 auf den Strom 26 auftrifft. Das Zerstäubungsgas ist in typischen Fällen Argon oder Helium, und zwar für den Fall, bei dem das zerstäubte Metall eine Titanlegierung ist. Die Partikel erstarren schnell und fallen in ein Behältnis 32 zum Sammeln. (In äquivalenter Weise können die Partikel gebildet werden, indem man den Strom 26 gegen eine Schleuderscheibe richtet.)
• In Übereinstimmung mit der Erfindung enthält eine Einrichtung zum Steuern der Strömung von einem Metallstrom von einem wassergekühlten Herd einen kegelstumpfförmigen Düsenkörper aus einem leitfähigen Metall, zum Beispiel aus Kupfer, welcher Düsenkörper eine hohle Wand aufweist, die eine innere Oberfläche und eine äußere Oberfläche besitzt, welche sich von einer ersten Basis zu einer zweiten Basis über eine Höhe h erstrecken, wobei die Höhe h der senkrechte Abstand zwischen der ersten Basis und der zweiten Basis ist, wobei der kegelstumpfförmige Düsenkörper ferner mindestens einen Schlitz aufweist, der sich von der ersten Basis zu der zweiten Basis erstreckt, so daß keine elektrische Kontinuität in der Düsenwandung vorhanden ist, mit einer Einrichtung zum Kühlen des Düsenkörpers sowie weiter enthaltend einen Temperaturfühler, der die Temperatur des Düsenkörpers abfühlt. Der Düsenkörper, welcher Vorrichtungen für die optionale Zirkulation von Kühlfluid enthalten kann, besitzt einen Flansch an einem Ende oder seiner Basis, der für eine Befestigung an dem von dem Fluid gekühlten Herd geeignet ist. Diese Basis kann elektrisch leitfähig sein und elektrische Kontinuität aufweisen. Das bevorzugte Fluid ist Wasser, obwohl andere Fluids benutzt werden können, zum Beispiel Edelgase sowie andere flüssige oder gasförmige Medien. Eine Induktionsheizspule umgibt den Düsenkörper, und eine steuerbare Induktionsheizungs-Leistungsversorgung liefert Leistung an die Induktionsheizspule. Eine Steuerung steuert die an die Induktionsheizspule von der Induktionsheizungs- Leistungsversorgung gelieferte Leistung als Antwort auf ein Ausgangssignal von einem Überwachungssensor, vorzugsweise auf ein Signal hin, das auf die von dem Temperaturfühler gemessene Temperatur anspricht.
• Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 wird ein Düsenkörper 40 aus mehreren Hohlrohren 72 gebildet, die auf einem Umfang angeordnet sind und sich von einer ersten Basis 89 zu einer zweiten Basis 90 erstrecken, wobei jedes Rohr von einem benachbarten Rohr so ausreichend im Abstand angeordnet ist, daß es keine elektrische Kontinuität zwischen den Rohren gibt, und mit der allgemeinen Form eines rechtwinkligen Kegelstumpfes, und vorzugsweise die Form eines im wesentlichen geraden kreisförmigen Hohlzylinders besitzt, bei dem die Abmessung des Düseneingangs und Düsenausgangs, die sich an dem ersten Ende bzw. an dem zweiten Ende befinden, im wesentlichen dieselbe ist. In der allgemeinen Form eines Kegelstumpfes ist der Düsenkörper abgeschrägt von einem ersten Ende oder einer ersten Basis 89 hin zu einem zweiten Ende oder einer zweiten Basis 90, so daß die Geometrie der Düse an der ersten Basis 89 oder dem Eingang, wo das Metall eintritt, weniger restriktiv ist als an dem zweiten Ende oder an der Basis 90, wo das Metall austritt. Bei dieser Konfiguration ist ein bodenseitiges Ausströmen und Anzapfen der Schmelze sowie eine stationäre Strömung durch die sich verjüngende Konfiguration erleichtert. Bei der bevorzugten Ausführungsform werden eine Strömung sowie ein Betrieb im eingeschwungenen Zustand durch ein Ausbalancieren des Wärmeeingangs und -ausgangs in und durch die Düse allein mittels des Steuersystems erzielt. Die detaillierte Konstruktion der Wände des Düsenkörpers 40 wird in größerem Detail unter Bezugnahme auf Fig. 3 erörtert.
