NO127343B - - Google Patents

Description

Fremgangsmåte og apparat for smelting av metaller i massegodsform.

Foreliggende oppfinnelse vedrører

smelting og raffinering under vakuum av

metaller, som foreligger i partikkel- eller

annen oppdelt form, f. eks. pulver-, korn-eller svampform, dvs. som massegods. Ut-gangsmaterialets partikkel-, korn- eller

stykkstørrelse kan variere innen vide gren-ser, fra de fineste, støvformete pulver og

opp til klumper eller stykker av en val-nøtts størrelse, eller til og med ennu større,

bare under forutsetning av at de er tilstrekkelig små til uten vanskelighet å kunne behandles av transportører eller ved sin

egen tyngde kan renne gjennom rør eller

renner.

Noen av de metaller som først i den

senere tid er innført på markedet er i høy-este grad varmemotstandsdyktige og leveres

fra råvare-fremstillingen i alminnelighet i

massegodsform av den ovenfor angitte art.

Som eksempel på metaller av denne art

kan nevnes titan og zirkon. Oppfinnelsen

vedrører i første rekke viderebehandlingen

eller foredlingen av disse og andre lignende metaller som er vanskelig å behandle,

og skal følgelig beskrives tillempet på disse, men som det vil fremgå av den følgende

beskrivelse, er oppfinnelsens anvendbarhet

ikke begrenset til disse mindre vanlige metaller, men kan tillempes for ethvert annet

metall, hvis anvendelighet ved vakuumsmeltning skal forbedres i en slik grad at

tillempningen av foreliggende prosess kan

ansees økonomisk forsvarlig.

Vakuumsmelting tillempes hovedsakelig

av den ene eller begge av to årsaker: Enten

kan metallene ha en så stor kjemisk affi-nitet til de atmosfæriske gasser, særlig ved

smeltepunktet eller deromkring, at det ba-

re ved en slik smelteprosess kan holdes i smeltet tilstand med nødvendig bevart ren-hetsgrad, idet smeltingen i luft ville kunne medføre en eksoterm oppkoking eller til og med eksplosjon, eller også ville den, hvis affiniteten ikke var så sterk, komme til å adsorbere større mengder av de gasser som den utsettes for, idet en avgassing ved smeltning under vakuum kan medføre en forbedring av både dets elektriske og me-kaniske egenskaper. De høye temperaturer for hvilke metallene i det sistnevnte tilfelle utsettes, avdriver de adsorberte gasser i høyere og høyere grad alt ettersom temperaturen nærmer seg og sluttelig når smeltepunktet, og de derunder utviklete gasser fjernes av evakueringssystemet slik at de ikke påny kan forene seg med eller adsorberes til metallet, når dette igjen stivner.

Foruten de bunne (eller «ukondenserbare») gasser, kan også visse andre forurensninger fjernes ved vakuumsmeltning. En av de viktigste av disse — og iblant den vanskeligste- er vann. Vann kan, like-som de bunne gasser, adsorberes i damp-fasen, avdrives under smelteprosessen og suges bort av evakueringssystemet sammen med de frigjorte, tidligere bunne gasser. Grunnen til at vann er så besværlig, er at det i stedet for å avgå sukessivt og jevnt kan samle seg under den overflate på hvilken smeltningen skjer, inntil damptrykket er steget til en verdi ved hvilken den fri-gis eksplosjonsartet og forårsaker stenking og ustabilitet i smelteprosessen, særlig hvis denne gjennomføres ved hjelp av en elektrisk utladning mot behandlingsgodsets overflate. Størst sannsynlighet for at dette fenomen skal inntreffe foreligger ved anvendelse av forholdsvis lave arbeidstempe-raturer. Ved de mere varmemotstandsdyktige, høytsmeltende metaller virker vann-dampen på samme måte som en ukondenserbar gass.

En annen art av forurensninger som ofte forekommer i råmaterialet av den angitte art, utgjøres av stoffer som er i fast form ved vanlige, lavere temperaturer, men fordampes ved eller under smeltepunktet for det behandlete metall. De forurensninger som mest vanlig forekommer av denne art er alkali- eller jordalkalihalo-genider, først og fremst natrium- og mag-nesiumklorider. Disse stoffer kan forårsake ødeleggelser av lignende art som forårsa-kes av vanndamp, men de kan også ha slike egenskaper at de gir årsak til ytterligere vanskeligheter og ulemper som skal utredes nærmere i det følgende.

Ved vakuum-smelteprosesser tilføres det for smelting nødvendig varme så godt som alltid på elektrisk vei. Ved smelting av kompakt materiale kan dette uten vanskelighet skje ved induksjonsoppvarmning. Ved smelting av massegods er derimot motstanden hos det oppdelte gods så høyt at induksjonsoppvarmning vanligvis blir altfor uøkonomisk, og i dette tilfelle fore-trekker man å bombardere det gods som skal smeltes med en elektrisk utladning. I visse tilfeller kan dette utgjøres av en lysbue, men betydelige fordeler kan oppnåes ved før foreliggende type av opphetning å anvende en hovedsakelig ren elektroneutladning. Den mest økonomiske måte å ut-nytte et slik fremgangsmåte på er å opprettholde elektroneutladningen gjennom en ione-sky, som for en del nøytraliserer den romutladning som søker å begrense elek-tronestrømmen. Ved denne opphetnings-metode opprettholdes en glødeutladning i utladningsområdet. Denne utladning er stabil sålenge vakuumet langs utladningsstrekningen holdes ved en hovedsakelig konstant verdi, fortrinnsvis av størrelses-ordenen høyst 1 mikron Hg absolutt trykk. Hvis det imidlertid foregår en plutselig inn-føring av materiale i gassfasen i utladningsområdet, kan trykket lokalt stige til en verdi, som tillater dannelsen av en lysbue med «fastkjerne», en såkalt «hård» lysbue, i hvilken det bombarderte materiale fordampes, ionisering ved kollisjon foregår i den dannete damp, spenningen over utladningsstrekningen synker og strømmen stiger særlig kraftig slik at tilstedeværende overstrømbrytere eller andre beskyttelses-anordninger trer i funksjon og bryter den kontinuerlige prosess. Alle gassformete stoffer som f. eks. H2, argon, Ns, vanndamp, faste stoffer i dampform osv. kan forårsake slike eksplosjonsartete omvandlinger og ødeleggelser.

