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Verfahren und vorrichtung zur herstellung von werkstücken oder blöcken aus schmelzbaren materialien
EP0996516A1
European Patent Office
- Other languages
English French - Inventor
Vacuum Technologies Gmbh Ald - Current Assignee
- ALD Vacuum Technologies GmbH
Worldwide applications
Application EP98943727A events
2000-05-03
2001-08-29
Application granted
2001-08-29
2018-07-14
Anticipated expiration
Status
Expired - Lifetime
Description
translated from
"Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Werkstücken oder Blöcken aus schmelzbaren Materialien"
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Werkstücken oder Blöcken aus schmelzbaren Materialien, bei dem flüssiges Ausgangsmaterial in einer Gießform unter Einsatz einer Kühleinrichtung gerichtet erstarrt wird.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung von Werkstücken oder Blöcken aus schmelzbaren Materialien mit einer Gießform, die mittels einer Heizeinrichtung beheizbar ist, und wobei dem Boden der Gießform eine Kühleinrichtung zugeordnet ist.
Unter den Begriff "schmelzbare Materialien", wie er hier verwendet wird, sind Materialien aus Keramik, einschließlich Saphire, Rubine, Spinelle, usw., Metalle, Metall- Legierungen, oder aus der Gruppe der Halbleiter mit orientierter, multikristalliner oder einkristalliner Struktur zu subsummieren.
Mit solchen Verfahren, die die Erfindung betreffen, sowie den entsprechenden Vorrichtungen wird das Ausgangsmaterial entweder in flüssiger Phase einer Gießform zugeführt oder in der Gießform aufgeschmolzen und danach in der Gießform gerichtet erstarrt.
Eine solche Art der Erstarrungsführung ist in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt. Gemäß einem Verfahren bzw. einer entsprechenden Vorrichtung, beschrieben in der GB-A-2 279 585, wird die Gießform mit der Schmelze nach unten aus
BESTÄTIGUNSKOPIE
einem Heizofen herausgezogen. Damit wird erreicht, daß die Erstarrungsfront von unten nach oben fortschreitet. Bei langen Bauteilen und bei Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit wird der Einfluß einer eingesetzten Kühlplatte bereits nach wenigen Zentimetern unbedeutend. Danach erfolgt die Wärmeabfuhr im wesentlichen seitlich über die Kokillenoberfläche, wodurch die Einstellung einer möglichst ebenen Phasengrenze zwischen dem bereits erstarrten und schmelzflüssigen Material in der Praxis nicht erreicht wird. Zum Herstellen großflächiger, gerichtet erstarrter Blöcke ist dieses Verfahren ungeeignet, da bei großen Querschnitten die Wärmeleitwege aus dem Zentrum des Blockes an die wärmeabführende seitliche Oberfläche zu lang werden und damit keine ebenen Phasengrenzen in Verbindung mit ausreichend hohen Temepraturgradienten erreichbar sind.
Ritsua Kawamura et al zeigen im Technical Digest of the International PVSEC-9, Miyazaki, Japan, 1996 in "Recent Progress in Electromagnetic Casting for Polycry- stalline Silicon Ingots", daß die Phasengrenze zwischen festem und flüssigem Silizium stark konkav ausgeprägt ist. Man erreicht mit diesem Verfahren keine parallelen Stengelkristallstrukturen. Die maximale Blockgröße wird mit 22 cm x 22 cm beschrieben.
Größere, gerichtet erstarrte Siliziumblöcke werden nach dem Stand der Technik in Blöcken von 66 cm x 66 cm und einer Höhe von 2,5 cm im HEM-Verfahren (Heat- Exchanger-Method) hergestellt. Im HEM-Verfahren wird nach dem Stand der Technik die notwendige Energie zur Aufrechterhaltung der Erstarrunggeschwindigkeit und des Temperaturgradienten über einen zentralen Bereich des Kokillenbodens abgeführt. Bei konstanter Temperatur des oberhalb der Schmelzoberfläche angeordneten Heizers bestimmt hierbei im wesentichen der Wärmeübergangskoeffizient zwischen Kokillenboden und Kühlplatte den abfließenden Wärmestrom und damit die Wachstumsgeschwindigkeit des kristallinen Blockes.
