EP0345541A2 - Verfahren zum Herstellen eines Kalt-Schmelz-Tiegels - Google Patents

Verfahren zum Herstellen eines Kalt-Schmelz-Tiegels Download PDF

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EP0345541A2
EP0345541A2 EP89109366A EP89109366A EP0345541A2 EP 0345541 A2 EP0345541 A2 EP 0345541A2 EP 89109366 A EP89109366 A EP 89109366A EP 89109366 A EP89109366 A EP 89109366A EP 0345541 A2 EP0345541 A2 EP 0345541A2
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EP
European Patent Office
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crucible
wall segments
base part
cold
coolant
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Heinrich Gier
Manfred Beyss
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    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
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    • F27B14/00—Crucible or pot furnaces
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B14/00—Crucible or pot furnaces
    • F27B14/06—Crucible or pot furnaces heated electrically, e.g. induction crucible furnaces with or without any other source of heat
    • F27B14/061—Induction furnaces
    • F27B14/063—Skull melting type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D9/00—Cooling of furnaces or of charges therein
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D1/00—Casings; Linings; Walls; Roofs
    • F27D2001/0046—Means to facilitate repair or replacement or prevent quick wearing

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a cold-melting crucible for melting small amounts of metal in suspension, which consists of an upper crucible forming the crucible trough by appropriately shaped wall segments and a base part with the distribution lines for the cooling system cooling channels run through slots which are separated from one another and into which the supply lines for the coolant are introduced from below.
  • the invention further relates to a cold-melting crucible according to the preamble of claim 2.
  • Cold melting crucibles are used to produce very pure metal samples and are used in particular as melting furnaces for growing single crystals.
  • the low contamination of metals melted in cold-melting crucibles is due to the fact that due to strong cooling of the crucible wall and by generating a magnetic field by means of high-frequency induction coils, the metal body, which was initially solid and then melted, is kept freely suspended in a stable position in the melting chamber (compare DE-PS 5 18 499; laboratory Methods, 1963, pages 301 ff., Metals Research-Advance Information, HCC 50 Cold Crucible).
  • the aim is to divide the crucible wall into as many segments as possible.
  • a cold-melting crucible of this type is known from DE-OS 21 00 378.
  • the manufacturing process for this crucible is very complex because the crucible is made from a solid material by drilling and cutting the slots, usually by means of spark erosion.
  • a cold-melting crucible of the type mentioned is also known from DE-PS 27 17 459.
  • the production method for this crucible is that it is composed of annular metal disks with radial slots, the metal disks being soldered to one another and to a base plate for the cold-melting crucible. This method of production is also relatively complex.
  • the object of the invention is also a repair-friendly and user-friendly cold melting crucible.
  • the individual wall segments are produced from a solid material by means of quick and simple working processes, such as milling.
  • a larger starting workpiece for example a cylindrical solid material with a larger diameter, is assumed.
  • other manufacturing processes such as casting processes, can also be used.
  • the individual wall segments are connected by soldering to the discharge pipes for the coolant that protrude from the base part. Any necessary adjustment is easily possible by bending the cooling lines.
  • connection between the individual wall segment and the cooling line is expediently made by soft soldering. As a result, a single wall segment for repairing the crucible can be easily removed.
  • the crucible is easy and inexpensive to repair, since individual wall segments can be easily removed and replaced with new ones if necessary.
  • the compact design of the upper part enclosing the crucible trough enables a more effective coupling to the HF magnetic field than is the case with crucibles the known design initially mentioned is the case.
  • the magnetic field can be concentrated on the upper part, which leads to an energy gain of up to 30%.
  • the cold-melting crucible has an upper part, which consists of a multiplicity of wall segments 1, and a base part 2, which flows downwards with a flange 3 and the supply and discharge lines for the coolant contains.
  • the base part also has a further flange 4 for receiving the pressure vessel - which is not shown in the drawing.
  • the wall segments which are separated by a maximum gap of 0.5 mm, are shaped in such a way that the melting chamber optimally matches the melting conditions is adjusted.
  • Cooling channels 7 run in the segments, which are guided along the inner surface of the melting chamber in such a way that sufficient cooling of the crucible-shaped crucible wall on the bottom is achieved.
  • the coolant lines 9 and 9a form the mechanical connection between the upper part consisting of the wall segments 1 and the base part 2. These are hard-soldered to the base part, but soft-soldered to the respective wall segment, so that the connection can be easily released in the event of a repair.
  • the coolant lines 9 are connected to the derivative 9 '.

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Abstract

Kalt-Schmelz-Tiegel zum Schmelzen kleiner Metallmengen in der Schwebe. Er besteht aus einem oberen, die Tiegelmulde durch entsprechend geformte Wandsegmente (1) bildenden Tiegel und einem Basisteil (2). Dabei laufen in den Wandsegmenten Kühlkanäle (7), in die von unten die Zuführungsleitungen (8) für das Kühlmittel eingebracht sind. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zu seiner Herstellung. Erfindungsgemäß werden die Wandsegmente (1) in Einzelanfertigung hergestellt. Außerdem werden die Einzelwandsegmente jeweils mit einem der Ableitungsrohre, die aus dem Basisteil herausragen, durch Löten verbunden. Dabei dienen die Ableitungsrohre als Verbindungsteil zwischen dem oberen Teil und dem Basisteil (2).