Det er allerede tidligere blitt foreslått en metode ved hvilken en slik ustabilitet kan hindres og denne metode er effektiv og tilfredsstillende, når forurensningene i det smeltete materiale utgjøres av vanndamp eller de bunne gasser. I overensstemmelse med denne tidligere foreslåtte metode presses metallpartikkel-massen gjennom en med åpen utmatningsende forsynt kanal og utsettes for elektronebombarde-ment når de kommer frem i den åpne utmatningsende, hvis åpningsplan er vendt generelt oppover og enten er horisontalt eller også heller under en moderat vinkel mot horisontalplanet. En smeltesone av metall dannes derunder i kanalens åpne ende og danner en tettende smeltepropp, og hindrer de utviklete gasser fra å trenge frem og komme inn i utladningsstrekningen, idet det smeltete metall kan dryppe ned, idet det litt etter litt mates frem av det gods som kontinuerlig trykkes frem fra den bak-re del av kanalen. Overflatespenningen hos det smeltete metall holder den smeltete metalloverflate ubrutt over hele tverrsnit-tet av kanalenden selv om utmatningsen-dens åpningsplan har temmelig stor helning.

Gassutviklingen foregår derunder på baksiden av smelteproppen, dels før og dels på den overflate i kanalen hvor selve smeltingen foregår. Den utviklete gass føres bort gjennom kanalens innførselsende, som også holdes under vakuum og på denne måte ikke komme inn i utladningsstrekningen og forårsake ustabilitet i denne.

Til tross for at den således beskrevne prosess er særlig effektiv med henblikk på de bunne gasser resp. vanndamp (da den sistnevnte er hovedsakelig «ukondenserbar» ved de tillempete temperaturer og trykk) er den virkningsløs overfor faste forurensninger. Disse forurensninger kan ikke føres bort før de er fordampet, hvilket skjer først like inntil smeltesonen. Sålenge smelteproppen forblir intakt, kan de fordampete forurensninger føres bort bare i retning bakover, hvor de imidlertid kondenseres så-snart de treffer på det kjøligere behandlingsgods som er under fremmatning. Etterat de således er kondensert, bringes de igien med fremover av det fremmatete gods. slik at det samme forløp igjen gjentas gang på gang. Derunder stiger konsentrasjonen av forurensninger innen det område hvor smeltningen skjer, samt umiddelbart bak dette område, teoretisk sett uten grense og i praksis i hvert fall til en verdi som er mange ganger større enn konsentrasjonen i utgangsmaterialet. Konsentrasjonen når således snart et punkt hvor mengden av den utviklete damp og det derav frembragte trykk ikke lenger kan holdes tilbake av smeltesjiktets overflatespenning, men - dette sjikt gjennombrytes av en mindre eksplosjon eller «puff», som forårsaker spruting av metall samt en mo-mentan øking av gasstrykket i ovennevnte utladningsstrekning. Erfaringen har vist at slike gjennombrudd eller puffer oppstår når konsentrasjonen av ukondenserbare forurensninger overskrider ca. 0,3 %. Spru-ten av metall avsetter seg på konstruk-sjonsdeler som ligger omkring utladningsstrekningen, frembringer ødeleggelse av det elektriske felt, og også av utladningen, samt medfører at driften snart må avbry-tes for rengjøring av apparaturen.

Ett av formålene for foreliggende oppfinnelse har vært å skaffe en fremgangsmåte og et anlegg for gjennomføring av denne, som er egnet til å hindre all erup-sjonsartet diskontinuerlig uttrengning av gass eller damp i utladningsområdet, som anvendes for smeltning av massegodsfor-met materiale, og som er effektivt virksomme uavhengig av om de forurensninger, som er tilbøyelig til å forårsake slike erupsjoner, ved normale temperaturer er gassformet eller foreligger i fast form. Sett fra et annet synspunkt, foreslåes ifølge oppfinnelsen en fremgangsmåte og en anordning for opprettholdelse av en hovedsakelig elektronisk utladning for kontinuerlig smeltning av materiale, som foreligger i masse-godsform og som inneholdet- gassformete og/eller faste forurensninger. Et ytterligere formål med oppfinnelsen har vært å skaffe en fremgangsmåte og et anlegg for vakuumsmeltning av varmemotstandsdyktige (høytsmeltende) metaller, som er spesielt effektive når det gjelder fremstilling av metaller med høy renhets-grad av utgangsmateriale som inneholder enten faste eller gassformete forurensninger. Andre formål og fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå av den følgende detaljer-te beskrivelse.

