EP0451552B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Formung eines Giesstrahls - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 bzw. 7.
• Bei der Herstellung von hochreinen Metallpulvern oder Feinguß ist es erforderlich, das flüssige Metall in einem relativ engen Strahl zu bündeln, um es anschließend mittels einer Zerstäubungsdüse zerstäuben zu können, einer rotierenden Scheibe zu zerteilen und beim Feinguß in eine Form abzugießen, ohne durch einen Strahlformer das Metall zu verunreinigen.
• Es ist bereits ein Verfahren zur Herstellung von hochreinen keramikfreien Metallpulvern bekannt, bei dem eine aus einem Schmelzbehälter frei fließende Schmelze mittels eines Gasstromes zerstäubt wird und nachfolgend erstarrt (DE-A-3 211 861). Hierbei wird die Schmelze mittels einer Lichtbogenelektrode aufrechterhalten und über einen Überlauf abfließen lassen, wobei die Zerstäubung unterhalb des Überlaufs erfolgt.
• Weiterhin ist ein Verfahren zum Herstellen von Legierungspulver bekannt, bei dem eine Legierung unter Verwendung einer Plasma-Wärmequelle geschmolzen und wobei eine Schicht aus wieder erstarrtem Material zwischen dem geschmolzenen Material und der Wärmequelle geschaffen wird. Das geschmolzene Material wird sodann aus dem Schmelzraum in eine Vorrichtung zum Herstellen des Legierungspulvers gebracht (DE-A-3 421 488). Eine besondere Vorrichtung zur Formung eines Gießstrahls ist hierbei nicht vorgesehen.
• Dies gilt auch für andere bekannte Vorrichtungen zum Schmelzen von Metallen, die einen Metallbehälter aufweisen, der von einer Induktionsspule umgeben ist (EP-A-0 366 310, DE-A-3 533 964).
• Bei einem anderen bekannten Verfahren für die Herstellung von Metall- oder Legierungspulver wird das geschmolzene Metall elektromagnetisch in der Schmelze gehalten, und zwar mittels einer Spule, die um einen Behälter herum angeordnet ist (US-A-4 762 553). Der Strom geschmolzenen Materials wird hierbei elektromagnetisch eingeschlossen und auf einen vorgegebenen Strömungsdurchmesser gebracht. Anschließend wird der zusammengeschnürte Metallstrom wieder desintegriert und in kleine Tröpfchen zerstäubt, die durch Abkühlung ein Metallpulver bilden. Über die elektrischen und thermischen Eigenschaften des die Schmelze aufnehmenden Behälters ist hierbei nichts ausgesagt.
• Weiterhin ist auch noch ein Abtropfschmelzverfahren bekannt, bei dem stangenförmiges Ausgangsmaterial geschmolzen und einer Zerstäubungsdüse zugeführt wird (DE-A-3 433 458). Das stangenförmige Material wird hierbei vertikal gegen eine Induktionsspule verschoben, deren axiale Ausdehnung und deren Öffnung kleiner sind als der Stangendurchmesser, und das untere Stangenende wird mit seiner Stirnseite in einem im wesentlichen gleichbleibenden axialen Abstand über der Induktionsspule gehalten. Nachteilig ist bei diesem Verfahren, daß das Ausgangsmaterial in Stangenform vorliegen muß.
• Schließlich ist auch noch ein Verfahren bekannt, mit dem Materialien induktiv aufgeschmolzen werden (EP-A-0 238 425). Hierbei kommt ein trichterförmiger Tiegel zum Einsatz, der aus mehreren Segmeten besteht und von einer Induktionsspule umgeben ist. Die in diesen Tiegel eingegebenen Materialien sind fest und werden erst in dem Tiegel aufgeschmolzen. Ein dünner Strahl flüssigen Metalls läßt sich mit diesem Verfahren jedoch nicht erzeugen, weil der Ausgang des Tiegels zum Einfrieren neigt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen möglichst dünnen Flüssigmetallstrahl unter Vermeidung des Risikos des Einfrierens zu erzeugen sowie gezielt den Austritt zufrieren zu lassen und wieder aufzuschmelzen.
• Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 7 gelöst.
• Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß die Schmelze im Gießtrichter induktiv beheizt und gleichzeitig der abkühlende Wandkontakt der Schmelze mit dem Behälter reduziert wird. Hierdurch ist es möglich, den Wärmeübergangskoeffizienten zwischen Schmelze und Tiegel Klein zu halten, was zur Folge hat, daß bei Kleinem Auslauf-Durchmesser von z. B. 5 mm bis 20 mm das Zufrieren des Querschnitts im kontinuierlichen Betrieb verhindert wird.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1

eine Vorrichtung zur Formung eines Gießstahls mit einem Schmelztrog über einem Ausgießtrichter;