Der vorliegenden Erfindung liegt, ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik, die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung mit den eingangs angegebenen Merkmalen derart weiterzubilden, daß die Erstarrung der Schmelze definiert geführt und wobei zur Einleitung der Kühlphase kontinuierlich von der Heizphase zu der Kühlphase übergegangen werden kann. Weiterhin sollen
die Vorrichtung und das Verfahren in Bezug auf diese definiert geführte Erstarrung die Möglichkeit einer breiten Variation mit konstruktiv einfachen Mitteln bieten.
Gelöst wird die Aufgabe bei dem eingangs angegebenen Verfahren dadurch, daß zur definierten Führung der Erstarrrungsfront während der Abkühlung des geschmolzenen Materials in einen dem Boden der Gießform zugeordneten Körper eine Kühlstruktur mit mindestens einem Wärmeleitkörper in mindestens eine zugeordnete Ausnehmung von der Unterseite her in den Körper eingeführt wird.
Vorrichtungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die eingangs angegebene Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß die Kühleinrichtung eine Kühlstruktur mit mindestens einem Wärmeleitkörper umfaßt, der in mindestens eine zugeordnete Ausnehmung in einem dem Boden zugeordneten Körper mittels eines Verschiebemechanismus von der Unterseite her in den Körper einführbar ist.
Mit dem angegebenen Verfahren sowie der angegebenen Vorrichtung kann eine Erstarrung des flüssigen, in die Gießform eingefüllten Ausgangsmaterials definiert vom Boden der Gießform aus beginnend geführt werden, indem der Wärmeleitkörper in unterschiedlichen Stellungen in der Ausnehmung des dem Boden der Gießform zugeordneten Körpers geführt wird. Durch Nachstellung des mindestens einen Wärmeleitkörpers in der mindestens einen, diesem zugeordneten Ausnehmung kann die Wärmeübertragung und damit die Kühlleistung definiert eingestellt und auch verändert werden. Weiterhin ist es möglich, durch eine entsprechende Geometrie des Wärmeleitkörpers und der diesem zugeordneten Ausnehmung die Erstarrungsfront, die sich vom Boden nach oben hin bewegt, zu beeinflussen. Je nach Anzahl der Wärmeleitkörper und der zugeordneten Ausnehmung der eingesetzten Kühlstruktur können Kristailisationsgeschwindigkeiten von 0,2 mm/min bis 2 mm/min erreicht werden mit Kühlleistungen im Bereich von 10 bis 150 k/W pro m2.
Um zusätzlich zu der Verstellung der Wärmeleitkörper in den zugeordneten Ausnehmungen die abzuführende Wärmemenge pro Zeiteinheit zu verändern, kann es von Vorteil sein, um die Kühlstruktur herum eine Gasatmosphäre aufrechtzuerhalten, deren Druck geändert werden kann. Durch Absenken des Gasdrucks auf einige mbar kann dann die Leistungsdichte feinfühliger geregelt werden. Darüberhinaus sollte in einem solchen Fall um die Wärmeleitköper herum eine Gasatmosphäre aus Argon
aufrechterhalten werden, wobei ständig mit einem solchen Gas gespült wird, da gerade mit Argon zusätzliche Verunreinigungen aus dem Heizraum entfernt werden können.
Wie bereits erwähnt wurde, kann die Kühlstruktur mehrere Wärmeleitkörper umfassen, die in Schlitzen und/oder Sacklochbohrungen in dem Körper, der dem Boden der Gießform zugeordnet ist, einführbar sind. Als Wärmeleitkörper bieten sich hierbei Platten, Bolzen und/oder Stäbe an, die darüberhinaus mit unterschiedlichen Querschnittsgeometrien aufgebaut werden können. In einer besonders hervorzuhebenden Ausführungsform wird unterhalb des Bodens der Gießform eine Heizeinrichtung angeordnet derart, daß der oder die Wärmeleitkörper durch die Heizeinrichtung in den Körper, der der Unterseite des Bodens zugeordnet ist, im eingeführten Zustand diese Heizeinrichtung durchdringen. Mit einer solchen Anordnung kann der Übergang zwischen Aufheizung und Kühlung der Gießform nicht nur über die Einführung der Wärmeleitkörper in die Ausnehmung(en) hinein bestimmt werden, sondern auch durch zusätzliche Regelung der Heizeinrichtung, da es auch für die Aufrechterhaltung der flüssigen Phase des Ausgangsmaterials wesentlich ist, den Boden der Gießform zu beheizen. Die Heizeinrichtung kann hierbei in einer Trageplatte angeordnet werden, die dem Boden der Gießform zugeordnet ist und von der die Gießform getragen wird. Die Tragplatte wird dann mit Bohrungen oder Ausnehmungen versehen, die dazu dienen, die insgesamt zur Wärmeübertragung zur Verfügung stehende Außenfläche in einem weiteren Bereich zu ändern, als dies allein über die Grundfläche des Bodens der Gießform möglich wäre.