I overensstemmelse med fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen mates en strøm av det massegodsformete jmetall kontinuerlig til en smeltesone, som er anordnet i et plan som ligger slik at det metall som smeltes innenfor denne sone umiddelbart renner bort, dvs. at smeltesonen enten vender generelt nedover, eller har en så bratt helning at overflatespenningen hos det smeltete metall ikke er istand til å opprettholde noe ubrutt smeltesjikt, som ville virke som en tettende smeltepropp. En elektrisk utladning rettes mot det metall sam ankommer til smeltesonen for å tilveiebringe smeltningen. De partikler som skal smeltes, trykkmates inn i smeltesonen mot virkningen av en hemmende kraft, som kan frembringes ved begrensning av gjennomstrømningsarealet for partikkelmassen eller i visse tilfeller bare ved friksjon. Under disse forhold kommer større partikler eller klumper i hvert tilfelle til å hemmes, slik at de ikke faller ned gjennom smeltesonen innen de smelter. Dessuten forårsaker imidlertid den utøvete hemningskraft sammen med den varme som ved ledning og stråling tilføres det materiale som er under fremmatning, en sammensintring av partiklene, uavhengig av disses størrelse, slik at det dannes en fast og mere eller mindre porøs masse, fra hvilken metallet ikke kan falle ned før det virkelig er smeltet. Det er vanligvis fordelaktig å kjøle det behandlingsgods som er under fremmatning umiddelbart bak smel-te- og sintringssonene, slik at man får en steil temperaturkurve i disse.

Forløpet ved den smeltende overflate av den fremmatete masse blir til en viss grad avhengig av porøsitetsgraden. Ved et så langt drevet vakuum som anvendes i den beskrevne prosess kan bevegelsen av molekylene i de fordampete forurensninger ikke behand>es etter lovene for strømning, men må betraktes som et statistisk diffu-sjonsproblem. De bunne molekyler som fri-gis fra materialets overflate under smelte-forløpet beveger seg i vilkårlige retninger med hastigheter som avhenger av deres varmeenergi. De som fra overflaten beveger seg fremover inn i den elektriske utladning har så stor fri bevegelsesbane at det foreligger -stor sannsynlighet for at de helt vil unnslippe og suges bort gjennom evakueringssystemet. De som flytter seg bakover inn i porene i den fremmatete partikkelmasse og i partikkelmellomrommene, vil med stor sannsynlighet slåes tilbake i dir>se hulrom og unnviker så godt som umiddelbart, særlig når hulrommene er små, slik som tilfellet er i fortettet og sintret pul-verformet gods.

Når det foreligger større hulrom som står innbyrdes i forbindelse med hverandre, som i sintret metallsvamp og lignende, er det større sannsynlighet for at de frigjorte dampmolekyler vil oppfanges i hulrommene for atter å bringes med fremover og påny emitteres sammen med de under smeltningen for første gang frigjorte molekyler, hvorunder denne sirkulasjon medfører en økning av den effektive konsentrasjon av kondenserbare forurensninger i metallet.

Hvis bare overflaten av den usmeltete partikkelmasse var plan og ingen del av den var tettende lukket av ansamlete væs-kedråper, er det tydelig at proporsjonen av innfangete molekyler ikke ville kunne over-skride en halv, i hvilket tilfelle den ovenfor nevnte sirkulasjon ville kunne medføre høyst en fordobling av det virksomme inn-hold av forurensninger. I praksis har denne overflate imidlertid dype arr og smelteover-flaten er delvis tettet igjen av smeltedrå-per. Den førstnevnte av disse virkninger minsker sannsynligheten for innfangning av molekyler, mens den sistnevnte øker denne sannsynlighet. Også ved anvendelse av metallsvamp synes økningen av den effektive konsentrasjon av forurensninger å bli mindre enn 100 %, hvilket dog for tiden bare har kunnet bedømmes tilnærmelsesvis. Det som imidlertid er av betydning i denne forbindelse er at metallsvamp som inneholder opp til 0,3 % kondenserbare forurensninger med fordel kan smeltes etter denne metode, idet til og med spor av slike forurensninger kan forårsake spruting (erupsjoner, puffing) når det forefinnes en ubrutt, tettende væskepropp. slik at damp-sirkulasjonen gjentas gang på gang under stigende indre trykk, inntil dette, når en verdi ved hvilken en eksplosjonsartet ut-løsning skjer.

Ved en særlig hensiktsmessig utførel-sesform av anlegget for utførelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen mates behandlingsgodset — i stedet for gjennom en liggende kanal i retning mot en oppover-vendt utmatningsåpning, hvor det smeltes

— inn i den øvre ende av et nedentil åpent, nedadrettet tilførselsrør, hvis åpne nedre ende likeledes vender nedover, slik at det smeltete metall renner eller drypper direkte ned gjennom utmatningsåpningen. Rett overfor den åpne ende av tilførselsrøret er der anbragt en anordning for å rette den elektriske utladning direkte mot utmat-ningsåpningens sentrale del, hvorunder denne anordning fortrinnsvis omfatter en ringformet- elektroneemitterende katode, anordnet hovedsakelig koaksialt med utmatningsåpningen, samt en elektrode som delvis omgir katoden, for fokusering av de emitterte elektroner med det bestemte treffpunkt. Videre er der en elektrisk forbindelse mellom katoden og behandlingsgodset i tilførselsrøret for opprettholdelse av en utladningsspenning for smelting av godset og i de fleste tilfeller er det hensiktsmessig at den nedre ende av tilførsels-

røret er noe trangere ved en smalere, innover rettet kantflens. I det øvre endeparti av røret er der en anordning for komprimering av behandlingsgodset i røret. Den mest hensiktsmessige anordning for dette øyemed utgjøres av en frem- og tilbakegående ramme. Denne kan være rørformet og slik dimensjonert at den lett glidbart styrt i tilførselsrøret, eller også kan den ha form av en massiv rammestang, som kan beveges frem og tilbake i området langs rørets lengdeakse. Samtlige ovenfor beskrevne komponenter og apparater er naturligvis innesluttet i en vakuumtank eller lignende, som er koblet til en pumpeanord-ning med tilstrekkelig kapasitet til å holde trykket i tanken på en verdi av høyst ca. 1 mikron Hg, selv ved den største gassutvikling som kan ventes fra det anvendte råmateriale. Fortrinnsvis er der en anordning for kjøling av tilførselsrørets nedre endparti i nærheten av utmatningsåpningen, rett overfor det sted hvor opphetnin-gen ved den elektriske utladning sxjer.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere i forbindelse med ved-lagte tegning, som illustrerer et anlegg, utstyrt med en apparatur ifølge en utfø-relsesform for oppfinnelsen, hvorunder for kjente, vanlig brukte komponenter er vist rent skjematisk, mens de deler som inngår i, eller har nær forbindelse imed oppfinnelsen, er vist tilstrekkelig detaljert til å tydeliggjøre den bestemte arbeidsmåte.

På tegningen er vist skjematisk en på hovedsakelig tradisjonell måte utført vakuumtank 1, som gjennom en utløpsled-ning 3 står i forbindelse med en eller flere vakuumpumper 5. Når det gods som skal behandles i tanken under behandlingen ut-vikler gasser, bør denne sugeledning 3 ha stort gjennomstrømningstverrsnitt i forhold til størrelsen av tanken, og pumpen 5 bør ha tilstrekkelig kapasitet til å holde middelverdien av undertrykket i tanken på den bestemte verdi, fortrinnsvis ved et absolutt trykk i nærheten av 0,5 mikron Hg eller mindre, uavhengig av en slik fore-kommende gassutvikling.

Ovenpå tanken er der montert en va-kuumlås 7, fortrinnsvis forsynt med en egen evakueringsledning 9 og vakuumpumpe 1,1, men den kan også være koblet til det før nevnte hoved-evakueringssystem. I vakuumlåsen er der anordnet en matnings-trakt 13, hvis nedre ende står i forbindelse med hovedvakuumtanken 1 gjennom en utenfra betjent klaff eller ventil 15. En lignende klaff eller ventil 17 er montert i en åpning i vakuumlåsens slusekammer rett over trakten, gjennom hvilken denne kan påfylles intermitterende uten at vakuumet i tanken 1 behøver å brytes. For utførelse av dette åpnes ventilen 17 og trakten fylles, hvoretter ventilen 17 stan-ges og slusekammeret evakueres, inntil trykket i dette er hovedsakelig likt trykket i tanken. Deretter åpnes ventilen 15, hvorunder godset i trakten tømmes ned i en vanlig rystebordsmater 19, som er montert på en konsol 21 rett under påfyllingstrak-ten 13. Slike anordninger for mating i forbindelse med kontinuerlige prosesser som utføres under vakuum, er vel kjent fra før og behøver derfor ikke beskrives i detalj; de er anført her bare som typiske eksempler på metoder og midler for mating av behandlingsgodset ved et anlegg som foreliggende oppfinnelse i første rekke angår.

Som allerede angitt foreligger det gods som skal behandles i foreliggende anlegg i massegodsform (partikkelform). Denne omfatter pulver-, korn- og grynformet, samt klumpet og småstykkeformet gods, og selve godsklumpene eller -kornene kan enten foreligge i fast form eller i form av metallsvamp, slik som tilfelle er for visse av de materialer til hvis behandling oppfinnelsen er særlig fordelaktig, f. eks. titan. I hvilken av disse former materialet enn foreligger, inneholder den i trakten 13 på-fylte sats store mengder av innesluttet luft, av hvilken en del er adsorbert og endel befinner seg i hulrommene mellom og inne i partiklene. Innen satsen tømmes i materen 19 er imidlertid den i hulrommene værende luft blitt fjernet av vakuumpum-pen 11, slik at det gods som avgis av mate-anordningen bare inneholder slike gasser eller andre forurensninger som foreligger adsorbert, oppløst eller på annen måte så fullstendig fordelt i selve metallets faste partier at de ikke kan fjernes ved den eva-kueringsprosess som er gjennomført i va-kuumslusen.

Behandlingsgodsets partikler, som på tegningen er betegnet med 23, strømmer befridd for den fri gass fra utmatningsen-den av den matningsrenne 25 som inngår i tilførselsapparatet inn i den øvre ende av tilførselsrøret 27. Tilførselsrøret er fortrinnsvis montert opprettstående, hovedsakelig i vertikal stilling, og selv om det ikke er anordnet nøyaktig loddrett, må det allikevel helle tilstrekkelig sterkt nedover til at smeltet metall ikke skal kunne renne bakover i røret. Den nedre ende av røret er åpen men fortrinnsvis noe forskjøvet ved en innover rettet flens 29 omkring kanten av åpningen. Hvorvidt denne flens er nødvendig eller ikke avhenger av den effektive friksjonskoeficient mellom behandlingsmaterialet i tilførselsrøret og rø-rets vegg. Ved den i praksis mest hensiktsmessige utførelsesform av anlegget, består selve tilførselsrøret av kobber og omgis av en kobbermantel 31, gjennom hvilken et kjølemiddel bringes til å sirkulere ved hjelp av en innløpsledning 33, en utløpsledning 36 og en sir kulas jonspumpe 37. Hvis der anvendes vann som kjølemiddel, kan pumpen sløyfes og vanntilførslen kan foregå kontinuerlig fra en alminnelig vannledning.