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Kalt-Schmelz-Tiegels zum Schmelzen kleiner Metallmengen in der Schwebe, der aus einem oberen, die Tiegelmulde durch entsprechend geformte Wandsegmente bildenden Tiegel und einem Basisteil mit den Verteilungsleitungen für das Kühlsystem besteht, wobei in den durch Schlitze voneinander getrennten Wandsegmenten Kühlkanäle laufen, in die von unten die Zuführungsleitungen für das Kühlmittel eingebracht sind. Die Erfindung bezieht sich ferner auf einen Kalt-­Schmelz-Tiegel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 2.
  • Kalt-Schmelz-Tiegel werden zur Herstellung sehr reiner Metallproben eingesetzt und insbesondere als Schmelzöfen zur Züchtung von Einkristallen verwendet. Die geringe Verunreinigung von in Kalt-­Schmelz-Tiegeln erschmolzenen Metallen beruht darauf, daß infolge starker Kühlung der Tiegelwan­dung und durch Erzeugen eines Magnetfeldes mittels Hochfrequenzinduktionsspulen der zunächst fest und dann geschmolzene Metallkörper in einer stabi­len Lage frei schwebend im Schmelzraum gehalten wird (vergleiche DE-PS 5 18 499; laboratory Methods, 1963, Seiten 301 ff., Metals Research-Advance Information, H.C.C. 50 Cold Crucible). Um die transformatorische Wirkung der Hochfrequenzspule optimal auszunutzen, wird eine Aufteilung der Tiegelwandung in möglichst viele Segmente ange­strebt.
  • Ein Kalt-Schmelz-Tiegel dieser Art ist aus der DE-­OS 21 00 378 bekannt. Das Herstellungsverfahren für diesen Tiegel ist sehr aufwendig, da der Tiegel aus einem Vollmaterial durch Ausbohren und Ein­schneiden der Schlitze, in der Regel mittels Funken­erosion, hergestellt wird.
  • Ein Kalt-Schmelz-Tiegel der eingangs bezeichneten Art ist ferner aus der DE-PS 27 17 459 bekannt. Die Herstellungsweise für diesen Tiegel besteht darin, daß er aus kreisringförmigen Metallscheiben mit radialen Schlitzen zusammengesetzt wird, wobei die Metallscheiben miteinander und mit einer Boden­platte für den Kalt-Schmelz-Tiegel verlötet werden. Auch diese Herstellungsweise ist relativ aufwendig.
  • Bei den bekannten Schmelz-Tiegeln ist außerdem von Nachteil, daß ein Verstopfen der Schlitze, beispiels­weise durch in die Schlitze gelangendes Metall, oder ein Verstopfen der Kühlkanäle mit einer aufwendigen Reparatur verbunden ist, in den meisten Fällen sogar dazu führt, daß ein neuer Tiegel angefertigt werden muß.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Herstellungs­verfahren für einen Kalt-Schmelz-Tiegel der eingangs bezeichneten Art zu schaffen, das keiner aufwendigen Schneidetechnik, wie beispielsweise der Funkenerosion bedarf und das zu einem Schmelz-Tiegel führt, der im Falle der Verstopfung von Schlitzen oder Kühlkanälen relativ einfach zu reparieren ist. Aufgabe der Erfindung ist ferner ein reparaturfreundlicher und nutzerfreund­licher Kalt-Schmelz-Tiegel.
  • Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die Verfahrensmaßnahme gemäß dem Kennzeich­nungsteil des Anspruchs 1 gelöst.
  • Die Einzelwandsegmente werden erfindungsgemäß durch schnelle und einfache Arbeitsverfahren, wie beispielsweise Fräsen, aus einem Vollmaterial hergestellt. Zur Berücksichtigung des Metallver­lustes durch den Trennvorgang (relativ breite Schlitze durch die Bearbeitung) wird von einem größeren Ausgangswerkstück, beispielsweise einem zylindrischen Vollmaterial mit größerem Durchmesser ausgegangen. Andere Herstellungsverfahren, wie beispielsweise Gießverfahren, sind jedoch ebenfalls einsetzbar.
  • Die Einzelwandsegmente werden durch Löten mit den aus dem Basisteil herausragenden Ableitungsrohren für das Kühlmittel verbunden. Eine eventuell not­wendige Justage ist leicht durch Biegen der Kühl­leitungen möglich.
  • Die Verbindung zwischen Einzelwandsegment und der Kühlleitung wird zweckmaßigerweise durch Weichlöten hergestellt. Das hat zur Folge, daß ein einzelnes Wandsegment zur Reparatur des Tiegels leicht heraus­gelöst werden kann.
  • Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird außerdem durch einen Tiegel mit den Merkmalen des Anspruchs 2 gelöst.
  • Wie bereits erwähnt, ist der Tiegel leicht und kostengünstig zu reparieren, da Einzelwandsegmente leicht herausgelöst und ggf. durch neue ersetzt werden können.
  • Darüber hinaus hat sich auch gezeigt, daß die kompakte Bauart des oberen, die Tiegelmulde um­schließenden Teils eine effektivere Ankopplung an das HF-Magnetfeld ermöglicht als dies bei Tiegeln der eingangs bezeichneten, bekannten Bauart der Fall ist. Beim Tiegel gemäß der Erfindung kann das Magnetfeld auf den oberen Teil konzentriert werden, was zu einem bis zu 30 %-igen Energiegewinn führt.
  • Ein Ausführungsbeispiel des Kalt-Schmelz-Tiegels gemäß der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden näher erläutert:
  • Es zeigen
    • Figur 1 einen Vertikalschnitt durch den Tiegel längs der in Figur 2 angegebenen Linie A - B;
    • Figur 2 eine Draufsicht auf den oberen Teil des Tiegels (ohne HF-Wicklung).
  • Der Kalt-Schmelz-Tiegel weist - wie aus Figur 1 hervorgeht - ein oberes Teil, das aus einer Vielzahl von Wandsegmenten 1 besteht, sowie ein Basisteil 2 auf, das nach unten mit einem Flansch 3 abfließt und die Zu- und Ableitungen für das Kühlmittel enthält. Das Basis­teil weist ferner einen weiteren Flansch 4 zur Aufnahme des Druckbehälters - der in der Zeichnung nicht darge­stellt ist - auf.
  • Die das obere Teil bildenden Wandsegmente - siehe auch Figur 2 - verjüngen sich nach innen und umschließen die eine zentrale Öffnung 5 am Boden aufweisende Tiegelmulde. Im Außenraum werden die Wandsegmente von einer Hoch­frequenzspule 6 umgeben.
  • Die Wandsegmente, die durch einen Spalt von maximal 0,5 mm voneinander getrennt sind, sind so geformt, daß der Schmelzraum den Schmelzbedingungen optimal angepaßt ist. In den Segmenten laufen Kühlkanäle 7, die entlang der inneren Oberfläche des Schmelz­raumes so geführt sind, daß eine ausreichende Kühlung der am Boden kalottenförmigen Tiegelwandung erreicht wird. Die Zuleitungsrohre 8, die vom Basisteil 2 aus­gehen und mit der Zuleitung 2′ für das Kühlmittel in Verbindung stehen, dienen der Zuführung des Kühlmittels.
  • Die mechanische Verbindung zwischen dem oberen, aus den Wandsegmenten 1 bestehenden Teil und dem Basisteil 2 bilden die Kühlmittelleitungen 9 bzw. 9a. Diese sind mit dem Basisteil hartverlötet, mit dem jeweiligen Wandsegment dagegen weichverlötet, so daß im Reparatur­fall die Verbindung leicht gelöst werden kann.
  • Die Kühlmittelleitungen 9 sind mit der Ableitung 9′ verbunden.