Bevorzugte Abmessungen solcher Wärmeleitkörper liegen bei einem Durchmesser bzw. einer Dicke und/oder Breite von 5 mm bis 20 mm, vorzugsweise von 10 mm bis 14 mm. Die jeweils zwischen benachbarten Ausnehmungen verbleibende Stegbreite sollte darüberhinaus im Körper, in den die Wärmeleitkörper hineingefahren werden, zwischen 5 und 20 mm betragen. Weiterhin sollte die eingeführte Tiefe des Wärmeleitkörpers in den Körper mindestens 20 mm betragen, um die Kühlleistung in ausreichenden Bereichen einstellen zu können. Die einzelnen Wärmeleitkörper können hierbei allerdings eine wesentlich größere Länge aufweisen, als sie der Eindringtiefe
von 50 mm entspricht, d.h. die Höhe der Wärmeleitkörper kann zwischen 100 und 150 mm, vorzugsweise etwa 130 mm, betragen.
Im einfachsten Fall werden die Wärmeleitkörper als runde Stifte ausgeführt. Aus Stabilitätsgründen sollte der Durchmesser eines solchen Wärmeleitkörpers in der Ausführung als runder Bolzen nicht kleiner 10 mm gewählt werden. Das Verhältnis zwischen der wirksamen Tauschfläche und der ebenen Fläche ist jedoch bei einer verbleibenden Stegbreite von 10 mm im Bolzendurchmesserbereich zwischen 10 und 20 mm nahezu unabhängig von dem gewählten Bolzendurchmesser. Um die Kühlleistung zusätzlich zu erhöhen, können die einzelnen Wärmeleitkörper im Querschnitt gesehen eine kreuz- oder sternförmige Form aufweisen. Solche Wärmeleitkörper treten dann in Ausnehmungen des dem Boden der Gießform zugeordneten Körpers mit einer daran angepaßten Querschnittsform ein, so daß jeweils große Flächen, sowohl in den Ausnehmungen als auch an den Kühlkörpern, zur Verfügung gestellt werden. Um einen möglichst großen Bereich von Kühlleistungen zu haben, innerhalb dessen die Kühlleistung variiert werden kann, sollte das Verhältnis der Summe der Querschnittsflächen der Wärmeleitkörper zu der Summe der Querschnittsflächen der Ausnehmungen zwischen 1 ,5 : 1 und 5,5 : 1 betragen. Hieraus ergeben sich mögliche Kühlleistungen von etwa 10 bis 150 kW/m2.
Die Verschiebung der Wärmeleitkörper in den Ausnehmungen des Körpers, der dem Boden der Gießform zugeordnet ist, kann technisch leicht durch einen Hubmechanismus realisiert werden. Mit einem Hub von 50 mm und einem Wärmeleitkörper aus Kupfer mit einem Durchmesser von 12 mm und einer wirksamen Wärmeleitkörperhöhe von 130 mm und einem Bohrungsabstand von 26 mm und einem Bohrungsdurchmesser von 14 mm kann der Wärmeübergangskoeffizient bei 1000 mbar Argonatmosphäre zwischen Tragplatte und Wärmeleitkörper bei einer Tragplattentemperatur von 1400°C von 10 W/(m2 x K) bis etwa 240 /(m2 x K) eingestellt werden. Diese Werte entsprechen etwa 1400 bis 1500 Wärmeleitkörper pro Quadratmeter.
Der Wärmeverlust durch die Wärmedämmung wird durch das kleine Verhältnis von Durchmesser zu Bohrungslänge vernachlässigbar, so daß bei zurückgezogener Kühlstruktur die Wärmeverluste durch die offene Durchdringung vertretbar sind.
Weiterhin ist es möglich, durch Absenken des Gasdrucks auf einige mbar die abgeführte Leistungsdichte noch feinfühliger zu regeln. Hierzu kann die gesamte Kühlstruktur in einer hinsichtlich des Drucks veränderbaren Kammer angeordnet werden. Für eine effektive Wärmeabfuhr ist es besonders günstig, wenn der Körper ein integraler Teil des Bodens der Gießform ist und darüberhinaus dieser Boden noch strukturiert ist, beispielsweise mit Erhöhungen und Vertiefungen, wobei in die Erhöhungen des Bodens der Gießform von unten die jeweiligen Wärmeleitkörper in entsprechenden Bohrungen hineingefahren oder herausgezogen werden können.
Wie bereits vorstehend erwähnt ist, ermöglicht die erfindungsgemäße Anordnung die Einstellung eines Wärmeprofils direkt über der Kokillen- bzw. Gießformbodenfläche. Über diese besondere Ausgestaltung des Bodens der Kokille bzw. der Gießform kann, im Bereich der Vertiefungen, von der Bodenfläche aus gesehen, die Stengelkristallgröße beeinflußt werden. Die tiefsten Punkte dieser einzelnen Vertiefungen werden so zu den entsprechenden Wärmeleitkörpern ausgerichtet, daß die Kristallisation an den tiefsten (kältesten) Punkten des Kokillenbodens beginnt. Damit kann bewußt zum Erreichen bestimmter Zielsetzungen, zum Beispiel zur Einleitung einer thermischen Konvektion, eine leicht planare oder leicht konvex gekrümmte Phasengrenze zwischen festem und flüssigem Material eingestellt werden. Untersuchungen haben gezeigt, daß speziell mit der Zielsetzung der Reinigung beim gerichteten Erstarren eine leicht gekrümmte Phasengrenzfläche von Vorteil ist.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt
Figur 1 einen schematischen Querschnitt durch eine Schmelzvorrichtung gemäß der Erfindung, wobei die Kühlstruktur mit aus den Ausnehmungen herausgefahrenen Wärmeleitkörpern dargestellt ist,
Figur 2 die Anordnung der Figur 1 , allerdings mit in den Ausnehmungen eingeführten Wärmeleitkörpern,
Figuren 3A bis 3C drei verschiedene mögliche Querschnittsformen der Wärmeleitkörper, wie sie in der Anordnung der Figuren 1 und 2 eingesetzt werden können, und
Figur 4 einen schematischen Aufbau einer Anordnung, bei der die Wärmeleitkörper in Ausnehmungen, die direkt im Boden der Gießform gebildet sind, verschiebbar sind, wobei zusätzlich der Boden der Gießform strukturiert ist.
Wie die Figuren 1 und 2 zeigen, umfaßt die Schmelzvorrichtung einen Ofen mit einer oberen Ofenkammer 1a und einer unteren Ofenkammer 1b, in die eine Gießform bzw. Kokille 15, auf der Außenseite mit einer Wärmeisolation 2 versehen, mit geeigneten Stützen 7 gehalten ist. Die Wärmeisolation 2 ist mit einer seitlichen Wärmedämmung 14, einer unteren Wärmedämmung 16 und einer oberen Wärmedämmung 20 versehen, so daß die Kokille allseitig von dieser Wärmeisolation 2 umgeben ist. Die obere Ofenkammer 1a ist an der unteren Ofenkammer 1b mit Flanschverbindungen 12, im Bereich derer eine Dichtung 12a eingefügt ist, verbunden, so daß die Ofenkammer 1a, 1b durch Abnehmen der oberen Ofenkammer 1a geöffnet und wieder dicht verschlossen werden kann. Unterhalb des Bodens 19 der Kokille 15 ist eine untere Heizeinrichtung 3 angeordnet. Weiterhin ist oberhalb der Kokille eine obere Heizeinrichtung 4 vorgesehen. Die beiden Heizeinrichtungen 3 und 4 werden über jeweilige Stromzuführungen 5 und 6 elektrisch versorgt, um die jeweilige Heizleistung 3, 4 einstellen zu können. Der Raum zwischen der oberen und unteren Ofenkammer 1a und 1b und der Kokille 15 bzw. der diese umgebenden Wärmeisolation 2 kann über einen Evakuierungstutzen 11 evakuiert werden, um den Druck innerhalb dieser Kammer 1a, 1b zu verändern.