• Der Düsenkörper 40 ist parallel zu einer zylindrischen Achse 42 langgestreckt. An dem oberen Ende des Düsenkörpers 40 befindet sich ein Flansch 44, der von einem Fluid gekühlt werden kann, und der Kühlfluid an die Rohre liefern kann, welche die Düse bilden. Dieser Flansch 44 ermöglicht es, den Düsenkörper 40 an den von einem Fluid gekühlten Herd 24 anzubringen. Es besteht das Verständnis, daß dasselbe Fluid-Kühlungsmedium in der Düse und in dem Herd benutzt wird, wenn diese integral miteinander verbunden sind, was eine wirtschaftlichere Anordnung ergibt, obwohl beide jeweils von unabhängigen Kühlsystemen bedient werden können. Der Düsenkörper 40 wird gewöhnlich aus einem leitfähigen Metall hergestellt, z. B. aus Kupfer oder einem hochwarmfesten Metall, das aus der aus Wolfram, Tantal oder Molybdän bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
• Um den Düsenkörper 40 herum ist eine Induktionsheizspule 46 in der äußeren Form des Düsenkörpers angeordnet. In der allgemeinen Form handelt es sich bei dieser Form um einen rechtwinkligen Kegelstumpf, während in der bevorzugten Ausführungsform es sich bei dieser Form im wesentlichen um einen Zylinder handelt. Die Induktionsheizspule 46 ist typischerweise eine schraubenförmig gewickelte Spule aus kupfernen Hohlrohren, durch die Kühlfluid geleitet wird, vorzugsweise Wasser, und an deren Enden ein hochfrequenter Wechselstrom über eine steuerbare Induktionsheizungs-Leistungsversorgung 48 angelegt wird. Der Wechselstrom liegt im Bereich von etwa 3-450 KHz, typischerweise bei etwa 10-50 KHz, oder höher, und zwar in Abhängigkeit von den Düsenabmessungen sowie der gewünschten Metallströmungsrate. Obwohl die Induktionsheizspule 46 in Fig. 2 mit einem gleichmäßigen Abstand gezeigt ist, besteht das Verständnis, daß der Windungsabstand verändert werden kann, um die eingegebene Wärme besser an die lokalen Verluste anzugleichen, um eine gleichmäßigere und steuerbare Kopfdicke zu unterstützen, insbesondere an dem Eingang und Ausgang des Düsenkörpers 40.
• In der Ansicht von Fig. 2 ist die Induktionsheizspule 46 in einem schützenden Keramikgehäuse 48 untergebracht, was eine auf dem Fachgebiet bekannte Technik ist. In alternativer Weise kann die Induktionsheizspule, wie in der Ausführungsform von Fig. 3 gezeigt, ohne jegliche Abdeckung um den Düsenkörper 40 herum aufgehängt sein.
• Es ist ein Sensor für die Messung einer Leistungskenngröße der Einrichtung vorgesehen. Der Sensor kann ein Temperatursensor 52 sein, zum Beispiel ein Thermoelement, das den Düsenkörper 40 kontaktiert oder in diesen eingeführt ist, oder ein Temperatursensor 54, zum Beispiel ein Thermoelement, das den Flanschteil 44 des Düsenkörpers 40 kontaktiert oder darin eingeführt ist. Alternativ kann die Leistung(sfähigkeit) mittels eines in dem (nicht gezeigten) Kopf oder in der Nähe zu dem Kopf positionierten Temperatursensors überwacht werden, um die Kopftemperatur zu kontrollieren. Einige weitere Sensoren sind in Fig. 1 gezeigt. Der Sensor kann ein diametraler Sensor 56 sein, der den Durchmesser von dem Metallstrom 26 mißt. Ein derartiger Diametral-Sensor 56 arbeitet, indem er ein Laser- oder Lichtbündel von einer Quelle 58 zu einem Detektor 60 hindurchläßt und so angeordnet ist, daß sich das gemessene Objekt zwischen der Quelle 58 und dem Detektor 60 befindet. Das Lichtbündel ist breiter als der erwartete maximale Durchmesser des Objektes, d. h. hier des Stromes 26. Der Betrag des den Detektor 60 erreichenden Lichtes hängt ab von dem Durchmesser des Stromes 26 und stellt ein Maß für den Stromdurchmesser dar. Der Diametral- Sensor kann alternativ ein Positionssensor 62 sein, zum Beispiel ein Video-Positionsanalysator mit einer in den US-Patenten 4,687,344 und 4,656,331 beschriebenen Quelle (welche Offenbarungen hier durch Bezugnahme eingefügt werden), sowie ein im Handel als Modell 635 von Colorado Video erhältlicher Signalanalysator. Alternativ liefert die Gewichtsänderung des Behältnisses 32 als Funktion der Zeit die Angabe für den Massenfluß an Metall.
• Das Ausgangssignal von jedem der Sensoren 52, 54, 56, 60 und 62 oder von einem anderen benutzbaren Sensor, ist als Eingang für eine Steuerung 64 vorgesehen. Die Steuerung 64 kann eine einfache Einrichtung in der Art einer Brücke sein, oder vorzugsweise ein programmierter Mikrocomputer, in den verschiedene Kombinationen von Steuerbefehlen und Antworten bzw Reaktionen auf bestimmte Situationen einprogrammiert sein können. Der Ausgang der Steuerung 64 ist ein Befehls- bzw. Sollwertsignal für die Induktionsheizungs-Leistungsversorgung 48. Das Befehlssignal 66 schließt eine rückgekoppelte Steuerschleife zur Induktionsheizspule 46, so daß die Wärmeeingabe an den Düsenbereich 28 auf die ausgewählte Leistungskenngröße der Einrichtung reagiert. Beispielsweise kann die Steuerung 64 so betrieben werden, daß sie den Durchmesser von dem Metallstrom 26 in bestimmten Grenzen hält und darüber hinaus nicht zuläßt, daß die von den Temperatursensoren 52 und 54 gemessene Temperatur zu hoch wird. Die Steuerung verändert das Sollwertsignal 66, um dieses Resultat zu erreichen, und kann ferner so programmiert sein, daß sie andere Teile des Systems steuert, zum Beispiel die an den Schmelztiegel 22 angelegte Leistung oder die Strömung der Wasserkühlung für irgendeinen Teilbereich des Systems.
• Der Aufbau der Düse ist in perspektivischer Darstellung in Fig. 3 gezeigt. Der Düsenkörper 40 ist aus mehreren hohlen Rohren 72 gebildet, die um die Umfangsfläche eines Zylinders herum angeordnet sind, und zwar auf einem zylindrischen geometrischen Ort mit den Rohren 72 parallel zu der Zylinderachse 42, die senkrecht zu der aus dem Umfang des Zylinders gebildeten Ebene liegt. Es wird ein rohrförmiger Aufbau benutzt, wobei jedes Rohr einen Finger darstellt, so daß der in der Düse 40 durch die Induktionsspule 46 induzierte Strom um die einzelnen Rohre 72 herum und in den Innendurchmesser der Düse strömt. Jedes Rohr ist mit einem ausreichenden Abstand von den anderen Rohren angeordnet, so daß keine elektrische Kontinuität zwischen benachbarten Rohren vorliegt mit Ausnahme in dem allgemeinen Bereich des Verteilers 76, der an der ersten Basis 89 oder dem oberen Düsenende angeordnet ist. Diese Konstruktion zwingt die induzierten Ströme in den Fingern dazu, um den Außendurchmesser der einzelnen Rohre herum zu verlaufen, was ein magnetisches Feld in der Düse erzeugt. Dieses magnetische Feld seinerseits durchdringt den Kopf (skull) 84 und induziert einen Stromfluß unter einem rechten Winkel dazu gemäß der Rechte-Hand-Regel und erzeugt in dem Kopf 84 Wärme. Die Eindringtiefe dieses magnetischen Feldes hängt ab von der Frequenz des Stromflusses und von der Leitfähigkeit des Kopfmaterials.
