DE1193205B

DE1193205B - Verfahren und Anlage zum Schmelzen und Giessen von auch hoechstschmelzenden und/oder stark reaktiven Materialien im Schmelzofen

Info

Publication number: DE1193205B
Application number: DEE24318A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Ernst-Guenter Hess; Marcel Louis Portal
Original assignee: European Atomic Energy Community Euratom
Current assignee: European Atomic Energy Community Euratom
Priority date: 1963-02-11
Filing date: 1963-02-11
Publication date: 1965-05-20
Also published as: US3287769A; LU44776A1; DK111078B; GB1021614A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

B22d

Deutsche Kl.: 31 c -12/02

Nummer: 1193 205

Aktenzeichen: E 24318 VI a/31 c

Anmeldetag: n. Februar 1963

Auslegetag: 20. Mai 1965

In der Metallurgie der Hochtemperaturwerkstoffe sowie bei der Herstellung von höchstschmelzenden Kernbrennstoffen, wie z. B. Urankarbid, hat in neuerer Zeit das sogenannte Skullschmelzverfahren besondere Bedeutung erlangt. Es handelt sich um einen Schmelzprozeß im Lichtbogenofen, bei dem eine feste Schale des zu erschmelzenden Materials den Schmelztiegel bildet. Im Gegensatz zum großtechnisch angewendeten Vakuumlichtbogenschmelzen wird hier der Gießprozeß separat durch Kippen oder Rotieren (Schleuderguß) des den sogenannten Skull tragenden wassergekühlten Kupfertiegels vorgenommen. Je nach den Schmelzbedingungen erzielt man mit diesem Verfahren eine Homogenisierung bzw. Raffination und Entgasung, unabhängig von der sonst nur in geringen Grenzen einstellbaren Schmelzgeschwindigkeit.

Bei kombinierten Schmelz- und Gießverfahren ist zu fordern, daß beide Prozesse apparativ und betrieblich unter möglichst optimalen Bedingungen ablaufen. Apparativ optimal soll hier im wesentlichen bedeuten, daß die konstruktive Gestaltung des Ofens nicht vom Gießprozeß bestimmt wird, sondern ganz auf die Erfordernisse des Schmelzens abgestellt wird. Betrieblich optimal soll im wesentlichen heißen, daß die Art der Ausführung beider Prozesse auch bei werkstoff- und temperaturseitig extremen Bedingungen anderen Methoden überlegen ist.

Beim eingangs genannten Skullschmelzverfahren ist der Schmelzprozeß zwar gut zu handhaben, aber der Gießvorgang kann nicht als optimal im Sinne obiger Definition gelöst angesehen werden, wenn es sich um das Gießen dünner Stäbe, Rohre und anderer dünner Formkörper handelt. Es sind besondere und komplizierte Ofenkonstruktionen erforderlich; das Ausbringen ist gering, und die Variationsmöglichkeit der gießtechnischen Parameter, wie Gieß- und Erstarrungsgeschwindigkeit sowie Füllrichtung, ist begrenzt. Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Anlage zur Herstellung dünner Formkörper aus höchstschmelzenden und/oder stark reaktiven Materialien, die Schmelzen und Gießen separat unter apparativ und betrieblich optimalen Bedingungen erlauben, und bei denen auch der Übergang vom Schmelz- zum Gießvorgang ohne Umstände vonstatten geht. Das Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Materialien in an sich bekannter Weise in einem wassergekühlten Schmelztiegel mit oder ohne Skull im Vakuum oder unter Gasatmosphäre erschmolzen werden, am Ende des Schmelzprozesses aber die Schmelze, gleichfalls in an sich bekannter Weise, durch Saugguß in eine dann Verfahren und Anlage zum Schmelzen und
Gießen von auch höchstschmelzenden und/oder stark reaktiven Materialien im Schmelzofen

Anmelder:

Europäische Atomgemeinschaft (EURATOM),

Brüssel

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Müller-Börner

und Dipl.-Ing. H.-H. Wey, Patentanwälte,

Berlin 33, Podbielskiallee 68

Als Erfinder benannt:

Dr.-Ing. Ernst-Günter Hess, Berlin-Lankwitz;

Marcel Louis Portal, Brebbia, Varese (Italien) - -

mit der Öffnung in das Bad getauchte Kokille gegossen wird, wobei die Kokille vorteilhaft von der Elektrode getragen wird.