Wie vorstehend erwähnt ist, ist die Kokille 15 bzw. zusammen mit der Wärmeisolation 2 so auf Stützen 7 gehalten, daß zwischen dem Boden der unteren Ofenkammer 1b und dem Boden der Kokille 15 ein ausreichender Freiraum verbleibt. In diesem Bereich, d.h. unterhalb des Bodens der Kokille 15, ist eine Kühlstruktur 26 angeordnet, die eine Kühlplatte 9 umfaßt, von der einzelne, zueinander beabstandete Wärmeleitkörper 10 vorstehen. Diesen einzelnen Wärmeleitkörpern 10 sind Ausnehmungen 17 zugeordnet, die sowohl durch die untere Wärmedämmung 16 als auch durch die Tragplatte 13, auf der die Kokille 15 mit ihrem Boden aufsteht, hindurchführen.
Weiterhin sind diese Ausnehmungen 17 in Bezug auf die untere Heizeinrichtung 3, die im Bereich der Kokillentragplatte 13 angeordnet ist, so gelegt, daß sie zwischen einzelnen Wendeln der Heizeinrichtung 3 hindurchführen und in die Kokillentragplatte 13 in Form von Sacklöchern 13a hineinreichen.
Die Kühlplatte 9 ist mit einem Hubstempel 8 so gehalten, daß sie damit in Richtung des Pfeils 27 in Figur 1 nach oben verschoben werden kann, so daß dadurch die einzelnen Wärmeleitkörper 10 in die zugeordneten Ausnehmungen 17 eingeführt werden können. Der Hubstempel 8 besitzt weiterhin eine Kühlwasserzu- und Abführung 18, um die Kühlplatte 9, die einen entsprechenden Hohlraum 28 für das Kühlmedium aufweist, zwangsgekühlt werden kann.
Um ein Werkstück oder einen Block aus einem schmelzbaren Material herzustellen, wird das aufgeschmolzene, flüssige Material in die auf Schmelztemperatur vorgeheizte Gießform bzw. Kokille 15 eingegossen bzw. in der Kokille aufgeschmolzen. Danach wird die Eingießöffnung verschlossen, beispielsweise in Form eines auf die Kokille 15 aufgesetzten Deckels, und die Schmelze wird für eine vorgegebene Zeit belassen, um Verunreinigungen zu flotieren oder zu sedimentieren. Danach wird die untere Heizeinrichtung 3 abgeschaltet und die Kühlstruktur 26 bzw. die dieser zugeordneten Wärmeleitkörper 10 mit fest vorgegebener Geschwindigkeit in die Aufnehmungen 17 in der unteren Wärmedämmung 16 und der Kokillentragplatte 13 eingeschoben. Alternativ zu einer vorgegebenen Geschwindigkeit kann eine Positionsre- geiung der jeweiligen Stellung der Kühlstruktur 26 in den Ausnehmungen 17 bzw. der Sacklöcher 13a in der Kokillentragplatte 13 in Abhängigkeit der abzuführenden Kühlleistung vorgenommen werden. Während dieser Kühlung mittels der Kühlstruktur 26 wird ständig über die Kühlmittel-Zufuhr- und Abführstutzen 18 Kühlmittel der Kühlplatte 9 zugeführt. Über den Evakuierungsstutzen 11 kann bei Bedarf die Ofenkammer evakuiert werden, was immer dann erforderlich oder von Vorteil ist, wenn oxidationsempfindliche Materialien eingesetzt werden.
Die Figur 2 zeigt nun die Anordnung der Figur 1 mit in die Kokillentragplatte 13 vollständig eingefahrenen Wärmeleitkörpern 10 der Kühlstruktur 26. In dieser Stellung ist die untere Heizeinrichtung 3 ausgeschaltet und die obere Heizeinrichtung 4 wird weiterhin betrieben und auf eine Temperatur eingestellt bzw. geregelt, die die
Oberfläche der Schmelze 21 weiterhin oberhalb des Schmelzpunkts hält. Der zum Kristallisieren notwendige Wärmeabfluß erfolgt über den bereits erstarrten Teil des Blocks 23 und den Kokillenboden und von dort auf die Kokillentragplatte 13. Von der Kokillentragplatte 13 fließt die Wärme über den Spalt zwischen den Bohrungen/Ausnehmungen 17, 13a und den Wärmeleitkörpern 10 in die Kühlplatte 9 ab und wird von dort an das Kühlmittel übertragen. Es ist ersichtlich, daß über die Eintauchtiefe der Wärmeleitkörper 10 in die Kokillentragplatte 13 die abzuführende Wärmemenge sehr fein eingestellt und geregelt werden kann. Auf diese Art und Weise kann die Erstarrung des Blocks sowie die Bildung von Stengelkristallen sehr genau, beginnend von dem Kokiilenboden aus, eingestellt und geführt werden.
Nachdem der Block 23 erstarrt ist, wird die Kühlstruktur 26 in Richtung des Pfeils 24 in Figur 2 nach unten verfahren, so daß sie vollständig aus dem Eingriff der Kokillentragplatte 13 sowie der unteren Wärmedämmung 16 gelangt. Danach wird die Heiztemperatur der oberen Heizeinrichtung 4 auf einen Wert unterhalb der Solidus-Tem- peratur reduziert. Nun wird wieder die untere Heizeinrichtung 3 eingeschaltet und deren Temperatur auf die blockfußtemperatur eingestellt. Es erfolgt eine geregelte Erhöhung der Heiztemperatur auf den Wert der oberen Heizeinrichtung 4. Nach einem Temperaturausgleich in dem Ofenraum wird die Temperatur im Ofenraum über eine vorgegebene Haltezeit beibehalten. Danach erfolgt ein programmiertes Absenken der Heiztemperatur der oberen und der unteren Heizeinrichtung 3, 4.
Die Figuren 3A bis 3C zeigen drei verschiedene Querschnittsformen von Wärmeleitkörpern 10, wie sie in der Anordnung, die vorstehend anhand der Figuren 1 und 2 beschrieben ist, eingesetzt werden können. In Figur 3A ist beispielhaft ein Feld mit insgesamt 9 Wärmeleitkörpern 10 gezeigt, die einen kreuzförmigen Querschnitt aufweisen. Die Ausnehmungen 13a in der Kokillentragplatte 13 sind, wie oben rechts in Figur 3A angedeutet ist, entsprechend dem Querschnitt der Wärmeleitkörper 10 geformt, so daß ein schmaler Spalt zwischen der Wandung der Ausnehmungen 13a in der Kokillentragplatte 13 und dem jeweils darin eingeführten Wärmeleitkörper 10 verbleibt. Durch diese Kreuzform können die Wärmeleitkörper 10 mit großen Oberflächen ausgestattet werden, um eine hohe Wärmeübertragung über diese Wärmeleitkörper 10 zu erzielen.
ln Figur 3B ist eine Anordnung aus neun Wärmeleitkörpern 10 gezeigt, die jeweils einen kreisförmigen Querschnitt besitzen. Solche Wärmeleitkörper 10 dringen dann in Ausnehmungen 13a (nicht dargestellt) mit einer entsprechenden Querschnittsform ein, so daß wiederum ein geringer Spalt, wie dies in Figur 3A gezeigt ist, verbleibt. Eine dritte Querschnittsform für die Wärmeleitkörper 10 ist in Figur 3C dargestellt, wobei diese Querschnittsform sternförmig ist. Mit dieser Sternform kann, gegenüber der Anordnung der Figur 3A, ein noch größerer Oberflächenbereich, je nach Anzahl der Zacken oder Stege, erzielt werden.
