DE973079C - Elektrischer Hochvakuum-Lichtbogenofen fuer schwer schmelzbare Metalle - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 26. NOVEMBER 1959

W 16637 VIIId/21h

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Hochvakuum-Lichtbogenofen zum Lichtbogenschmelzen von schwer schmelzbarem, elektrisch leitfähigem, körnigem Material, wie Titan und anderen Metallen mit hohem Schmelzpunkt, in Form von kleinen Teilchen an sich beliebiger Größe, die aber wesentlich kleiner sind als die Barren oder das Gußteil oder der Schmelzfluß, die in dem Ofen erzeugt werden. Die Erfindung zielt insbesondere auf das Schmelzen von Stoffen ab, die, wie etwa Titan, bei ihrer Schmelztemperatur luftempfindlich sind, Sauerstoff an sich reißen oder sonstwie chemisch reagieren oder auf das Schmelzen von Metallen, die, wie etwa Titan, Circon, Chrom, Molybdän und Wolfram sowie deren Carbide, Oxyde und andere Verbindungen, einen so hohen Schmelzpunkt haben, daß durch Verunreinigungen mit keramischer Masse und den üblichen SchmeJztiegelstoffen Schwierigkeiten auftreten. Im allgemeinen wird der Schmelztiegel oder die Gießform aus flüssigkeitsgekühltem Material, etwa Kupfer, hergestellt, das ein guter Wärmeleiter ist, so daß das geschmolzene Titan nicht mit einem heißen, aus einem gebräuchlichen Schmelztiegelmaterial her-

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gestellten Schmelztiegel in Berührung kommt. Damit wird die Zerstörung des Schmelztiegels und die Verunreinigung des Titans vermieden.

Es sind bisher hauptsächlich zwei Typen von Lichtbpgenschmelzöfen für Titan bekannt. Der eine Typ verwendet eine kleine Anode oder Kathode für den Lichtbogen. Diese Anode oder Kathode war über der Schmelze angeordnet und besteht aus Graphit oder einem Metall, dessen ίο Schmelzpunkt noch höher liegt als der der Schmelze. In Verbindung mit dieser Anode oder Kathode ist dabei eine Vorrichtung zum Zuschütten des zu schmelzenden, pulverisierten Materials vorgesehen. Ein derartiger Ofen arbeitet bei Atmosphärendruck oder einem anderen, genügend hohen Druck, so daß sich der Bogen nicht über eine große Zone auf den Elektroden ausbreitet. Dieser Ofentyp hat den Nachteil, daß relativ viel Anodenmaterial verdampft wird und die Schmelze verunreinigt.

Eine andere bekannte Form eines Lichtbogenschmelzofens erfordert die Verwendung einer langen Anode oder Kathode··"aus gepreßtem Titanschwamm, der in ein Titanschmelzbad abgeschmolzen wird. Dieses Schmelzbad wird von einer wassergekühlten Kupferform aufgenommen. Die Titanelektrode wird aus schwamtnförmigem Titan hergestellt. Dieses schwammförmige Material erhält man durch Pressen kleiner Stücke oder Blöcke bis auf z. B. 75 °/o des Massivgewichtes. Diese Blöcke müssen sorgfältig aneinandergeschweißt werden, damit eine Anode entsteht, die genügend Titan enthält, um eine Schmelze zu liefern, die wunschgemäß größer ist als einer der verfügbaren, zu Titanschwamm gepreßten Blöcke. Ein solcher Ofen arbeitet bei einem Druck, der hoch genug ist, um den Lichtbogen konzentriert zu erhalten. Dieser Ofentyp erfordert beträchtliche Kosten für die Erzeugung des gepreßten Titanschwamms. Auch kann ein solcher Ofen nicht bei niederen Gasdrucken betrieben werden, weil der Kathodenbrennfleck des Lichtbogens sich dann auf die wassergekühlte Wandung des Kathodenhalters ausdehnt und diesen verbrennt oder weil bei utngekehrter angelegter Spannung der Kathodenfleck die Titanschwammelektrode hinaufwandert, anstatt das Ende der Elektrode abzutragen. Da bei derartigen Öfen ein hohes Vakuum nicht verwendet werden kann, muß daher das Titan in einer Schutzatmosphäre, die üblicherweise aus einer Helium-Argon-Mischung besteht, geschmolzen werden.