Fig. 2

eine Vorrichtung mit Überlauftrog und zwei Plasmabrennern.

• In Fig. 1 ist ein Schmelztrog 1 dargestellt, in dem mittels eines Plasmastrahls 2, der aus einer nur angedeuteten Plasmakanone 3 kommt, eine Metallschmelze 4 erzeugt wird. Unterhalb der Öffnung 5 des Schmelztrogs 1 befindet sich ein trichterförmiger geschlitzter kalter Induktionstiegel 6, der die Form eines Paraboloids besitzt und von einer Induktionsspule 7 umgeben ist, die sich der Außenkontur des gekühlten Trichters 6 anpaßt. Diese Induktionsspule 7 ist mit einer Wechselstromquelle 8 verbunden. Das Induktionsfeld dieser Spule koppelt an die Schmelze 4 in dem Trichter 6 an und heizt die Schmelze. An der Spitze des kalten Trichters 6 ist eine Öffnung 9 vorgesehen, aus der flüssiges Metall 10 fließt. Der kalte Trichter 6 besteht aus mehreren Segmenten 11 bis 17, die durch Schlitze 18 bis 21 voneinander getrennt sind. Diese Segmente 11 bis 17 werden über Kanäle 22, 25 mit Wasser gekühlt, die über Ringverteiler 23, 24, 26, 27 versorgt werden. Solche wassergekühlten Segmente sind an sich bereits bekannt (vgl. z. B. EP-A-0 276 544). Unterhalb des kalten Trichters 6 befindet sich eine Zerstäubungskammer 28, in die von der Seite her eine Zerstäubungsdüse 29 einmündet. Diese Düse 29 ist exakt auf den Fallweg des flüssigen Metalls 10 ausgerichtet, so daß ein aus der Düse 29 mit hoher Geschwindigkeit austretender Gasstrahl 30 die Flüssigkeit 10 stets aus der gleichen Richtung erfaßt und sie in einem Strom feinster Metallpartikel 31 zerteilt. Diese Metallpartikel 31 beschreiben aufgrund des Impulses, den sie vom Gasstrahl 30 erhalten haben, eine parabelförmige Flugbahn, die schließlich in einem Fallschaft 32 endet, der seitlich und nach unten gerichtet an die Zerstäubungskammer 28 angesetzt ist. Am unteren Ende des Fallschachtes 32 befindet sich eine Austragschleuse 33, über die ein Transportwagen 34 mit dem Innenraum des Fallschachts 32 verbindbar ist. In die Zerstäubungskammer 28 mündet noch eine Gasleitung 35 mit einem Dosierventil 36, durch welches die gesamte Vorrichtung mit einem Schutzgas gefüllt werden kann. Die Kammer 28 ist evakuierbar. Ein hierfür erforderlicher Saugstutzen ist jedoch der Einfachheit halber nicht dargestellt.
• Die mittlere Leistungsdichte der in der Schmelze induzierten Leistung wird so groß gewählt, daß die Wärmeverluste im Trichter 6 in etwa kompensiert werden.
• Von entscheidender Bedeutung für die Erfindung sind die elektromagnetischen Kräfte, die einen Druck auf das flüssige Metall im Trichter 6 ausüben und die von der Spule 7 mit den Windungen 37 bis 42 erzeugt werden. Dieser Druck wird durch die Leistungsdichte bestimmt, die sich nach der Formel $$\text{p =}\frac{\text{1}}{\text{2πfδ}}{\text{S}}_{\text{o}}\left[\text{1-e}{\text{}}^{\text{-}\frac{\text{2x}}{\text{δ}}}\right]$$

  

  berechnet, worin f die Frequenz des Wechselfeldes, δ die Eindringtiefe, S_o die über die Oberfläche einströmende Leistungsdichte, e die Euler'sche Zahl und x den Abstand von der Oberfläche der Schmelze im Trichter 6 in Richtung auf die Trichterachse bezeichnen.
• Der Kompensation des Flüssigkeitsdrucks kommt insoweit Bedeutung zu, daß der Wärmeübergangskoeffizient beim kalten Induktionstiegel von dem resultierenden Flüssigkeitsdruck abhängig ist, der die Schmelze gegen die kalten Tiegelsegmente 11 bis 17 drückt. Durch den elektromagnetischen Strahlungsdruck kann der Flüssigkeitsdruck ganz oder nur teilweise kompensiert werden. Der Strahlungsdruck an den Schlitzen 18 bis 21 ist höher als in den Stegmitten.
• Ein vollständiges Abheben der Schmelze von der Trichterwand kann, wenn es über einen größeren Bereich erfolgt, zu Instabilitäten führen. Ist der Strahlungsdruck so groß, daß die Schmelze bis nahezu zur Achse zurückgedrängt wird, so kann aufgrund der Oberflächenspannung der Schmelzfluß ganz unterbrochen werden. Dies muß auf jeden Fall vermieden werden.
• Ein hoher Anpreßdruck der Schmelze bedingt, daß ein großer Wärmeabfluß auftritt. Zur Kompensation der vergrößerten Wärmeverluste wird eine größere Induktionsleistung benötigt. Wegen des prinzipiell schlechten elektrischen Wirkungsgrades, der geometrisch bedingt ist, wird dann eine unnötig große Stromversorgung benötigt.
• Der Strahlungsdruck, welcher auf die Schmelze im Trichter 6 einwirkt, darf nicht so groß werden, daß das Auslaufen der Schmelze verhindert wird. Auch dürfen räumliche Feldstärkenänderungen nicht zur turbulenten Strömung anregen. Diese Bedingung wird durch eine kegelförmige oder rotationshyperbolische Form der Trichterinnenkontur gewährleistet. Die Kegelform hat fertigungstechnische Vorteile, aber prozeßtechnische Nachteile bei der Strahlformung. Gekrümmte Segmente 11 bis 15 sind schwierig zu fertigen, sie erlauben jedoch eine bessere Kraft- und Leistungsverteilung in der Schmelze, auch kommt ihre Form der strömungstechnischen Idealform eines Potentialtrichters sehr nahe.
• Die geeignete Frequenz der Spannungsquelle 8 zur Erfüllung der Forderung zur Kompensation des Flüssigkeitsdrucks und Kompensation der Wärmeverluste kann entsprechend dem Schmelzgut ausgewählt werden.
• Anstelle einer horizontalen Gasverdüsung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, kann auch eine vertikale Gasverdüsung oder eine Rotationszerstäubung vorgesehen sein. Auch eine Stehwellenerzeugung ist denkbar. Statt Metallpulver kann auch Feinguß hergestellt werden, so daß die ganze Zerstäubungseinrichtung entfällt.
• Als Vorratsbehälter 1, aus denen das flüssige Metall in den Trichter 6 fließt, können metallische, wassergekühlte Behälter oder kalte Behälter mit separater Induktionsspule vorgesehen sein. An die Stelle eines Plasmastrahlerzeugers 3 kann eine Lichtbogenheizung oder eine Elektronenstrahlheizung treten.
• In der Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der ein Überlauftrog 50 vorgesehen ist, dessen Schmelze 51 über einen Ausguß 52 in den Schmelztrog 1 fließt. Die Schmelze 51 dieses Überlauftrogs 50 wird durch einen Plasmastrahl 53 aus einer Plasmaquelle 54 gespeist, der eine Stange 55, die in den Plasmastrahl 53 geschoben wird, schmilzt.
• Anstelle einer horizontalen Düse ist eine Ringdüse 56 vorgesehen, die den aus dem Trichter 6 kommenden Strahl 10 vertikal verdüst. Ein relativ großer Fallschacht 62, dessen oberes Teil nicht vollständig dargestellt ist, endet in einen konisch zulaufenden Pulverturm 63, in dem sich das verdüste Pulver ansammelt.

Claims (10)

1. Vorrichtung für die Bildung eines Stroms von geschmolzenem Material (4), mit

   einem trichterförmigen Induktionstiegel (6), der eine innere Oberfläche aufweist, die sich nach unten verjüngt, und der

   eine untere Öffnung (9) aufweist,

   die eine Kleinere Querschnittsfläche als eine obere Öffnung besitzt,

   einer Fluidkühlung zum Kühlen des Induktionstiegels (6) und

   einer Wechselstromquelle, die mit der Induktionsspule (7) verbunden ist und diese mit Wechselstrom versorgt,

   wobei sich die Induktionsspule (7) um die äußere Oberfläche des Induktionstiegels (6) herum erstreckt,

   gekennzeichnet durch

   einen Schmelztrog (1) mit einer Öffnung (5) für die Eingabe geschmolzenen Materials (4) in den trichterförmigen Induktionstiegel (6),

   wobei dieser Schmelztrog (1) mit dem Induktionstiegel (6) in Verbindung steht,

   eine äußere Oberfläche des Induktionstiegels (6), die sich von dem Schmelztrog (1) weg verjüngt,

   wobei sich auch die Induktionsspule (7) wie die äußere Oberfläche des Induktionstiegels (6) verjüngt und

   das geschmolzene Material im Induktionstiegel (6) aufheizt und eine elektromagnetische Kraft auf das geschmolzene Material in dem Induktionstiegel (6) ausübt und

   hierdurch den Flüssigkeitsdruck des geschmolzenen Materials in Abhängigkeit von dem zugeführten Wechselstrom auf die Innenwand des Induktionstiegels (6) reduziert.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Oberfläche des Induktionstiegels (6) eine Kontur aufweist, die im wesentlichen einem Rotationsparaboloid entspricht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Oberfläche des Induktionstiegels (6) mehrere Segmente (11 bis 17) aufweist und daß die Fluidkühlung (25) funktionsmäßig mit jedem dieser Segmente verbunden ist und diese Segmente (11 bis 17) kühlt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine horizontale Verdüsungsvorrichtung (29) unterhalb des trichterförmigen Induktionstiegels (6) vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Überlauftrog (50) vorgesehen ist, aus dem Schmelze (51) in den Schmelztrog (1) fließt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine vertikale Verdüsungsvorrichtung (56) unterhalb des trichterförmigen Induktionstiegels (6) vorgesehen ist.
7. Verfahren zur Formung eines Strahls aus geschmolzenem Material (10), wobei dieses Verfahren folgende Schritte umfaßt:

   Bereitstellung einer vorgegebenen Menge von geschmolzenem Material (4) in einem nach oben konkav verlaufenden Schmelzbehälter (1);

   Bereitstellung eines metallischen Trichters (6), der in Fließverbindung mit dem Schmelzbehälter (1) steht;

   wobei der Trichter (6) mehrere kreisförmig angeordnete vertikale flüssigkeitsgekühlte Trichtersegmente (11 bis 15) aufweist, die eine innere Trichterkontur definieren;

   Bereitstellung einer Spule (7), die den Trichter (6) umgibt, wobei ein Wechselstrom durch die Spule (7) fließen kann;

   Veranlassen des geschmolzenen Materials (4), von dem Schmelzbehälter (1) durch den Trichter (6) zu fließen, wobei das geschmolzene Material (4) von der inneren Trichterkontur aufgenommen und durch den Trichter (6) geführt wird; und

   Beaufschlagen der Spule (7) mit Wechselstrom, um das geschmolzene Material (4), das durch den Trichter (6) fließt, zu erwärmen.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausfluß des Schmelzguts aus dem Trichter (6) aufgrund des Strombelags der Spule (7) gesperrt oder durchgelassen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Leistungsdichte der von der Schmelze induzierten Leistung so groß gewählt wird, daß die Wärmeverluste im Trichter (6) in etwa kompensiert werden.
10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufschmelzen der erstarrten Schmelze im Trichter eine größere Leistungsdichte verwendet wird, als im Mittel durch Wärmeverluste abgeführt wird, und daß die elektromagnetischen Druckkräfte größer als die Kräfte sind, die der statischen Höhe der darüberliegenden Flüssigkeitssäule entsprechen.

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