Die auf diese Weise gegenüber den bisherigen Skullschmelzverfahren und dem Saugguß im Induktionsofen erzielten Vorteile sind folgende:

Ausnutzung des bewährten industriellen Vakuumlichtbogenofens mit feststehendem, wassergekühltem Schmelztiegel aus Kupfer für den Schmelz- und Gießprozeß. Somit: Fortfall der verunreinigenden Reaktion zwischen Schmelzbad und Tiegelmaterial, Erreichen höchster Schmelztemperaturen.

Ausnutzung der Gießmethode durch Druckdifferenz (Saugguß), jedoch ohne die schmelztechnischen Beschränkungen durch die Heizungsart. Somit: einfache Gießvorrichtung (keine Tiegelbewegung), große Ausbringkapazität, leichte Variierbarkeit der Gießgeschwindigkeit (Beeinflußbarkeit des Gußgefüges in weiten Grenzen), gute Temperaturverhältnisse beim Guß.

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Kombinationsaufwand für Schmelz- und Gießteil, Elektrode und Kokille klein. Das heißt: bloßes Anschließen der Apparate für den Saugguß an den Ofenraum des Vakuumlichtbogens, Lichtbogenelektrode im Falle einer Permanentelektrode zugleich Kokillensupport (somit wirksame Vorwärmung der Kokille durch Stromwärme und Strahlung).

Die komplette Anlage zur Durchführung des Verfahrens besteht demgemäß aus einem Vakuumlichtbogenofen mit feststehendem, wassergekühltem Schmelztiegel, einer die Kokille achssymmetrisch tragenden längsverstellbaren Lichtbogenelektrode, einem an das Ofengefäß angeschlossenen Druckgasbehälter und — bei Schmelzen unter Vakuum bzw. Unterdruck — einem Pumpensatz.

Die Zeichnung veranschaulicht schematisch ein Ausführungsbeispiel der Anlage mit drei Kokillenformen; es zeigt

F i g. 1 die Schmelz^Gieß-Anlage gemäß der Erfindung im Längsschnitt,

F i g. 2 eine Lichtbogenelektrode mit auswechselbarem Kokilleneinsatz im Längsschnitt,

Fig. 3 eine Lichtbogenelektrode mit Mantelkokille im Längsschnitt und

F i g. 4 einen Waagerechtschnitt durch die Kokille nach F i g. 3 längs der linie IV-IV.

In F i g. 1 bezeichnet 1 den Kessel des Vakuumlichtbogenofens, 2 einen möglichen Tiegeleinsatz aus Graphit, 3 den Schmelztiegel aus Kupfer, 4 das Schmelzbad und 5 den Wasserkühlmantel mit Zu- und Abfluß 5 a, Sb. Die Lichtbogenelektrode — eine Permanentelektrode —- ist mit 6 bezeichnet und enthält einen kokillenartigen Gießraum 7 von etwa 200 mm Höhe und 12 mm Durchmesser, Sie ist im Ofenraum an der Elektrodenstange 8, welche Kühlwasserzu- und -abflußleitungen8a, 8 b aufweist, befestigt.

Von außen an den Ofen angeschlossen ist der Druckbehälter9 (z.B. Inertgas), mit Zuleitung9α und Einlaßventil 9 b, ferner der Saugstutzen 10 mit mit Sicherheitsventil und Abscheider. Auf den Abscheider folgt ein Vakuumpumpstand (nicht dargestellt).

Erfindungsgemäß geht der Schmelz- und Gießprozeß so vor sich, daß das Schmelzgut, z. B. Urankarbid, im wassergekühlten Schmelztiegel durch Lichtbogen erschmolzen wird, am Ende des Schmelzprozesses aber die Schmelze nicht, wie üblich, abgekippt oder abgeschleudert, sondern durch Saugguß, also Erzeugen einer positiven Druckdifferenz zwischen Schmelz- und Kpkillenraum, in die Kokille getrieben wird. Dazu taucht die Kokille — in diesem Falle die Elektrode — mit der öffnung in das Bad ein.

Die Kokille ist nach F i g. 1 aus der Elektrode herausgearbeitet. Diese besteht also aus Elektrodenmaterial, z. B. Graphit, und bildet mit der Kokille ein einziges Bauteil (Kokillenelektrode). Das bedeutet, daß zum Gießen die Elektrode 6 mit immer kürzer brennendem Lichtbogen bis zum Kurzschluß in das Schmelzbad 4 abgesenkt wird. Im gleichen Moment wird durch öffnen des Ventils 9 & der Druck im Schmelzkessel erhöht. Auf Grund des Druckgefälles zwischen Schmelz- und Kokillenraum steigt dann die Schmelze in der Kokille auf und füllt sie aus. . .