Die spezifische Oberfläche entsprechend den einzelnen Querschnittsformen der Figuren 3A, 3B und 3C sollte unter Beachtung der Temperatur, der Wärmeleitfähigkeit, der Länge der Wärmeleitkörper 10 und der mechanischen Stabilität gewählt werden. So sollten die Wärmeleitkörper 10 eine Dicke und/oder Breite, in Figur 3B mit dem Bezugszeichen 29 bezeichnet, von 5 bis 20 mm, vorzugsweise 10 bis 14 mm, aufweisen. Benachbarte Wärmeleitkörper 10 sollten mindestens etwa 50 mm beabstandet sein bzw. die Dicke des Stegs, der zwischen benachbarten Wärmeleitkörpern 10 verbleibt, in Figur 3B mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnet, sollte 50 mm betragen. Die Länge bzw. Höhe der Wärmeleitkörper, d.h. in Richtung senkrecht zu der Zeichenebene der Figuren 3A bis 3C, sollte im Bereich von 100 bis 150 mm liegen, vorzugsweise etwa 130 mm betragen.
Wie bereits vorstehend erwähnt wurde, kann der Ofenraum mit einem Gas, vorzugsweise Argon, gefüllt werden, und der Druck im Ofenraum während der Kühlung bzw. während des Verfahrens der Kühlstruktur 26 in Richtung der Kokillentragplatte 13, geregelt werden. Der Druck wird hierbei so eingestellt, daß die volle Hubhöhe der Wärmeleitkörper genutzt wird, um ein möglichst feinfühliges Regelverhalten zu erzielen.
In Figur 4 ist schematisch eine Kokille 15 mit Wärmeisolation 2 dargestellt. In dieser Ausführungsform ist keine gesonderte Kokillentragplatte 13a vorhanden, wie bei der Anordnung der Figuren 1 und 2, auf denen der Boden der Kokille aufgesetzt wird, sondern der Kokillenboden selbst, in Figur 4 mit dem Bezugszeichen 33 bezeichnet ist, mit Bohrungen bzw. Ausnehmungen 13a versehen, in die wiederum die jeweiligen Wärmeleitkörper 10 der Kühlstruktur 26 eindringen. Darüberhinaus ist der
Kokillenboden 33, der der Schmelze zugeordnet ist, strukturiert, indem einzelne Vertiefungen 25 und Erhöhungen 35, beispielsweise mit einem dreieckförmigen Querschnitt, zur Erhöhung der Wärmeaustauschfläche vorgesehen sind. Wie in Figur 4 zu erkennen ist, sind hierbei die jeweiligen Ausnehmungen 13a so angeordnet, daß sie jeweils einer entsprechenden Erhöhung 35 der Strukturierung des Kokillenbodens 33 zugeordnet sind. Diese Strukturierung des Kokillenbodens mit den Vertiefungen 25 ist darüberhinaus zur Vorgabe von Startpunkten für das Kristallwachstum, jeweils am Boden der einzelnen Vertiefungen, von Vorteil. Es ist verständlich, daß die Seitenwände 19 der Kokille 15 dicht mit dem Kokillenboden 33 verbunden sind.
Mit der Anordnung, wie sie in den Figuren 1 und 2 sowie der Figur 4 dargestellt sind, unter Berücksichtigung der jeweiligen Querschnittsformen der Wärmeleitkörper 10, können Kühlleistungen im Bereich von 10 bis 150 kW/m2, und zwar durch unterschiedliche Positionierungen der Wärmeleitkörper 10 in den jeweiligen Ausnehmungen 13a, erreicht werden, so daß die jeweilige Erstarrungsgeschwindigkeit definiert eingestellt werden kann. Darüberhinaus können in einer Weiterbildung der Anordnung, wie sie dargestellt ist, die einzelnen Wärmeleitkörper unterschiedlich zueinander verschoben werden, um durch eine unterschiedliche Stellung in den jeweiligen Ausnehmungen 13a an unterschiedlichen Stellen des Kokillenbodens unterschiedliche Wärmemengen abzuführen. Beispielsweise könnten in einer speziellen Ausführungsform die außenliegenden Wärmeleitkörper 10 früher oder später als die weiter in der Mitte liegenden Wärmeleitkörper 10 in die jeweiligen Ausnehmungen 13a zur Anpassung des Erstarrungsprofils bzw. der Erstarrungsfront in die Ausnehmungen eingeführt werden, hierzu müßte dann der in den Figuren dargestellte Hubmechanismus bzw. Hubstempel 8 in mehrere einzelne, den jeweiligen Wärmeleitkörpern zugeordnete Hubstempel unterteilt werden.
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1. Verfahren zur Herstellung von Werkstücken und Blöcken aus schmelzbaren Materialien, bei dem flüssiges Ausgangsmaterial in einer Gießform unter Einsatz einer Kühleinrichtung gerichtet erstarrt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur definierten Führung der Erstarrrungsfront während der Abkühlung des geschmolzenen Materials in einen dem Boden der Gießform zugeordneten Körper eine Kühlstruktur mit mindestens einem Wärmeleitkörper in mindestens eine zugeordnete Ausnehmung von der Unterseite her in den Körper eingeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß zur Führung der Erstarrungsfront eine Kühlleistung im Breich von 10 bis 150 kW/m2 durch unterschiedliche Positionierungen des Wärmeleitkörpers eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Druck um die Kühlstruktur herum während der Abkühlung in definierter Weise zur Änderung der abzuführenden Wärmemenge pro Zeiteinheit verändert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Wärmeleitkörper während der Abkühlung von einem Edelgas, insbesondere Argon, umgeben ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Wärmeleitkörper entsprechend einer gewünschten Führung der Erstarrungsfront während der Abkühlung zu unterschiedlichen Stellungen in den zugeordneten Ausnehmungen verschoben werden.
6. Vorrichtung zur Herstellung von Werkstücken oder Blöcken aus schmelzbarem Material mit einer Gießform, die mittels einer Heizeinrichtung beheizbar ist, und wobei dem Boden der Gießform eine Kühleinrichtung zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung eine Kühlstruktur (25) mit mindestens einem Wärmeleitkörper (10) umfaßt, der in mindestens eine zugeordnete
Ausnehmung (17, 13a) in einem dem Boden (19) zugeordneten Körper (13; 33)mittels eines Verschiebemechanismus (18) von der Unterseite her in den Körper (13; 33) einführbar ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlstruktur (25) mehrere Wärmeleitkörper (10) umfaßt, die in zugeordnete Schlitze und/oder Sacklochbohrungen (13a) im Körper (13; 33) einführbar sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Boden der Gießform eine Heizeinrichtung (3) zugeordnet ist und der Wärmeleitkörper (10) durch die Heizeinrichtung (3) im eingeführten Zustand hindurchragt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitkörper (10) durch Platten, Bolzen und/oder Stäbe gebildet sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitkörper (10) eine Dicke und/oder Breite (29) von 5 mm bis 20 mm, vorzugsweise von 10 bis 14 mm, aufweisen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die verbleibende Stegbreite (30) zwischen benachbarten Ausnehmungen (13a) im Körper zwischen 5 und 20 mm beträgt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einführtiefe des Wärmeleitkörpers (10) in den Körper mindestens etwa 20 mm beträgt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Wärmeleitkörpers zwischen 100 und 150 mm, vorzugsweise etwa 130 mm, beträgt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen dem Wärmeleitkörper (10) und der Ausnehmung (17) mit Argon gefüllt (gespült) ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeleitkörper (10) senkrecht zu seiner Höhe einen kreuz- oder sternförmigen Querschnitt aufweist, wobei die Ausnehmung (17) diesem Querschnitt jeweils angepaßt ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeleitkörper (10) zumindest an seinem dem Körper abgewandten Ende mit einem Kühlmedium (18) zwangsgekühlt ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Summe der Querschnittsflächen der Wärmeleitkörper (10) zu der Summe der Querschnittsflächen der Ausnehmungen (13a) zwischen 1 ,5 : 1 und 5,5 : 1 beträgt.
18. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (33) ein integraler Teil des Bodens der Gießform (15) ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurach gekennzeichnet, daß der Körper (13) eine Tragestruktur (13) bildet, auf die die Gießform (15) aufgesetzt ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (33) der Gießform (15) auf seiner der Schmelze zugewandten Seite Erhöhungen und Vertiefungen (25) aufweist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ausnehmung (13a) in eine Erhöhung (35) hinein erstreckt.
22. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlstruktur (26) in einer hinsichtlich des Drucks veränderbaren Kammer (1a, 1b) angeordnet ist.