Skjønt anvendelsen av vannmantel er å foretrekke, utgjør det ikke noe nødvendig ledd i oppfinnelsen, forutsatt at tilførsels-røret består av et materiale som er meget mere varmemotstandsdyktig enn det metall som skal smeltes. Det kan således bestå av isolerende materiale, i hvilket tilfelle friksjonskoeficienten mellom behandlingsmaterialet og tilførselsrøret kan være tilstrekkelig stor til å hindre godset fra å renne ned gjennom røret like raskt som det tilføres ovenfra, selv i fravære av den innover rettete flens 29, men i alminnelighet er det mest hensiktsmessig å anordne denne flens, selv om det gjøres bare som en forsiktighetsregel.

En elektrone-emitterende katode er montert like under den åpne ende av til-førselsrøret og omgis av en skjerm, som tjener til å fokusere de elektroner som emitteres mot det behandlingsgods som befinner seg i rørets endeåpning. Ifølge en foretrukket utførelsesform er katoden ringformet og montert koaksialt med selve til-førselsrørets åpning. I foreliggende utførel-sesform består katoden av en enkel løkke av kraftig volframtråd eller -stang 39, mens fokuseringsskjermen består av ring med U-formet tverrsnitt med en flens 41, som strekker seg radielt innover over katoden, og en annen flens 43, som på lignende måte strekker seg under denne, hvorunder flensene frigir en sentral åpning gjennom hvilken det smeltete gods som er smeltet ved elektroneutladning, kan dryppe ned. Skjermens materiale kan ut-gjøres av metall, i hvilket tilfelle skjermen er forbundet med katodekretsen, slik at den arbeider ved samme potential som katoden. Ved den viste utførelsesform består den imidlertid av ett eller annet isolerende, ildfast materiale f. eks. isolatorporselen, sillimanitt eller sintret steatitt, og katoden bæres av skjermen ved hjelp av konsoler 45, som srtekker seg innover fra skjermens sylindriske vegg. Enten skjermen består av ledende eller ikke-ledende materiale, blir dens virkning hovedsakelig den samme, fordi hvis den er ikke-ledende, mottar den nesten umiddelbart en ladning fra de av katoden emitterte elektroner, hvorved dens overflate bringes til å anta katodepotential eller bli noe mindre negativ i forhold til katoden, hvorunder forskjellen i forhold til katodepotentialet betinges av den mak-simale hastighet i elektronvolt med hvilken den termiske elektrone-emisjon fra katoden foregår.

Under driftsperiodene arbeider katoden ved et potential som ligger et sted mellom noen hundre og noen tusen volt negativ i forhold til behandlingsgodset i tilførsels-røret, hvorunder spenninger innen området over 1000 volt er mest hensiktsmessig. Fortrinnsvis er tilførselsrøret og behandlingsgodset som befinner seg i det elektrisk forbundet direkte med tanken 1, som er jordet. Den negative katodespenning tilføres i dette tilfelle fra et vanlig nettaggregat 47 for likestrøm, hvorunder dette aggregat på en måte som er vanlig i slike tilfeller, inneholder en transformatorvikling som leverer vekselstrøm for opphetning av katoden. Det er også mulig å anvende vekselstrøm-tilførsel for selve utladningen, hvorunder denne finner sted bare under de halvpe-rioder hvor katoden er negativ i forhold til behandlingsgodset i tilførselsrøret. Den sistnevnte anordning er imidlertid mulig bare når behandlingsmaterialet er en dår-lig elektrone-emitter ved godsets smelte-temperatur. Med hensyn til det materiale som foreliggende oppfinnelse i første rekke gjelder, er dette i alminnelighet ikke tilfelle. En omkastet utladningsretning kan medføre en rask ødeleggelse av katoden, og av denne grunn er anvendelsen av en likestrømskilde for strømtilførslen alltid ønskelig sett fra et økonomisk synspunkt.

En frem- og tilbake bevegelig ramme 49 strekker seg ovenfra og ned i tilførsels-røret. Ved den viste utførelsesform består rammen av et stykke tykkvegget stålrør, som stikker et godt stykke gjennom den øvre ende av tilførselsrøret også når rammen befinner seg i sin øvre vendestilling. En langstrakt, langsgående åpning 51 i rammens mantelvegg gir plass for ryste-materens tilførselsrenne 25 slik at det gods som avgis av materen gjennom rammerø-rets indre faller ned i tilførselsrøret. Den øvre ende av det rørstykke som rammen består av, er lukket med et lokk, med hvilket en trykkstang 53 er forbundet, hvilken stang passerer gjennom en vanlig ak-selpakning 55 i en gjennomføringsboks på oversiden av tanken 1. Utenfor tanken 1 er trykkstangen eller rammestangen ledd-forbundet med en veivstang 57, som er koblet til en veiv 59, som drives av en hensiktsmessig motor 61, som meddeler rammen dens frem- og tilbakegående bevegelse. Rammen arbeider kontinuerlig så lenge anlegget er i drift. Det vil naturligvis være mulig i stedet å anvende en massiv, sen-tralt arbeidende ramme, men en slik med-fører vanligvis ikke en så jevn matning som ønskelig.

Før anlegget startes er det vanligvis nødvendig først å koble tilførselsrørets nedre ende til en plate, hensiktsmessig be-stående av tidligere renset metall av den art som skal smeltes. Denne plate hindrer det innmatete gods fra å falle fritt ned gjennom tilførselsrøret under operasjonens begynnelsesstadium. Etterat der en nådd en nødvendig grad av vakuum i tanken, sluttes de elektriske tilførselsstrømkretse-ne slik at den elektriske utladning startes og konsentreres mot den sentrale del av den foreliggende koblingsplate. Derunder smelter først den sentrale del av overflaten av denne plate, hvorunder det smeltete metall i form av dråper 63 renner ned i et hensiktsmessig oppsamlingskar, f. eks. i den øvre ende av en form for kontinuerlig støpning (strengstøpning); da denne anordning i og for seg ikke inngår i foreliggende oppfinnelse, er dette kar helt enkelt fremstilt i form av en digel 65. At den sentrale del av platen smelter først beror på at det er mot dette sted utladningens elektroner først og fremst rettes og at yt-terkanten av platen kjøles ved berøring med metallrørets vegger. Over og omkring den sone hvor metallet i åpningen virkelig er flytende, befinner seg en sone som kan kalles «sintringssonen» hvor metallet er noe plastisk eller deigaktig og hvor det opp-varmes til sintringstemperatur ved ledning og stråling av varme fra smeltesonen. Ovenfor sintringssonen hersker en fallende temperaturkurve opp til den øvre ende av gods-søylen i tilførselsrøret, hvor godset har omtrent samme temperatur som rørets omgivelser.

Ved de stadig gjentatte støt fra rammen presses behandlingsgodset ovenfra i retning mot og inn i sintringssonen. Hver gang rammen løftes, renner en del av det gods som fra før befinner seg i denne ut-over til veggen av tilførselsrøret, og når rammen senkes, presser den det således nettopp utmatete gods nedover i retning mot sintringssonen. En relativt kort strek-ning under rammens nedre vendestilling, kommer den kraft som utøves av rammen til å fordeles omtrent jevnt over tilførsels-rørets hele tverrsnitt, og når det heteste sted som oppstår er ved sentrum av gods-søylen, er sintringssonen tykkest og godset således mest plastisk. Ovenfor smeltesonen vil den stadige rammevirkning derfor kom-primere og sammensveise godspartiklene til en propp, som blokkerer utløpsåpningen og mates frem bare i samme grad som smeltingen skrider frem. Ukondenserbare gasser frigjøres innen sintringstemperaturen er nådd, og hvis godspartiklene er meget små, kan nevnte propp bli praktisk talt homo-gen i sin struktur. Når utgangsmaterialet er metallsvamp, forblir proppen vanligvis porøs. Ved anvendelse av metallsvamp og et tilførselsrør av ca. 7,5 cm diameter og den viste utførelsesform, har det vist seg at den sintrete sone blir omtrent linsefor-met, med den største sentrumstykkelse av ca. 12 til 25 mm og avsmalnende mot kan-tene. Denne sintrete propp mates kontinuerlig ut gjennom utmatningsåpningen i smeltet form, slik at prosessen fortsetter hovedsakelig på samme måte som ved star-ten, og de virkelig gassformete forurensninger frigjøres hovedsakelig ovenfor sintringssonen og suges ut av evakueringssystemet gjennom åpningen 51, slik at de aldri har noen mulighet for å nå utladningsområdet.

De normalt faste, men ved høyere temperaturer fordampbare forurensninger som forårsaker besværlige problemer ved behandling av materiale ifølge den innledningsvis beskrevne, før kjente metode, føres ikke på denne måte bort bakover, hvilket ville medføre kumulativ omkonden-sering, sirkulasjon og konsentrering av disse forurensninger. Natrium- og magnesium-klorider, som danner hovedparten av disse forurensninger, opptrer fordelt hovedsakelig jevnt i det faste utgangsmateriale, av hvilket de utgjør en meget liten prosent. De kan ikke føres bort fra det materiale til hvilket de er bundet, før dette er over-ført i ren væskefase. Sintring kan i den foreliggende sammenheng defineres som en sammensveisning av partikler under inn-virkning av varme og trykk, og den inntrer som bekjent ved temperaturer som under-stiger den temperatur ved hvilken det sintrete materiale smelter. Derfor blir forurensningene tilbake, fremdeles innesluttet og fremdeles hovedsakelig jevnt fordelt, helt til behandlingsgodset har nådd det område hvor den endelige smeltning foregår. Smeltesonen strekker seg nærmere og nærmere tilførselsrørets vegg, alt etter som proppen føres frem, slik at det snart dannes en forholdsvis stor smelteflate, fra hvilken vedkommende stoffer kan fordampes. Metallenes overflatespenning er høy, slik at metallene ikke kan falle før det har nådd ned til den laveste, faste kant av den fri smelteoverflate og har samlet seg i forholdsvis store dråper, og alt ettersom avrenningen foregår, blottes nye overflatepartier. Enhver forhøyning på overflaten, i fast eller flytende form, medfører en feltkonsentrasjon, som søker å tiltrek-ke seg elektroner og forårsaker en lokal konsentrasjon av energi i form av smelte-varme, slik at en dråpe som faller, vanligvis etterlater seg en hulning, hvorved den elektriske utladning vil konsentrere seg mot en ny forhøyning. På denne måte vil stadig nye overflatepartier frilegges, fra hvilke de fordampete forurensninger fri-gjøres uten erupsjon, eller puffing, og med en hovedsakelig konstant hastighet, som holder trykket i utladningsstrekningen hovedsakelig konstant og litt høyere enn mid-deltrykket i tanken 1 forøvrig. De således avdrevne forurensninger dissocieres i ut-ladningsstrømmen og hjelper til å opprettholde en ionetåke som delvis nøytraliseres romladningen og omdanner hele utladningen til en gnistutladning; hvilket har vist seg å være den mest hensiktsmessige ut-ladningstype for prosesser av foreliggende art, Idet den ikke fører til at der oppstår noen ustabil lysbue med «hård kjerne».