Je nach Höhe der beliebig einstellbaren Druckdifferenz und der gleichfalls steuerbaren Druckausgleichsgeschwindigkeit kann die Gießgeschwindigkeit und sogar die Erstarrungsform in weiten Grenzen variiert werden. So ist es möglich, dünnwandige Rohre in kernloser Kokille zu gießen.

Erfolgreich durchgeführte Versuche haben gezeigt, daß bei Stäben und Rohren aus Uranharbid eine feinkörnige und dichte Gußstruktur mit sehr guter

ίο Kohlenstoffverteilung (±0,05% C) erreicht wird.

F i g. 2 zeigt eine Lösung für die Kokille, bei der diese als separater, auswechselbarer Einsatz aus Graphit in einer Permanentelektrode ausgebildet ist. Es bezeichnet 11 die Lichtbogenelektrode, 12 die Kokille, 13 die Schmelze und 14 den Schmelztiegel Im unteren Teil 12 a ist die Kokille geschlossen, doch besitzt sie seitlich Einlauflöcher 12 & für die Schmelze. Mit dem Teil 12 a kann die Kokille beim Gießen bis auf den Tiegelboden abgesenkt werden.

Während die bisher gezeigten Kokillen nur den Einfachguß zulassen, gestattet die Kokille gemäß F i g. 3 den Mehrfachguß sowie bei geeigneten Änderungen auch den Guß von Hohlkörpern. Die Kokille 15 ist als dickwandiger Graphitzylinder mit in die Wand eingebrachten Gießräumen 15 a ausgebildet. Sie ist konzentrisch und relativ zur Elektrode 16 verschiebbar um die Elektrode montiert, d.h. sowohl die Elektrode als auch die Kokille können unabhängig voneinander längsverstellt werden. Das Schuborgan der Elektrode ist mit 17, das der Kokille mit 18 bezeichnet. Die Kokille ist am unteren Ende der Büchse 19 aus isolierendem Material befestigt. Die Büchse besitzt eine Druckausgleichsbohrung 19 a, die verhindert, daß beim Guß Schmelze in den Ringraum zwischen Elektrode und Kokille eintritt. Das Schmelzbad ist mit 20, der Schmelztiegel mit 21 bezeichnet. Die Relativverschiebbarkeit zwischen Elektrode und Kokille gestattet auch, die Kokille besonders beim Arbeiten mit selbstverzehrender Elektrode genügend weit von der Badoberfläche entfernt zu halten, so daß Spritzer nicht in die Gießräume der Kokille gelangen können. Weiter kann man den Lichtbogen bis zum Eintauchen der Kokille in die Schmelze brennen lassen, wodurch eine vorzeitige Abkühlung verhindert wird.

Hohlkörper lassen sich mit der Mantelkokille nach F i g. 3 gießen, wenn man sich in F i g. 4 alle Gußbohrungen zu einem (entsprechend verschmälerten) Ringraum ergänzt denkt. Dann entsteht eine Kokille, mit der Rohre gegossen werden können.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Schmelzen und Gießen auch höchstschmelzender und/oder stark reaktiver

Materialien im gleichen Ofen, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialien in an sich bekannter Weise in einem wassergekühlten Schmelztiegel mit oder ohne Skull durch Lichtbogen im Vakuum oder unter Gasatmosphäre erschmolzen werden und am Ende des Schmelzprozesses die Schmelze, gleichfalls in an sich bekannter Weise, durch Saugguß in eine dann mit der Öffnung in das Bad getauchte Kokille vergossen wird, wobei die Kokille vorteilhaft von der Elektrode getragen wird.

2. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Vakuumlichtbogenofen mit feststehendem, was-

sergekühltem Schmelztiegel, einer die Kokille achssymmetrisch tragenden längsverstellbaren Lichtbogenelektrode, einem an das Ofengefäß angeschlossenen Druckgasbehälter und erforderlichenfalls einem Pumpensatz.

3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kokille aus Elektrodenmaterial (Elektrodenkokille) hergestellt ist und eine Ausnehmung in der Elektrodenspitze darstellt.

4. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kokille als auswechselbarer Einsatz in der Elektrodenspitze ausgebildet ist.

5. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kokille als dickwandiger Zylinder (Mantelkokille) mit in die Wand eingearbeiteten Gießräumen ausgebildet ist und konzentrisch an der Elektrodenstange, bei gegenseitiger Relatiwerschiebbarkeit, montiert ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen