DE4320766C2 - Vorrichtung zum Einschmelzen einer festen Schicht aus elektrisch leitfähigem Material - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einschmelzen einer festen Schicht aus elektrisch leitfähigem Material und zur Erzeugung eines aus einem keramikfreien Schmelz­ tiegel auslaufenden homogenen Schmelzstrahls.

Bekannt ist ein Verfahren zur Formung eines Gießstrahls mittels eines Trichters an einem größeren Schmelzenbehälter, in dem sich die Schmelze befindet (DE 40 11 392 A1), wobei der Trichter an einem Schmelzenbehälter angeflanscht ist und aus Metall oder Metalllegierungen besteht und in fluidgekühlte Segmente unterteilt ist, wobei eine mit Wechselstrom beauf­ schlagte Spule den Trichter umgibt und die Schmelze im Trichter induktiv beheizt. Dieses bekannte Verfahren löst die Aufgabe einen möglichst dünnen Flüssigmetallstrahl unter Vermeidung des Risikos des Einfrierens zu erzeugen sowie gezielt den Austritt zufrieren zu lassen und wieder aufzu­ schmelzen.

Bekannt ist weiterhin ein Tiegel zum keramikfreien Schmelzen von reaktiven Metallen oder Metallegierungen, bestehend aus einer Vielzahl von wassergekühlten Palisaden aus Metall, die sämtlich elektrisch miteinander verbunden sind und die schmale Spalte miteinander bilden (US 4.738.713. Der aus den Palisaden gebildete Tiegel ist von einer Induktionsspule umschlossen die das Aufschmelzen der Charge gestattet, wobei der Tiegel mit Spule in einem Vakuumkessel angeordnet ist. Dieser kalte Tiegel erlaubt das Schlacke-freie Aufschmelzen von reaktiven Metallen hoher Reinheit.

Ein geschlitzter Tiegel ähnlicher Konfiguration zum Auf­ schmelzen von Titan-Partikel ist mit einem Bodenauslauf versehen, die den Ausfluß des geschmolzenen Metalls zum Zwecke der Verdüsung gestattet (EP 0 427 379 A2).

Schließlich ist eine Pulververdüsungsanlage bekannt (US PS 4.762.553) bei der der Tiegel zum Zwecke des Schwebeschmel­ zens von einer ersten Induktionsspule umschlossen ist, wobei der Bodenauslauf von einer zweiten Spule umgriffen ist, die der Strahlausrichtung dient. Beide Spulen sind jeweils mit einer eingenen Stromversorgung versehen. Eine Gasdüse am unteren Ende des Bodenauslaufs ermöglicht die Zerstäubung des aufgeschmolzenen Metalls.

Der vorliegenden Patentanmeldung liegt die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung zu schaffen, die es ermöglicht, den Ener­ gieeintrag in ein elektrisch leitfähiges Schmelzgut so zu steuern, daß ein Aufschmelzen eines elektrischen Boden­ skulls, eines Verschlußstopfens oder einer Verschlußplatte möglich ist, bei anschließender Formung eines Gießstrahls. Der Gießstrahl soll dazu entweder achsparallel oder unter einem gewählten Winkel aus der Vorrichtung austreten. Die Vorrichtung soll im übrigen auch für große Schmelzgut-Mengen brauchbar sein und nicht nur für solche Mengen die noch mit einem Levitationsschmelzverfahren beherrschbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch mindestens zwei ansteuerbare Induktionspulen, mindestens einer im Be­ reich der oberen Induktionsspule befindlichen, flüssig­ keitsgekühlten, geschlitzten Wanne die die Schmelze um­ schließt und die zumindest im Bereich der Eindringtiefe des elektromagnetischen Feldes oder aber vollständig aus elek­ trisch leitfähigem Material besteht.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sind in den anhängenden Zeichnungen näher beschrieben und gekennzeichnet.

Wie die Zeichnung (Fig. 1) zeigt, ist der im wesentlichen kreiszylindrische das Hauptschmelzaggregat bildende Tiegel 3 mit einem kreisringförmigen, einen Teil des Bodens bildenden Wandteil 4 versehen an das sich radial nach innen zu erstrec­ kende segmentförmige Palisaden 5, 5', . . . angesetzt sind die durch jeweils schmale, radial verlaufende Spalte 6, 6', . . . voneinander getrennt sind und die insgesamt eine zentrale Bodenpartie 27 bilden. Die einzelnen segmentförmigen Pali­ saden 5, 5', . . . sind so ausgeformt, daß sie zusammen einen trichterförmigen Einlauf bzw. Gefäß oder Wanne 7 bilden, die in einen ebenfalls leicht trichterförmigen Gießstrahl-Führ­ ungstrichter oder Auslauf 8 übergeht. Die Partie 9 der Boden­ fläche bildet vom Wandteil 3 aus betrachtet, zunächst eine ebene Fläche 9, die dann zum Zentrum hin in eine nach obenzu leicht kegelige Partie ausgeformt ist in die schließlich der Trichter oder die Wanne 7 einmündet. Die Unterseite des Tiegels 3 besteht ebenfalls aus einer kreisringförmig ebenen Randpartie, die zum Zentrum des Bodenteils bei in einen ersten kegelförmigen Abschnitt übergeht, an dem eine erste Induktionsspule 10 anliegt, wobei sich an diesen Abschnitt ein zweiter kegelförmiger, den Auslauf 8 umschließender Abschnitt anschließt der von einer zweiten Induktionsspule 11 umschlossen ist, die ihrerseits von einem Ring 12 aus magnetischem Werkstoff umgriffen ist. Die beiden Induktions­ spulen 10, 11 sind jede an eine eigene Stromquelle 13 bzw. 14 angeschlossen. Die Stromquellen 13, 14 müssen ein möglichst homogenes elektromagnetisches Feld bewirken. Die unterste Windung der zweiten Induktionsspule 11 ist zweckmäßigerweise mit einem nach unten gerichteten Steigungsausgleichstück versehen, wie es in der älteren Patentanmeldung P 42 22 399.7 näher beschrieben ist.

Die beschriebene Vorrichtung ist kombinierbar mit allen heute kommerziell angewandten keramkikfreien Schmelztech­ niken und -aggregaten und erlaubt zu einem vorwählbaren Prozeßzeitpunkt die Einleitung des Gießvorganges aus dem Hauptschmelzaggregat, indem eine zunächst feste, elektrische leitfähige Schicht niedergeschmolzen wird.

Neben der Beeinflussung des Gießstrahls durch die von den elektromagnetischen Feldern erzeugten Kräfte, kann der Aus­ lauf auch bei z. B. großen Schmelzbadhöhen durch den zusätz­ lichen Aufbau einer Druckdifferenz reguliert, bzw. gestoppt werden.

Die geschilderte Prozeßführung bedingt den Einsatz der beiden separaten ansteuerbaren Induktoren 10, 11, um die erforderlichen Frequenzkriterien zu erfüllen, sowie die Leistungsverteilung gezielt wählen zu können. Dadurch kann die Auslauftemperatur der Schmelze eingestellt werden.

Zur Herstellung und Erhaltung eines homogenen Gießstrahls muß unter allen Prozeßbedingungen sichergestellt sein, daß im Bereich des Auslaufs 8 keine Anbackungen von Schmutz oder sonstigem störenden Material auftreten, bzw. abgeschmolzen werden können.

Beispielsweise ist eine Prozeßführung oder ist ein Prozeßer­ eignis denkbar, bei dem es notwendig ist, bei zwischenzeit­ lich geschlossener Auslauföffnung 8 oder durch Störungen verursachte Prozeßunterbrechungen im Hauptschmelzaggregat 3 metallurgische Operationen durchführen zu können, ohne daß ein Schmelzstral austritt.

Um den Abgießprozeß wieder aufnehmen zu können, muß die Auslauföffnung 8 wieder freigeschmolzen werden können, bevor der Abgußprozeß aus dem Hauptschmelzaggregat 3 fortgesetzt werden kann.

Die wesentlichen Merkmale der Erfindung gestatten es, die Erfindung auch in Verbindung mit Hauptschmelzaggregaten zu betreiben, deren Chargengewicht mehrere Tonnen beträgt. Deshalb tritt in der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch keine Levitation der Schmelze auf.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist die Bodenfläche 15 des Haupttiegels 16 im Randbereich trichterförmig ausge­ formt, wobei dieser trichterförmige Teil zur Mitte hin in einen kreiszylindrischen Teil 17 ist übergeht, an das sich wiederum ein ebenes Bodenteil 18 anschließt, wobei sich in der Mitte dieses Bodenteils 18 die Gießöffnung bzw. der Gießtrichter 19 befindet. Die zylidrische Partie 17 ist in geschlitzter Form ausgebildet, d. h. sie ist aus einzelenen Palisaden 20, 20', . . . zusammengesetzt. Im Gegensatz zum Aus­ führungsbeispiel nach Fig. 1 sind bei der Ausführung nach Fig. 2 insgesamt drei Stromversorgungsaggregate 21, 22, 23 für drei Induktionsspulen 24, 25, 26 vorgesehen die sämtlich unabhängig und/oder gemeinsam ansteuerbar sind. Die im wesent­ lichen von den Palisaden 20, 20', . . . gebildete Wanne 28 weist eine kreiszylindrische Form auf, wobei die einzelnen Spalte 30, 30', . . . den ungehinderten Durchtritt des elektromagneti­ schen Feldes der Spule 25 gestatten.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Einschmelzen einer festen Schicht aus elektrisch leitfähigem Material und zur Erzeugung eines aus einem keramikfreien Schmelztiegel auslaufenden homogenen Schmelzstrahls, gekennzeichnet durch,

• a) mindestens zwei getrennt ansteuerbare Induktions­ spulen (10, 11);
• b) mindestens eine im Bereich der oberen Induktions­ spule (10) befindliche, flüssigkeitsgekühlte, ge­ schlitzte zentrale Bodenpartie (27, 29) die ein Ge­ fäß oder eine Wanne (7, 28) bildet, die die Schmel­ ze umschließt und die zumindest im Bereich der Eindringtiefe des elektromagnetischen Feldes oder aber vollständig aus elektrisch leitfähigem Mate­ rial gebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geschlitzte Wanne (7, 28) aus vollständig gegen­ einander isolierten Segmenten (5, 5', . . .) gebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geschlitzte Wanne (7, 28) aus voneinander durch Spalte (6, 6', . . .) isolierten Segmenten (5, 5', . . .) be­ steht, die miteinander elektrisch leitend verbunden sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektromagnetische Feld mindestens eines Induktors (10, 11) mit Hilfe von Jochen oder Ferrit- Anordnungen (12) gezielt beeinflußbar oder führbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetischen Felder zwischen zwei In­ duktoren (10, 11 bzw. 21, 22, 23) mit Hilfe eines Kurz­ schlußringes gezielt entkoppelbar sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsdichte der Induktoren (10, 11 bzw. 21, 22, 23) so gewählt ist, daß eine gezielte Gießstrahl­ temperatur einstellbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausfluß (8, 19) zusätzlich zu den durch die elektromagnetischen Felder erzeugten Kräfte durch Aufbau einer Druckdifferenz reduzierbar oder unterbrechbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsdichte der unteren Induktionsspule (11 bzw. 26) so wählbar ist, daß Anbackungen von festem Material im Auslaufbereich verhinderbar oder gezielt einschmelzbar sind.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vom oberen Induktor (10 bzw. 21) beeinflußte, aus Palisaden (5, 5', . . . bzw. 20, 20', . . .) gebildete Wanne (7, 28) als ein kreiszylindrischer Topf oder als Trichter ausgeformt ist.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Hauptschmelz­ aggregat (16) als kreiszylindrischer Topf ausgeformt ist, dessen Bodenteil (29) in seinem radial äußeren Bereich (15) einen flachen Trichter bildet der in eine aus Palisaden (20, 20', . . .) gebildete topfförmige Wanne (28) übergeht, dessen ebener Boden wiederum mit einem Auslauf (19) in Verbindung steht.