Es wird daher ein elektrischer Hochvakuum-Lichtbogenofen verwandt, der aus einem luftdichten Kessel besteht, in dessen oberem Teil sich eine nicht abschmelzende Elektrode als Anode und in dessen unterem Teil sich ein nicht abbrennender, kathodenseitiger Schmelztiegel befindet. Ferner ist eine Anodenanordnung im Inneren und in angemessenem Abstand von dem Kessel und der Schmelztiegelwandung eine Anlage für die Zuführung elektrischer Leistung zur Erzeugung eines Lichtbogens zwischen der Anodenanordnung und der Oberfläche der in dem Tiegel sich ansammelnden Schmelze sowie eine vertikale, der Regelung g₅ der Länge des Lichtbogens zwischen Elektrode und Schmelze dienende Vorrichtung vorgesehen. Die beschriebenen Schwierigkeiten werden erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß zwischen der Elektrodenanordnung und der Seitenwandung des Schmelztiegels ein nicht abbrennender, vorzugsweise flüssigkeitsgekühlter, die Elektrodenanordnung nach Art von Gleichrichter-Lichtbogenführungshülsen zylindermantelförmig umgebender Schirm angeordnet ist, dessen über das untere Ende der Elektrodenanordnung hinausragende Unterseite dicht über dem Spiegel der Schmelze liegt, wobei die vertikale Nachstellvorrichtung so ausgebildet ist, daß sie eine Regelung des Abstandes zwischen Unterseite des Schirms und dem Spiegel der Schmelze gestattet, und daß eine abbrennende Zündelektrode bzw. ein abbrennender Zündstift derart angeordnet ist, daß der Lichtbogen überschlagen kann, ohne daß der Schirm jemals in elektrische Berührung mit dem Kathodenteil tritt. Dabei wird der Fachmann eine derartige Bemessung des Vakuums wählen, daß der Lichtbogen einen großen Bereich der Elektrodenanordnung und der Oberfläche der Schmelze bedeckt. Dadurch wird es möglich, eine Elektrode mit einer so großen, wirk- _go samen Oberflächenzone zu verwenden und diese so weit zu kühlen, daß im wesentlichen keine Verunreinigungen durch das' Anodenmaterial der Schmelze zugeführt werden. Wenn die Elektrode aus einer größeren Menge Titan besteht, kann die Kühlung durch Wärmestrahlung oder andere flüssigkeitsgekühlte Flächen in dem Ofen so wirksam werden, daß die Elektrode nicht schmilzt und im wesentlichen nicht verbrennt. Wenn Spurenelemente des Elektrodenmaterials dennoch in die Schmelze' gelangen, so tritt hierdurch kein Schaden ein, weil die Elektrode im wesentlichen aus demselben Material besteht wie die Schmelze. Andererseits kann die Elektrode des Ofens direkt wassergekühlt werden. Man fertigt die wassergekühlte Elektrode vorzugsweise aus Kupfer oder anderem gut wärme- und stromleitendem Werkstoff. Sie wird so weit abgekühlt, daß keine schädlichen Mengen an Verunreinigungen durch Verdampfen des Elektrodenmaterials der Schmelze zugeführt wird. Um das erforderliche Vakuum -zu ermöglichen, müssen Vorkehrungen getroffen sein, die verhindern, daß der Lichtbogen auf die Wandung des Schmelztiegels überschlägt. Dies geschieht durch den Schutzschirm, dessen Wirkung noch durch Anwendung eines Magnetfeldes unterstützt wird. Die magnetische Konzentrierung von Lichtbogen ist in der Lichtbogenschweißtechnik bekannt. Ferner ist auf dem Gebiet der Quecksilberdampfgleichrichter die Verwendung von Lichtbogen- iao führungshülsen bekannt.

Die Figuren zeigen Ausführungsformen der Erfindung. Es stellen dar:

Fig. ι eine schematische Ansicht der Stromläufe und des Mechanismus eines Lichtbogenofens nach der Erfindung mit einer wassergekühlten Elek-

trode; der Ofenaufbau ist durch einen schematischen Vertikalschnitt angedeutet;

Fig. 2 einen schematischen vertikalen Schnitt einer abgeänderten Form des Ofentyps der Fig. ι mit einer anderen Aufstellung des Bunkers für das pulverisierte Titan und mit einer anderen Vorrichtung zur Aufrechterhaltung der gewünschten Lichtbogenlänge;

Fig. 3 eine schematische Ansicht der Stromkreise und des Mechanismus eines dreiphasigen Lichtbogenofens, der gleichzeitig als Gleichrichter dient; der Ofen ist auch mit einem Magnetfeld, das zusätzlich den Lichtbogen von der Seitenwandung des Schmelztiegels fernhält, ausgestattet;

Fig. 4 ein Gerät ähnlich dem der Fig. ι mit einer anderen, nicht wesentlich abbrennenden Anode aus Titan, sowie mit einer Anordnung zur Erzeugung eines Magnetfeldes wie in Fig. 3.

Der Lichtbogenschmelzofen der Fig. 1 besteht aus einem luftdichten Kessel 5 mit einem Pumpenanschluß 6, durch den mittels schematisch angedeuteter Diffusions- und mechanischer Pumpen 7 der Kessel evakuiert werden kann. Im Unterteil des Kessels ist ein nicht abbrennender, als Kathode dienender Schmelztiegel 8, der aus einer zylindrischen kupfernen, von einem Kühlwassermantel 11 umgebenen Seitenwandung 9 und einer verschiebbaren, kolbenartigen kupfernen Bodenwandung 12 mit einem Wassermantel 13 besteht. Die Innenflächen der Seiten- und Bodenwandungen 9 und 12 des Schmelztiegels 8 befinden sich also innerhalb des Kessels 5.

Unterhalb der Bodenwandung 12 des Schmelztiegels oder der Schmelzform 8 ist der luftdichte Kessel 5 mit einer abnehmbaren Bodenplatte 14 und dazwischenliegender luftundurchlässiger Dichtung 15 abgeschlossen. Diese Bodenplatte 14 wird durch Gelenkbolzen 16 und leicht abnehmbare Flügelmuttern 17 festgehalten. Die Bodenplatte 12 des Schmelztiegels 8 ist mit einer nach unten stehenden Kolbenstange oder Tragsäule 18 ausgerüstet, die gleitend durch eine in geeigneter Weise abgedichtete Bohrung 19 im Zentrum der Bodenplatte 14 des Kessels hindurchtritt. Die Kolbenstange oder Tragsäule 18 endet unten in einer Tragvorrichtung (nicht gezeichnet), üblicherweise einer Winde, durch die die Schmelztiegelbodenwandung 12 in bekannter Weise gehoben oder gesenkt werden kann. Im oberen Teil des Schmelztiegels 8 der Fig. 1 erkennt man eine ringförmige, flüssigkeitsgekühlte Elektrode 21 in Form einer Wendel oder zylindrischen Spirale aus Metallrohr, das aus Kupfer oder einem anderen, Wärme und Strom gut leitenden Metall gefertigt ist. Die Ein- und Auslaßenden des Kupferrohres der Elektrode 21 treten nach oben durch geeignete isolierende, luftdichte Buchsen 22 in der abnehmbaren Deckplatte 23 des Kessels aus, so daß dem Wendelrohr der Elektrode 21, wie in der Zeichnung durch Pfeile schematisch angedeutet, Wasser für die Kühlung zu- und abgeführt werden kann und daß die elektrischen Anschlußklemmen 25 angebracht werden können.

In der Achse der aus Rohr gewendelten Elektrode ist eine kleine Zündelektrode 27, Vorzugsweise aus Titan, angebracht, die in eine horizontale Halterung 28 übergeht oder an ihr befestigt ist. Diese Halterung ist an ihrem Ende 29 isoliert und drehbar an der Seitenwandung des Kessels 5 eingesetzt. Die horizontale Halterung 28 der Zündelektrode 27 kann gehöben oder gesenkt werden, und zwar mittels des Leiters 31 der Zündelektrode, der isoliert mit einem Balg 32 verbunden ist, der eine Bohrung in der abnehmbaren Deckplätte 23 des Kessels 5 umgibt. Auf der Deckplatte 23 des Kessels ist, wie Fig. 1 zeigt, nach oben ein Zylinder

34 angeordnet, der als Gehäuse für einen Bunker

35 dient. Dieser Bunker enthält das zerkleinerte Material 36, etwa Titan, das geschmolzen und in dem Schmelztiegel oder der Form 8 zu einer Barre ausgeformt 'werden soll. An der Unterseite des Bunkers 35 schließt sich ein Trichter oder ein anderes geeignetes Gerät an, durch das das zerkleinerte Material abgegeben wird und¹ bei Betrieb des Ofens durch die Elektrode 21 fällt. Die Materialzugabe kann in beliebiger Weise gesteuert werden. Symbolisch ist als Bedienungsvorrichtung eine Schüttelstange 38 eingetragen, die am Boden des Bunkers 35 befestigt ist und durch eine balgumgebene öffnung 39 in der Seitenwand des Kessels 5 geführt ist.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Ringraum zwischen der Elektrode 21 und dem oberen Teil der Seitenwandung 9 des Schmelztiegels 8 ein zylindrischer Schirm oder ein Schutzring 41 angebracht, die allein oder zusätzlich verhindern sollen, daß der Lichtbogen auf die Seitenwandung 9 des Schmelztiegels überschlägt. Vorzugsweise ragt die Unterseite des Schutzrings 41 über das untere Ende der Elektrode 21 leicht nach unten heraus, aber nicht so weit, daß er in Berührung mit dem Spiegel der Schmelze oder der Barre 42 kommt, die in dem Schmelztiegel erzeugt wird. In vielen Fällen wird der Schutzring ganz oder teilweise wassergekühlt, etwa mittels des Wassermantels 43, dessen Anschlußrohre 44 durch isolierende, luftdichte Buchsen 46 in der Deckplatte 23 des Kessels nach unten geführt werden.

Der Lichtbogenofen gemäß Fig. 1 wird aus der Niederspannungsseite des Drehstromtransformators 47 über eine Gleichrichteranordnung 48 mit einem Strom von etwa 2000 Amp. und mehr gespeist. Die Leitung 49 führt über «die Klemmen 25 an die Elektrode 21; die Ableitung des Stromes von der Kathode zu der Gleichrichteranordnung 48 erfolgt über die Leitung 51, die an die Tragsäule 18 der Bodenwandung· 12 des Schmelztiegels 8 angeklemmt ist. Eine Zweigleitung führt von der Leitung 49 über einen Vorwiderstand 52 und einen Schalter oder Druckknopf 53 zu der Leitung 31 der Zündelektrode.

Bei Betrieb der Einrichtung nach Fig. 1 ist die Bodenwandung 12 des Schmelztiegels 8 anfangs in ihrer höchsten Lage. Vorzugsweise trägt diese Bodenwandung 12 in ihrer Mitte eine kleine Hilfselektrode 54 aus Titan, die vorübergehend das

untere Ende der Zündelektrode berühren kann; die Berührung wird rasch wieder gelöst, entweder durch leichtes Absenken der Bodenwandung 12 oder vorzugsweise durch rasches Anheben der Zündelektrode 27 durch Abziehen, der Leitung 31 nach oben'. Wenn die Zündelektrode 27 hoch genug angehoben ist, wird sie nicht merklich schmelzen und kann für mehrere aufeinanderfolgende Schmelz- und Formvorgänge in dem Ofen verwendet werden; ganz gleich, ob eine Hilfselektrode 54 aus Titan Verwendung findet oder nicht, ist es wünschenswert, etwas zerkleinertes Titan aus dem Bunker 35 abzuschütten, bevor der Druckknopf 53 geschlossen wird.

Sobald der Zünd-Lichtbogen sich am unteren Ende der Zündelektrode 27 ausgebildet hat, entsteht auch der Arbeits-Lichtbogen zwischen Elektrode 21 und der kleinen Titanmenge, die anfangs auf der Bodenwandung 12 des Schmelztiegel 8 lag. Der Elektrode 21 muß so viel Strom zugeführt werden, daß das pulverisierte Titan, das dem Schmelztiegel 8 von dem Bunker 35 zugeführt wird, vollständig schmilzt. Dieser Vorgang erfordert üblicherweise eine Stromstärke von mehr als 2000 Amp. Die Stromstärke hängt ab von der Größe des Gerätes und von der Geschwindigkeit, mit der der Schmelzvorgang erfolgen soll.

Wegen des hohen Vakuums, das durch die Pumpe 7 aufrechterhalten wird, zersprühen der Lichtbogen oder die Vielzahl kleiner paralleler Lichtbogen und bedecken eine ausgedehnte Zone der Elektrode 21, ebenso eine ziemlich große Zone im Zentralbereich der Oberfläche des Schmelzgutes im Schmelztiegel 8. Das Zersprühen und die Bedeckung eines großen Bereiches der Elektrode durch den Lichtbogen erfolgt üblicherweise bei einem Druck von wenigen Millimetern: Quecksilber, etwa von 5 mm und weniger. Wegen des großen, vom Lichtbogen beaufschlagten Anodenbereichs ist es bei diesem Ofen möglich, die Anode ausreichend mit Wasser zu kühlen, so daß ihre große wirksame Oberfläche kühl bleibt, so daß sie nicht durch den Aufschlag des ständig wandernden Lichtbogens in schädlicher Weise verdampft wird. Damit wird ebenso die Zerstörung der Elektrode als auch die Verunreinigung der Titanschmelze oder Barre vermieden, und es ist nicht notwendig, eine Elektrode aus nicht abbrennendem Material hohen Schmelzpunktes zu verwenden.

Der Schirm oder der Schutzring 41 verhindert, daß der Kathodenbrennfleck sich nach der Ofenwandung 9 verlagert. Dies wird dadurch bewerkstelligt, daß sich die Unterseite des Schirms oder Schutzrings 41 nur in geringem Abstand von der Oberfläche des Spiegels des geschmolzenen Materials oder der Schmelze 42 in dem Schmelztiegel befindet. Ein Bogen, der auf der Seitenwandung 9 über dieser Schmelze 42 enden würde, würde daher eine Lichtbogenspannung haben, die höher ist als die Spannung des kürzeren Hauptbogens, der auf dem direkten Weg zwischen der Elektrode und der Schmelze 42 überschlägt. Längere Lichtbogen, z. B. mit Kathodenfleck auf der Seitenwandung 9, könj nen also gar nicht auftreten und noch weniger bestehen, wenn sie aus irgendeinem Grund sich den- g₅ noch ausbilden sollten. Die Stellung der kolbenartigen Bodenwandung 12 des Behälters oder Schmelztiegels 8 muß so sein, daß nur ein kleiner Abstand zwischen der Unterseite des Schirms oder Schutzrings 41 und der Oberfläche der Schmelze ₇₀, 42 besteht. Nur die oberste Schicht des Titans ist flüssig und die unteren Teile bilden eine feste Titanbarre. Über dem Spiegel der Schmelze befinden sich viele Kathodenbrennflecke, so daß das Titan flüssig bleibt, während die kupferne Wandung 9 des Behälters nicht schmilzt, weil der Wassermantel 11 vorhanden ist und weil der Abstand zwischen der Unterseite des Schirms 41 und der Oberfläche des Titans zu eng ist, als daß ein Lichtbogen nach der Seitenwandung 9 hin entstehen könnte, wie das im vorstehenden erklärt wurde. Eine Meßanordnung zur Bestimmung des Titanspiegels von außen ist nicht eingezeichnet. Es kann aber eine geeignete Vorrichtung zu diesem Zweck angebracht werden, die entweder die Wandtemperatur oder den Lichtbogenspannungsabfall in dem Ofen mißt. Die vorliegende Erfindung befaßt sich nicht mit solchen Einzelheiten; es können auch andere geeignete Vorrichtungen Verwendung finden.

Die Wärme, die von der Oberfläche des geschmolzenen Titans ausgestrahlt wird, wird von den Buchsen 22 und 46 durch Wärmeschutzplatten 56 ferngehalten, die auch das verdampfte Titan daran hindern, auf den Isolatoren zu kondensieren. Das isolierte Gelenk 29 für die Zündelektrode 27 kann zur Verhinderung von Kondensation auf diesem Isolator ebenfalls abgeschirmt werden.

Wenn der Schmelzvorgang beendet ist, wird die fertige Barre durch Lösen der abnehmbaren Platte 14 des Kessels und Absenken der kolbenartigen Bodenwandung 12 des Schmelztiegels oder der Form 8 entfernt. Nach Entnahme der Barre kann die Bodenwandung 12 wieder an ihren Platz in der Form oder dem Schmelztiegel 8 gebracht werden, und die Bodenplatte 14 des Kessels kann wieder angeschraubt werden.

Bevor der Ofen für einen zweiten Schmelzvorgang betriebsfertig ist, wird üblicherweise das zerkleinerte Ti tan in dem Bunker 35 frisch aufgefüllt; dies kann nach Entfernung des abnehmbaren Deckels 58, der den Zylinder 34 oben abschließt, leicht erfolgen.

Fig. 2 zeigt eine abgeänderte Form des Ofens, bei der statt des Bunkers 35 der Fig. 1 ein Bunker 65 über der wassergekühlten Elektrode 66 angeordnet ist. Dieser Bunker 65 ist an seiner Unterseite mit einer Ablauföffnung 6γ versehen, von der aus das zerkleinerte Titan oder anderes körniges Material, durch die Elektrode 66 gesteuert, durch einen nach oben ragenden Ablaufpfropfen 68, der an seinem oberen Ende mittels eines äußeren Elektromagneten oder einer Magnetspule 69 bewegt wird, fließen kann.

In Fig. 2 hat die Elektrode 66 die Form eines doppelwandigen Trichters; in dem Raum zwischen

den zwei Wänden befinden sich eine Spirale oder Führuogsbleche, die das Kühlwasser, das durch das Einlauf rohr 71 eintritt, zwingt, durch die Elektrode zu zirkulieren und durch das Austrittsrohr 72 abzuströmen. Die Zulauf- und Ablauf rohre 71 und 72 stehen in Verbindung mit den konzentrischen Zylindern 73, die vertikal in einer geeigneten luftdichten Buchse 74 des abnehmbaren Deckels 75 einerverukalen zylindrischen Wandung 76, die sich über der Deckplatte 23' erhebt, gleiten. In Fig. 2 ist die bewegliche Zündelektrode 27 der Fig. 1 durch ein kleine, ersetzbare, abbrennende Zündelektrode 77 aus Titan ersetzt, die in einem Vorsprung 78 auf der Innenwand des Trichters der Elektrode 66 haftet. Diese Zündelektrode 77 schmilzt und verschwindet unter der Hitze des Arbeits-Lichtbogens, wenn sie ihre Zündfunktion erfüllt hat.

In Fig. 2 ist der Schutzring oder der Schirm 41' nicht direkt wassergekühlt; die Kühlung erfolgt durch die nahe gelegene gekühlte Elektrode 66 und die gekühlte Seitenwandung 9 des Schmelztiegels 8. Dieser Schutzring oder Schirm 41', wird an seinem oberen Ende von Isolatoren 81, die auf dem Deckel des Bunkers 65 aufliegen, getragen.

Fig. 2 zeigt eine weitere Konstruktionsänderung, die der Aufrechterhaltung der richtigen Lichtbogenlänge im Ofen dient. Es wird nicht mehr das System der Fig. 1 verwendet, bei dem der als kathodenseitige Elektrode wirkende Spiegel der Schmelze immer auf gleicher Höhe gegenüber der Unterseite der Elektrode 21 steht. In Fig. 2 liegt der Spiegel der Schmelze auf veränderlicher Höhe; er liegt zu Beginn des Schmelzvorganges in der Nähe des Bodens des Schmelztiegels 8 und steigt mit zunehmender Ablagerung von Titan im Schmelztiegel. In Fig. 2 ist an Stelle der verschiebbaren, wassergekühlten Bodenwandung 12 des Schmelztiegels 8, wie sie Fig. 1 zeigt, nur der mittlere Teil der Bodenplatte 14' des Gesamtkessels vorgesehen, der, wie die Fig. 2 zeigt, durch den Wassermantel 82 gekühlt wird. Um die richtige Lichtbogenlänge aufrechtzuerhalten, wird die ganze Elektrodenanordnung während des Betriebes des Ofens der Fig. 2 nach und nach angehoben, so daß eine konstante Lichtbogenlänge oder ein konstanter Abstand der Elektrode 66 und des Schutzrings oder Schirms 41' gegenüber der Oberfläche des geschmolzenen Titans im Schmelztiegel 8 bestehenbleibt. Das Anheben der Elektrodenanordnung der Fig. 2 erfolgt an deren, oberstem Teil mittels einer Ringöse 83, die von Hand oder automatisch so weit, als dies zur Aufrechterhaltung der richtigen Länge oder Spannung des Lichtbogens notwendig ist, angehoben wird.

In der Konstruktion der Fig. 2 sind die isolierenden Buchsen 22 und 46 in der Deckplatte 23, die sich auf dem gleichen elektrischen Potential wie der kathodenseitige Schmelztiegel 8 befindet, nicht mehr erforderlich; es. ist vielmehr ein zylindrischer oder ringförmiger Isolator 84 vorgesehen, der den Schmelztiegel 8 der Fig. 2 und die Deckplatte 23' voneinander trennt, so daß die konzentrischen Zylinder 73 dort, wo sie gleitend durch die luftdichte Buchse 74 hindurchtreten, nicht mehr von dem abnehmbaren Deckel 75 der Fig. 2 isoliert zu sein brauchen.

Fig. 3 zeigt zwei andere Ausgestaltungen der Erfindung, die unterschiedlich ausgeführt sein können. Und zwar handelt es sich um eine Einrichtung mit mehreren Elektroden, die außerdem die Funktion von Gleichrichteranoden haben, und eine magnetische Abschirmvorrichtung, die den Lichtbogen von der Seitenwandung 9 des Schmelztiegel« 8 fernhält. Der Ofen der Fig. 3 ist mit drei wassergekühlten Elektroden 91, 92, 93 ausgerüstet, die schematisch in einer Ebene gezeichnet sind, in Wirklichkeit aber selbstverständlich in den drei Ecken eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet sind, das bezüglich der Schmelztiegelachse symmetrisch ist. Die Ofenkonstruktion ist der der Fig. ι ähnlich, abgesehen davon, daß in Fig. 3 die drei Elektroden 91, 92 und 93 direkt an die Sekundärklemmen des dreiphasigen Transformators 47 angeschlossen sind. Diese drei Elektroden wirken gleichzeitig als Anoden eines Dreiphasen-Gleichrichters, so daß Gleichstrom von den Anoden zum Schmelzgut fließt. Die Leitung 51' ist in Fig. 3 mit dem Sternpunkt der Sekundärwindung des Transformators 47. verbunden.

In Fig. 3 findet statt der verschiebbaren Zündelektrode 27 der. Fig. 1 eine kleine, auswechselbare, abbrennende Zündelektrode 77' ähnlich der der Fig. 2 Verwendung. Diese Zündelektrode 77' haftet in Fig. 3 in einem Vorsprung 78' auf der inneren zylindrischen Oberfläche des Schutzrings oder des Schirms 41, der die drei Elektroden 91, 92, 93 umgibt. Der notwendige kleine Anlaufstrom der Zündelektrode 77' in Fig. 3 wird über einen Zündstromkreis mit einem Schalter oder Druckknopf 94 und einer Batterie 95 zwischen einem der Kühlrohre des Schutzschirms 41 und der Leitung 51' oder dem sekundärseitigen Sternpunkt des Trans^: formators 47 zugeführt. Diese Zündelektrode 77' schmilzt in der Hitze des Hauptentladungsbogene sofort nach Inbetriebnahme des Ofens ab.

In Fig. 3 findet man auch eine Magnetanordnung außerhalb der Seitenwandung des Schmelztiegels 8 und einen inneren, magnetischen wassergekühlten Zylinder zur Erzeugung eines Magnetfeldes, dessen Kraftlinien den Spiegel der Schmelze 42 in einer ringförmigen Zone innerhalb des Schmelztiegels durchsetzen. Fig. 3 zeigt als äußere Magnetanlage einen magnetisierbaren Ringkörper 96 von U-förmigem Querschnitt, dessen obere und untere Flansche 97 und 98 als Polschuhe bis dicht an den Mantel 11 der Seitenwandung 9 des Schmelztiegels 8 heranreichen; der obere Polschuh 97 liegt über dem Spiegel der Schmelze 42, während der untere Polschuh 98 unter ihm liegt. Dem Ringkörper 96 werden in geeigneter Weise die Eigenschaften eines permanenten oder eines Elektromagneten mitgeteilt, so daß der obere Polschuh 97 die eine, der Polschuh 98 die andere Polarität besitzt; die Richtung dieser Polarität ist uriwesentlieh. Man erkennt in der Figur eine elektrisch ge-

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speiste Magnetanordnung in der Form einer Gleidhstromspule 99 innerhalb oder außerhalb des Vertikalringes des Ringkörpers 9.6. In der gezeichneten Ausführungsform befindet sich die Spule 99 innerhalb des magnetischen Ringkörpers 96 zwischen dessen oberem und unterem Flansch und ist mit der Leitung 51' in Serie geschaltet.

Um die Magnetanordnung der Fig. 3 wirksam zu machen, stellt man die Seitenwandung 9 des Schmelztiegels 8 sowie die metallischen Teile des Wassermantels 11 aus nicht magnetisierbarem Material her, so daß der magnetische Kraftfluß, der die inneren Ringflächen des oberen und des unteren Flansches 97 und 98 durchsetzt, in den Innenraum des Schmelztiegels 8 eintreten kann. Der Schutzring oder Schirm 41 kann, wenn er überhaupt vorgesehen ist, aus nicht magnetisierbarem oder magnetisierbarem Material gefertigt sein. Wenn ein solcher Schirm 41, wie ihn die Fig. 3 zeigt, verwendet wird, fertigt man ihn mit Vorteil aus magnetisierbarem Material, so daß ein größerer Anteil des magnetischen Kraftflusses des Ringkörpefs 96 in diesem Schirm 41 in vertikaler Richtung fließt. Die Unterseite dieses Schirms wirkt dann als ein ringförmiger Magnetpol, der dicht über der Oberfläche der Schmelze 42 in einer Zone liegt, deren Radius nur wenig kleiner ist als der des äußeren Randes der Oberfläche der Schmelze oder Barre.

Die magnetischen Kraftlinien der in Fig. 3 dargestellten Einrichtung haben also im wesentlichen vertikale Richtung oder eine Richtung mit einer vertikalen Komponente, so daß ein Lichtbogen, der seinen Kathodenbrennfleck auf die Seitenwandung 9 des Schmelztiegels 8 verlagern und ausbreiten wollte, dieses vertikale Magnetfeld schneiden müßte. Die Wirkung wäre, daß die Elektronen und ionisierten Teilchen, die den Lichtbogen bilden, in rasche Rotationsbewegung versetzt wurden, wodurch die effektive Länge des Lichtbogens und damit seine Spannung bedeutend zunehmen wurden. Die Bildung eines solchen Bogens ist aber unmöglich; sollte aus irgendeinem unerklärlichen Grund dennoch ein solcher Lichtbogen momentan einen Kathodenbrennfleck auf der Tiegelwandung 9 bilden, so kann er nicht bestehen. Die Schutzwirkung des Magnetfeldes der in Fig. 3 dargestellten Einrichtung, die auf dem Prinzip der Lichtbogenverlängerung beruht, ist also der Wirkung des Schutzringes oder Schirms 41, die bei Fig. ι erklärt wurde, ähnlich.

Der Magnetkörper 96 der Fig. 3 kann selbstverständlich auch in einem Gerät mit einer . von Gleichstrom gespeisten Elektrode Verwendung finden. Auch könnte man die wassergekühlte, nicht abbrennende Elektrode 21 aus Kupfer der Fig. 1 durch eine massive Elektrode aus Titan oder Titanpreß schwamm ersetzen. Eine solche Elektrode würde wegen ihrer Masse, ihrer großen Oberfläche und ihrer Lage nächst anderen wassergekühlten Teilen eine Temperatur annehmen, die tief genug ist, daß das Titan der Elektrode nicht schmilzt oder wesentlich abbrennt. Eine derartige Konstruktion zeigt Fig. 4. Die Elektrode der Fig. 4 wird nicht heiß genug, um zu schmelzen, aber doch viel heißer als die wassergekühlte Elektrode aus Kupfer gemäß der Fig, 1. Eine heiße Anode hat den Vorteil, daß sie die Kondensation von geringen Verunreinigungen, wie sie in einem Ofen vorhanden sind, verhindert. Die Kondensation von Verunreinigungen auf der Anode könnte ihre Wirkung beeinträchtigen, insbesondere dann, wenn solche Verunreinigungen aus nichtleitendem Material bestehen. Die Verdampfung ist größer als bei wassergekühlter Elektrode, da die Elektrode 101 ziemlich heiß wird.· aber durch Verwendung von Titan als Elektrodenmaterial wird es vermieden, daß infolge Verdampfung der Elektrode Verunreinigungen in die ebenfalls aus Titan bestehende Schmelze gelangen.