Claims (2)

1. Verfahren zur Herstellung eines Kalt-Schmelz-Tiegels zum Schmelzen kleiner Metallmengen in der Schwebe, der aus einem oberen, die Tiegelmulde durch ent­sprechend geformte Wandsegmente bildenden Tiegel und einem Basisteil mit den Verteilungsleitungen für das Kühlsystem besteht, wobei in den durch Schlitze voneinander getrennten Wandsegmenten Kühlkanäle laufen, in die von unten die Zuführungs­leitungen für das Kühlmittel eingebracht sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wandsegmente in Einzelanfertigung herge­stellt, mit den aus dem Basisteil herausragenden Ableitungsrohren für das Kühlmittel durch Löten oder dergleichen verbunden werden.
2. Kalt-Schmelz-Tiegel zum Schmelzen kleiner Metall­mengen in der Schwebe, der in seinem oberen Teil die Tiegelmulde enthält und mit dem Basisteil an einer Unterdruckleitung oder eine entsprechende Apparatur anflanschbar ist, wobei die Tiegelmulde aus entsprechend geformten und durch Schlitze voneinander getrennten Wandsegmenten gebildet ist, in denen Kühlkanäle verlaufen, in die vom Basisteil ausgehend Zuführungsleitungen für das Kühlmittel eingebracht sind und wobei das Basiselement die Zu- und Ableitungen für das Kühlsystem enthält,
dadurch gekennzeichnet,
daß das obere Teil aus Einzelwandsegmenten (1) gebildet ist und als Verbindungsteil zwischen dem oberen Teil und dem Basisteil (2) die aus dem Basisteil herausragenden Ableitungsrohre (8) für das Kühlmittel dienen, die jeweils mit einem Einzelwandelement verbunden sind.
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