• Auf diese Weise "koppelt" das von dem Strom in den Rohren erzeugte elektromagnetische Feld zu dem Kopf 84 und bietet somit ein Verfahren zum Steuern von dem Metallstrom. 26. Wenn eine elektrische Kontinuität in der Düse besteht, wie das der Fall ist, wenn es keinen wirksamen Schlitz gibt oder wenn die Rohre hinreichend nah beieinander liegen, ist die Düse unwirksam.
• Um eine strukturelle bzw. baumäßige Kontinuität zu schaffen, kann ein isolierendes Material, zum Beispiel ein Hochtemperaturzement, in die Schlitze oder Zwischenräume 75 zwischen den Rohren 72 um den Umfang des Düsenkörpers 40 eingebracht werden.
• An dem oberen Ende oder der ersten Basis 89 sind die Rohre 72 an einem hohlen zylindrischen Verteiler 76 befestigt, der seinerseits an dem Flansch 44 befestigt ist. In jedem der Rohre 72 befindet sich ein zweiter Satz von dünneren Rohren 73 mit einem kleineren Durchmesser als die Rohre 72 derart, daß ein Ringraum 77 zwischen den Rohren 72 und den kleineren Rohren 73 gebildet wird, welcher sich von dem Verteiler 76 fast bis zu dem unteren Ende oder der zweiten Basis 90 erstreckt. Das Kühlfluid, bei dem es sich um Wasser oder ein Kühlgas handeln kann, wird durch diese kleineren Rohre 73 zugeführt und fließt in dem Ringraum 77 zwischen den beiden Rohren 72, 73 zurück und macht so jedes Paar von Rohren 72, 73 zu einem individuellen Kühlkreis. Der Verteiler 76 ist mit externen Kühlverbindungsleitungen 80 bzw. 82 ausgestattet, so daß eine Kühlwasserströmung durch die Rohre 72, 73 verlaufen kann. Der Flansch 44 ist mit Schraublöchern oder anderen Befestigungsmitteln ausgestattet, um seine Befestigung an der Unterseite des Herdes bzw. der Feuerung 24 zu erlauben.
• Die vorliegende Erfindung erstreckt sich auf die Arbeitsweise der Einrichtung zum Steuern des Metallstromes. Gemäß diesem Aspekt der Erfindung enthält ein Prozeß zur Steuerung der Strömung von einem Strom aus geschmolzenen Metall die Schritte des Vorsehens einer Einrichtung enthaltend einen kegelstumpfförmigen metallischen Düsenkörper 40 mit einer hohlen Wand, wobei die hohle Wand eine innere Oberfläche und eine äußere Oberfläche aufweist und sich von einer erste Basis 89 zu einer zweiten Basis 90 über eine Höhe h erstreckt, wobei die Höhe h der senkrechte Abstand zwischen der ersten Basis 89 und der zweiten Basis 90 ist, wobei der kegelstumpfförmige Düsenkörper 40 ferner wenigstens einen Schlitz aufweist, der sich von der ersten Basis 89 zu der zweiten Basis 90 erstreckt, so daß in der Düsenwand keine elektrische Kontinuität besteht, enthaltend weiter eine Einrichtung zum Kühlen des Düsenkörpers, eine Induktionsheizspule 46, die den Düsenkörper umgibt, einen Sensor, der eine Leistungskenngröße der Einrichtung abfühlt, eine steuerbare Induktionsheizungs-Leistungsversorgung, die mit der Induktionsheizspule verbunden ist, und eine Steuerung, welche die Leistung steuert, die an die Induktionsheizspule durch die Induktionsheizungs-Leistungsversorgung als Antwort auf ein Ausgangssignal des Sensors geliefert wird, um eine gewählte Leistungskenngröße der Einrichtung beizubehalten; sowie den Schritt des Steuerns der an die Induktionsheizspule 46 angelegten Leistung, um eine vorgewählte Strömung von Metall in dem Strom aufrecht zu erhalten.