Die Konstruktion der Fig. 4 verwendet die gleiche Bunkeranordnung wie die der Fig. 1 zum Einschütten des zerkleinerten Titans in den Raum zwischen Elektrode 101 und dem Schutzring oder ■ Schutzschirm 41 und damit in den Schmelztiegel 8 des Ofens.

Fig. 4 zeigt die Verwendung eines etwas anderen Zündelektrodentyps. Die kleine Hilfselektrode 54 der Fig. 1 ist durch die Warze 104 mit einem nach oben stehenden Dorn 105 aus Titan ersetzt, der sogleich nach Inbetriebnahme des Gerätes schmilzt.

Die Öfen nach der Erfindung haben den Vorteil, daß verhältnismäßig große Barren mit Durchmessern von über 30 cm aus Titan hergestellt werden können, ohne daß Schwammaterial gepreßt und zusammengeschweißt werden muß. Durch Verwendung eines hohen Vakuums in dem Ofen kann gutes Titan in einem Schmelzvorgang hergestellt werden, da die Schmelzzeit über die Geschwindigkeit der Materialzugabe beeinflußt werden kann.

Von entscheidender Bedeutung sind der innere Schirm, der die Verwendung eines sich verbreiternden Lichtbogens bei niederem Druck ermöglicht, sowie die Einhaltung eines schmalen Abstandes zwischen der unteren Seite des Schiirms und der Schmelze zur Fernhaltung des Entladungsbogens bei niederem Druck von der Seitenwandung.

Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf dievorstehend geschilderten Ausführungsformen und auf die Verwendung von Titan als Schmelzgut beschränkt.

Claims (2)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Elektrischer Hochvakuum-Lichtbogenofen für elektrisch leitfähige, bei ihrer Schmelzten!- peratur chemisch aktive Stoffe, wie Titan, bestehend aus einem luftdichten Kessel, in dessen oberem Teil sich eine nicht abschmelzende Elektrode als Anode und in dessen unterem Teil sich ein nicht abbrennender kathodenseitiger Schmelztiegel befindet, der mit einer vertikalen, der Regelung der,Länge des Lichtbogens zwischen Elektrode und Schmelze dienenden Nachstellvorrichtung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Elektrodenanordnung und der Seitenwandung des Schmelz-

   tiegels ein nicht abbrennender, vorzugsweise flüssigkeitsgekühlter, die Elektrodenanordnung nach Art von Gleichrichter-Lichtbogenführungshülsen zylindermantelförmig umgebender Schirm angeordnet ist, dessen über das untere Ende der Elektrodenanordnung hinausragende Unterseite dicht über dem Spiegel der Schmelze liegt, wobei die vertikale Nachstellvorrichtung so ausgebildet ist, daß sie eine Regelung des Abstandes

   ίο zwischen der Unterseite des Schirms und dem Spiegel der Schmelze gestattet und daß eine abbrennende Zündelektrode bzw. ein abbrennender Zündstift angeordnet ist, so daß der Lichtbogen der Zündelektrode nach dem kathodenseitigen Schmelztiegel überschlagen kann, ohne daß der Schirm jemals in elektrische Berührung mit dem Kathodenteil tritt.
2. 2. Elektrischer Hochvakuum-Lichtbogenofen nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die An-Ordnung einer zur Verminderung des Wanderns des Lichtbogens bekannten Magnetspule mit konzentrisch zur Achse des Lichtbogens verlaufendem Magnetfeld, wobei die Magnetspule um die aus nicht magnetisierbarem Material bestehende Seitenwandung des Schmelztiegels as im Bereich der Höhe des Spiegels der Schmelze und des unteren Randes des vorzugsweise aus magnetisierbarem Material bestehenden Schirmes angeordnet ist.

   In Betracht gezogene Druckschriften:

   Deutsche Patentschriften Nr. 545363, 544 115, 209961, 433210;

   französische Patentschrift Nr.· 687 215;

   Buch von Pohl: »Einführung in die Physik«, Bd. II, 4. Auflage, 1935, Abschnitt: »Elektrizitätslehre«, S. 161;

   Buch von Stephens, Gilbert und Beall: »Zirconium and Zirconium-Alloys«, Cleveland, 1953, S. 116 ff.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

   © 609 710/289 11.56 (909651/i 11.59)