Den beskrevne behandlingsmåte hindrer dessuten også eksplosjonsartet frigjø-ring av vanndamp i utladningsområdet, men dette foregår ifølge et annet forløp. Slikt vann som forefinnes i pulver- eller svampformet metall, er normalt jevnt fordelt blant partiklene, men holdes tilbake ved adsorpsjon på disses overflater. Hvis behandlingsgodset utgjøres av zirkonpul-ver, som må behandles i våt tilstand, hvis det er utsatt for atmosfærisk luft, vil den største delen av vannet fjernes ved den forberedende evakuering i vakuumlåsen eller -slusen, eller ved en eller annen lignende tørkeprosess, før pulveret innføres i hovedvakuumtanken. Det vann som deretter er tilbake, er bare et sjikt som er adsorbert på partiklenes overflater. Da dette vann således befinner seg på overflaten og da damptrykket for vann ved alle temperaturer er meget høyere enn for de faste forurensninger, frigjøres det fra de behandlete partikler lenge innen disse når den for sintringen nødvendige temperatur. Ved de temperaturer og trykk som hersker i gods-søylen i tilførselsrøret foreligger derfor ingen tendens til påny-kondensering og fornyet konsentrering av vanninnholdet, hvorfor vannet under prosessen faktisk opptrer som en av de «ukondenserbare» gasser. Den mengde vanndamp som slippes fri i utladningsområdet blir, hvis det over-hodet innføres noe vanndamp i dette område, så liten at den blir helt uten betydning og ikke kan gi årsak til sprut eller puffing.

Av det foregående turde det innsees

at selv om det beskrevne anlegg egner seg godt for gjennomføring av fremgangsmå-

ten ifølge oppfinnelsen og for tiden ansees som det beste, er det naturligvis ikke den eneste form for anlegg som kan anvendes for formålet. De avgjørende momenter i fremgangsmåten består i at dels er smelte-overflaten slik plasert at det smeltete me-

tall renner eller drypper ned i samme takt som det smelter, dels at det massegodsformete behandlingsgods mates frem i en ka-nalisert strøm gjennom et område med kontinuerlig stigende temperaturkurve og derunder underkastes krefter, som i det minste er tilstrekkelige til å tilveiebringe tilstopping og fortrinnsvis sintring av god-

set i tilførselskanalen, slik at partiklene ikke kan tre ut gjennom utmatningsåpnin-

gen før de er smeltet. Den mest hensiktsmessige metode til å tilveiebringe den stigende temperaturkurve, som frembringer avdrivning av de i behandlingsgodset bunne gasser, er å lede varme fra utmatnings-enden av den fremmatete søyle, der hvor den endelige smelting foregår, og det enk-leste hjelpemiddel for utøvelse av det nød-vendige trykk for komprimering og sintring <]>

av det fremmatete behandlingsgods består

i kjøling og fortrengning av den åpning gjennom hvilken godset mates ut, slik at

gods-søylen pa dette utmatningssted ikke er flytende, men plastisk, slik at en viss grad av «utpresning», eller «strengpressing»

(til forskjell fra «avrenning» i væskeform)

foregår på utmatningsstedet. Det er alminnelig kjent at når man forsøker å presse massegods gjennom en rørformet kanal, gjennom hvilken de enkelte partikler, korn eller klumper hver for seg ville passere fritt, så søker partikkelmassen å tilstoppes og sette seg fast, særlig hvis partiklene har uregelmessig form og kanalveggene har stor friksjonskoeficient, slik at de allerede av seg selv utøver en bremsevirkning på partikkelstrømmen. Derfor gjelder det for visse arter av råmateriale, f. eks. metallsvamp i små stykker at hverken kjøling av tilførselsrøret, fortrengningen i v dettes ut-matningsénde eller selve sintrmgsforløpet i og for seg utgjør noe ubetinget nødvendig karakteristisk trekk ved oppfinnelsen. Således kan et tilførselsrør av uglassert kera-mik uten kjøling eller fortrengning frembringe tilstrekkelig hemmende friksjon til å medføre tilstopping av partikkelstrøm-men, men i et slikt tilførselsrør blir tem-peraturkurven så liten at den sintrere sone blir meget tykkere enn ved anvendelse av et

avkjølet tilførselsrør av metall. Anvender man derimot et kjølet tilførselsrør sammen med en meget porøs svampemasse, som har liten varmeledningsevne, kan sintringssonen praktisk talt falle sammen med og gå opp i smeltesonen. En del behandlingsgods krever derfor hverken alle de deloperasjoner i den beskrevne fremgangsmåte ifølge oppfinnelsen eller alle de apparatkomponenter av det beskrevne anlegg for gjennomføring av fremgangsmåten som er nødvendige for andre slags behandlingsgods. Anlegget kan således i praksis utføres betydelig annerledes enn her beskrevet; I stedet for å frembringe komprimeringen av partikkelmassen ved ramming kan man således anvende en ma-

teskrue som arbeider omtrent etter samme prinsipp som en vanlig kjøttkvern av den type som anvendes i husholdninger eller i slakterforretningene. Matningen kan skje tilnærmelsesvis horisontalt i stedet for loddrett nedover, og smeltesonen kan ligge vertikalt i stedet for å være vendt nedover anvendelsen av forskjellige typer av hem-ning for å frembringe det trykk som med-fører tilstopping resp. sintring av partikkelmassen, er allerede diskutert. For behandling av utgangsmateriale som inneholder bare gassformete forurensninger er den før kjente prosess som innledningsvis er beskrevet å foretrekke, helt enkelt fordi til-førselsinnretningen derunder forbruker mindre energi i forbindelse med innførin-gen av det ikke komprimerte behandlingsgods i tilførselskanalen og et mindre kraftig dimensjonert evakueringssystem for å bi-beholde vakuumet i det elektriske utlad-ningsområde på den ønskete verdi. Den type av anlegg som her er beskrevet og illustrert har den fordel at det egner seg for behandling av råmaterialer enten disse inneholder kondenserbare forurensninger eller ikke og av en hvilken som helst korn-størrelse fra forholdsvis store stykker av massegods og ned til de fineste pulver. De to metoder har derfor avgjort fordeler fremfor hverandre innen sine spesielle resp. anvendelsesområder.

Claims (10)

1. Fremgangsmåten for vakuumsmeltning av metaller som befinner seg i stykke-eller findelt form, hvor det behandlede materiale viderebeveges i en nedadrettet rørformet føring som er anbrakt i et evakuert rom, og deretter eventuelt etter for-angående sintring smeltes, karakterisert ved at materialet innføres i stykke- eller findelt fast form i den rørformete føring

og at det opprettholdes en opphoping av materialet ved føringens utløpsende ved hjelp av en innsnevring av føringens tverrsnitt, og at der i området for opphopingen av materialet dannes ved hjelp av en elektrisk gnistutladning en smeltesone i hvilken materialdelene opphetes til smeltetem-peratur.

2. Fremgangsmåte som angitt i påstand 1, karakterisert ved at materialet sammen-sintres like før eller i sonen for material-opphopingen før det etter en videre beve-gelsé når smeltesonen, slik at materialet allerede når smeltetemperaturen når det går over i fritt fall.

3. Fremgangsmåte som angitt i påstand 1 eller 2, karakterisert ved at materialet i føringen kjøles i et område med kontinuerlig stigende temperaturer, slik at der oppstår en steil temperaturgradient mellom den smeltende overflate av materialet som trer ut ved utløpsenden av føringen og størsteparten av materialet i føringen.

4. Fremgangsmåte som angitt i hvilken som helst av påstander 1—3, karakterisert ved at materialet i området for utløpsen-den av føringen hemmes i sin bevegelse ved hjelp av deler som stikker inn i materialets bevegelsesbane eller ved hjelp av gnidningen ved føringen, og at der ovenfra utøves et trykk på materialsøylen som befinner seg i føringen.

5. Fremgangsmåte som angitt i hvilken som helst av påstander 1—4, karakterisert ved at et massivt metallstykke anbringes slik i materialets bevegelsesbane at en av dets overflater ligger på det sted hvor det smeltede materiale renner av under smelteprosessen, og at gnistutladningen rettes mot denne overflate og bygger der opp en smeltesone, idet det behandlede materiale trykkes slik mot den annen side av metallstykket at der skjer en viderebevegelse av stykket til smeltesonen med samme hastighet som smeltingen foregår, og at der direkte bak metallstykket skjer en sam-mentrykking og sintring av materialdelene innen stykket er fullstendig nedsmeltet, slik at materialet deretter kan kontinuerlig viderebeveges gjennom sintrings- og smeltesonen.

6. Innretning for utførelse av frem gangsmåten som angitt i hvilken som helst av påstander 1—5, karakterisert ved et matningsrør (27) anordnet i en evakuert beholder (1), hvilket rør er forsynt med en matningsåpning og en vesentlig nedadrettet utløpsåpning, en innretning (39, 41) gjennom hvilken en elektrisk utladning rettes mot materialet som trer ut av ut-løpsåpningen av matningsrøret (27), slik at materialet som trer ut blir smeltet og drypper av fra utløpsåpningen, samt en innretning (49) ved hjelp av hvilken et slikt trykk utøves på materialdelene at disse materialdeler på grunn av varmelednin-gen som går ut fra det smeltede materiale sammentrykkes og danner en propp av sintret materiale som stenger utløpsåpnin-gen, idet proppen under virkning av trykk-innretningen (49) trykkes ut av åpningen og dens fremre del smeltes.

7. Innretning som angitt i påstand 6, karakterisert ved at matningsrøret (27) danner en vesentlig rettlinjet føring gjennom hvilken materialdelene beveges, idet der ved utløpsenden av matningsrøret (27) er anordnet en ringflens (29) som omgir utløpsåpningen.

8. Innretning som angitt i påstand 6 eller 7, karakterisert ved en kjøleinnret-ning (31) som kjøler enden av matnings-røret (27).

9. Innretning som angitt i en av påstander 6—8, karakterisert ved at mat-ningsrøret (27) er anordnet vertikalt eller hellende slik at materialbevegelsen skjer ved tyngdekraft og at der er anordnet en skyvestang, skyvering eller lignende (49) hvis ene ende raker ovenfra inn i matnings-røret (27) og en drivinnretning (57, 59) som kan bevege skyveinnretningen (49) frem- og tilbake innenfor matningsrøret slik at bare de deler som ligger ved kanten sammentrykkes.

10. Innretning som angitt i påstand 9, karakterisert ved at skyveinnretningen inneholder et rør (49) som er åpent ved endene og som er anordnet glidende i mat-ningsrøret (27), idet de smeltede materialdeler tilføres matningsrøret (27), over en åpning (51) i røret (49) av skyveinnretningen.