• Die Induktionsheizspule 46 ist außen auf dem Düsenkörper angeordnet und kann die Form des Äußeren des Düsenkörpers annehmen. Die Induktionsspule kann unterschiedliche Spulenabstände besitzen, um ein vorgewähltes angepaßtes Heizprofil entlang der Längendimension der Düse zu erlauben. Beispielsweise kann die Spule eine Konzentration von Windungen an der zweiten Basis oder dem unteren Ende der Düse aufweisen, um an dieser Stelle eine größere Wärmeeingabe vorzusehen, um das Abschmelzen von an dieser Stelle haftendem Metall zu erleichtern. Eine Spule mit mehreren Windungen wird bevorzugt.
• Es wird somit eine Einrichtung wie eine der zuvor beschriebenen benutzt, um einen vorgewählten Satz von Bedingungen zu erzielen und beizubehalten. In einem typischen Verfahrenszustand werden die Wechselstromfrequenz sowie die von der Spannungsversorgung 48 an die Induktionsheizspule 46 angelegte Leistung so gewählt, daß ein fester Metallkopf (skull) 84 zwischen dem äußeren Umfang des Metallstromes 26 und der Innenwand des Düsenkörpers 40 aufrecht erhalten wird. Das heißt, der Wärmeabfluß von dem Strom 26 radial nach außen in den Düsenkörper 40 erfolgt ausreichend schnell, um den äußeren Umfang des Metallstromes 26 an der inneren Wand des Düsenkörpers 40 anzufrieren bzw. erstarren zu lassen. Der nicht erstarrte strömende Metallstrom 26 in dem Düsenkörper 40 kommt lediglich in Berührung mit dem erstarrten Metall, welches den Kopf 84 enthält und seine eigene Zusammensetzung bildet, und kontaktiert nicht irgendeine Fremdsubstanz, die beim Aufbau der Wand des Düsenkörpers benutzt worden ist. Es besteht kein Risiko einer Verunreinigung der fließenden Metallströmung durch Kontakt mit den Wänden aus einem anderen Material. Dieses Merkmal ist von hoher Bedeutung für die Steuerung von Metallströmen aus reaktiven Metallen, zum Beispiel aus Titanlegierungen, welche leicht Verunreinigungen absorbieren. Obwohl eine Steuerung der Frequenz und der Leistung eine maximale Systemflexibilität bietet, lassen sich dieselben Ergebnisse erzielen, indem man nur die Leistung variiert.
• Der Kopf (skull) 84 kann dicker oder dünner gemacht werden, indem man selektiv die Spannungsversorgung 48 und die Kühlung des Düsenkörpers 40 über Befehle bzw. Sollwerte aus der Steuerung 64 steuert. Die Kühlung kann mittels irgendeiner von einer Vielzahl von Einrichtungen vorgenommen werden, zum Beispiel indem man ein Kühlfluid durch den hohlen Düsenkörper strömt oder durch die den Düsenkörper umfassenden Rohre, oder indem man einen Strom von Kühlgas über das Äußere des Düsenkörpers strömen läßt. Wenn der Kopf 84 dicker gemacht wird, wird der Durchmesser des strömenden Teils des Metallstromes 26 kleiner. Wenn der Kopf 84 kleiner gemacht wird, wird der Durchmesser des Metallstromes 26 größer. Die Steuerung der Kopfdicke wird als ein Ventil zum Verringern oder Vergrößern der Größe des strömenden Stromes 26 und somit der Massendurchflußrate an Metall benutzt. Indem man die Dicke des Kopfes 84 unbegrenzt vergrößert, kann die Metallströmung vollständig über den fest gewordenen Kopf abgeschaltet werden, welcher über die volle Breite des Düsenkörpers 40 reicht. Die Strömung kann erneut gestartet werden, indem man den Prozeß umkehrt und die Dicke des Kopfes vermindert. Da dieses Ausmaß an Steuerung kritische Handhabungen erfordern kann, wird es vorgezogen, daß es sich bei der Steuerung 64 um einen programmierten Minicomputer handelt.

Claims (11)

1. Einrichtung (20) zum Steuern der Strömung von einem Metallstrom (26), enthaltend:

einen kegelstumpfförmigen metallischen Düsenkörper (40) mit einer hohlen Wand, wobei die hohle Wand eine innere Oberfläche und eine äußere Oberfläche aufweist und sich von einer ersten Basis (89) zu einer zweiten Basis (90) erstreckt, wobei der Körper ferner wenigsten einen Schlitz (75) aufweist, der sich von der ersten Basis zu der zweiten Basis erstreckt, so daß die Wand keine elektrische Kontinuität über dem Schlitz aufweist,

eine Einrichtung (72) zum Kühlen des Düsenkörpers, um einen Metallkopf (84) auf der inneren Oberfläche der hohlen Wand des Düsenkörpers zu bilden,

eine Induktionsheizspule (46), die den Düsenkörper umgibt,

einen Sensor, der wenigsten eine Charakteristik der Leistungsfähigkeit der Einrichtung mißt, die aus der Gruppe von Leistungsfähigkeits-Charakteristiken ausgewählt sind, die umfassen

einen Durchmesser des Metallstroms (26),

eine Masseströmungsrate des Metallstroms,

eine Temperatur des Düsenkörpers (40),

eine Temperatur des Metallkopfes;

eine steuerbare Induktionsheizungs-Leistungsversorgung (48), die mit der Induktionsheizspule verbunden ist, und eine Steuerung (64), die die Leistung steuert, die an die Induktionsheizspule durch die Induktionsheizungs-Leistungsversorgung als Antwort auf ein Ausgangssignal des Sensors geliefert wird, um die gewählte Leistungsfähigkeits-Charakteristik der Einrichtung beizubehalten.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei der Düsenkörper (40) aus einem hochwarmfesten Metall gebildet ist, das aus der aus Wolfram, Tantal und Molybdän bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei der Düsenkörper (40) aus mehreren ersten hohlen Rohren (72) gebildet ist, die um einen Umfang herum angeordnet sind und sich von der ersten Basis zu der zweiten Basis erstrecken, wobei jedes Rohr in einem ausreichenden Abstand von einem benachbarten Rohr angeordnet ist, so daß es keine elektrische Kontinuität zwischen benachbarten Rohren gibt.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, wobei ein zweites hohles Rohr (73) in jedem der mehreren ersten hohlen Rohre (72) vorgesehen ist, wobei die zweiten hohlen Rohre einen Durchmesser haben, der kleiner ist als der Durchmesser der mehreren ersten hohlen Rohre, so daß Kühlwasser, das von einem Verteiler (76) zugeführt ist, der an der ersten Basis (89) zu jeder der zweiten hohlen Rohre angeordnet ist, durch jedes der zweiten hohlen Rohre strömt und zu dem Verteiler zwischen einem Ringraum (77) zwischen den mehreren ersten hohlen Rohren und jedem der zweiten Rohre zurückkehrt.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zum Kühlen eine gekühlte Wärmesenke (84) aufweist, die an dem Düsenkörper befestigt ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zum Kühlen Kühlkanäle (72) in dem Düsenkörper aufweist, durch die Kühlfluid strömt.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zum Kühlen ein Kühlfluid aufweist, das durch den hohlen Düsenkörper strömt.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zum Kühlen ein Gas mit hoher Geschwindigkeit aufweist, das um das Düsenäußere herumströmt.

9. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die gewählte Leistungsfähigkeits-Charakteristik die Temperatur des Düsenkörpers ist, die durch einen Temperatursensor gemessen wird.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, wobei der Temperatursensor ein Thermoelement (52) in Kontakt mit dem Düsenkörper ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei der Düsenkörper (40) von mehreren leitenden hohlen Rohren (72) gebildet ist, die entlang einem im wesentlichen zylindrischen geometrischen Ort angeordnet sind und parallel zu einer Achse (42) senkrecht zu der Ebene des zylindrischen geometrischen Orts angeordnet sind und dadurch einen Zylinder bilden, wobei der Düsenkörper einen Flansch (44) an seinem einen Ende aufweist, der für eine Befestigung an einer wassergekühlten Feuerung (24) geeignet ist.