DE1758488A1

DE1758488A1 - Vorrichtung zur Waermebehandlung von elektrisch-leitfaehigen Materialien

Info

Publication number: DE1758488A1
Application number: DE19681758488
Authority: DE
Inventors: Sterling Henley Frank; Edwards Edward Harold
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1966-01-28
Filing date: 1968-06-12
Publication date: 1971-01-28
Also published as: NL6808361A; GB1118505A; BE715691A; FR94964E; US3531574A

Description

DSUTSGHE ITT INDUSTRIES GESELLSCHAFT MIT BESCHRIFTETER HAPTTOiG, PRSIBURG i.Br.

Vorrichtung zur Wärmebehandlung von elektrisch-leitfähigen Materialien

Die vorliegende Erfindung bezieht 3ich auf eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung von elektrisch-leitfähigen Materialien, insbesondere zum Schmelzen von Materialien, die erhitzt sehr reaktionsfähig sind, und daher während ihrer Bearbeitung durch das Tiegelmaterial leicht verunreinigt werden.

Erfindungsgemäß ist an einem Tiegel eine obere Öffnung zum Gießen einer Charge au3 elektrisch-leitfähigem Material und eino untere Öffnung zum Entweichen des elektrisch-leitfähigen Materials angeordnet, ein beweglicher Stöpsel erstreckt sich von der oberen Öffnung durch den Tiegel bis zur unteren Öffnung, die Tiegelwände und der Stöpsel sind hohl und bestehen aus einem Metall von hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit und sind mit Einlaß- und Auslaßöffnungen zum Durchfluß einer Kühlflüssigkeit versehen und Mittel zum Anschließen an eine Quelle eines Hochfreq.uenzstromes sind vorgesehen, um zirkulierende Ströme in den Tiegelwänden, in dem Stöpsel und in der Charge des leitfähigen Materials herzustellen.

Bei der Erfindung i3t ein Metall hoher elektrischer und thermischer leitfähigkeit dadurch definiert, daß die thermische Leitfähigkeit nicht weniger als 0,49 g/cal/sec/cm ( C/cm) und der spezifische elektrische Widerstand nicht mehr als 2,665 χ 10 " £· / cm bei O^betragen. Silber, QoId und Kupfer sind geeignete Metalle;

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. Silber ist besonders günstig, da es hoch poliert werden kann, um den durch Strahlung entstehenden Wärmeverlust aus der Charge zu reduzieren. Es können legierungen dieser Metalle oder ein Oberflächenüberzug eines Metalles, wie Silber, auf einein anderen Metall,wie Kupfer,verwendet werden. Es ist natürlich möglich, innerhalb dieser Einschränkungen den Schmelztiegel und den Stöpsel aus verschiedenen Materialien herzustellen.

^ In der Vorrichtung gemäß der Erfindung, wird zum Schmelzen eine Charge aus leitfähigem Material verwendet. Die magnetischen Felder, die auf Grund der zirkulierenden Ströme in den Wänden des Tiegels und in der Charge, sowie in dem Stöpsel induziert sind, rufen eine gegenseitige Abstoßung zwischen Charge und den angrenzenden Oberflächen des Schmelztiegels und des Stöpsels hervor. V/enn die Stromdichte genügend hoch ist, wird die Charge von den Oberflächen de3 Schmelztiegels und des Stöpsels abgestoßen. Da sich somit Charge und Tiegel nicht berühren, wird der Wärmeverlust aus der Charge beträchtlich vermindert und praktisch die Möglichkeit einer Verunreinigung der Charge durch das Tiegelmateriäl ausgeschaltet. Dieser Effekt erlaubt also eine höchst bequeme Form der Koustruktion für den Tiegel oder den Stöpsel oder Beide, bei der die Tiegel-

™ oder Stöpselwand aus einer Anzahl von parallelen Rohren gebildet wird, die genügend dicht angeordnet sind, um den Durchfluß des geschmolzenen Materials zu verhindern.

So gestattet die Erfindung die Konstruktion von einem Schmelztiegel für solche Anwendungen, wie das Schmelzen von hochreaktionsfähigen Legierungen, wie Nickel- oder Titanlegierungen, bei der die Charge aus dem Tiegel durch eine Entleerungsöffnung im Boden entfernt werden kann, ohne das Risiko der Chargenverunreinigungen zu vergrößern. Eine solche Vorrichtung wird im einzelnen näher unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben:

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Figur 1 zeit einen Längsschnitt der Vorrichtung und Figur 2 einen QuerschnitT der Vorrichtung, auf der Zeichnung gekennzeichnet als II - II in Figur 1

Die Vorrichtung in den Zeichnungen stellt einen Schmelztiegel von ungefähr 101,6 mm Innendurchmesser dar, der zum Schmelzen einer Charge von 908 g einer Nickel-Legierung geeignet ist. Die ¥änae des Schmelztiegels (der mit 10 bezeichnet ist) bestehen aus einer Reihe von parallelen Rohren 11, die nebeneinander mit ihren Achsen vertikal zum Tiegelumfang angeordnet sind. Die oberen

",d en und unteren Enden dieser Rohre sind mirVoberen und unteren Stücken 12 bzw. 13 verbunden und die Einlaß- und Auslaßrohre 14 bzw. 15 sind mit dem oberen Kopfstücke·«· verbunden, um den Umlauf der Kühlflüssigkeit durch die Rohre 11 zu ermöglichen, und einerseits um für den Flüssigkeitsstromfluß einen liebenschluß mit niedrem Widerstand und andererseits auch einen geschlossenen elektrischen Stromkreis in Feld der Induktionsspule zu vermeiden, besteht das obere Kopfstück 12 aus zwei Hälften, die durch schmale Schlitze 16 getrennt sind, dabei ist eine Hälfte mit der Hälfte der Rohre 11 und dei." liinlaSrohr 14 verbunden und die andere Hälfte mit den übrigen Rohren 11 und dem Auslaßrohr 15. Die Flüssigkeit fließt von de:a Einlaßrohr 14 in die eine Hälfte des oberen Kopfstückes 12 nieder durch die Hälfte der Rohre 11 zu dem oberen Kopfstück 13, und von dem Kopfstück 13 aufwärts durch die übrigen Rohre 11 zu der unteren Hälfte des oberen Kopfstückes. Das untere Kopfstück 13 könnte aus einem kontinuierlichen Ring bestehen, insofern als die Belange in Bezug auf den Flüssigkextsdurchfluß betroffen sind, aber tatsächlich v/ird er durch einen einfachen Spalt 17 unterbrochen, um den Stromkreis zu unterbrechen. Der Zwischenraum zwischen den angrenzenden Rohren 11 ist nicht kritisch, vorausgesetzt,daß das geschmolzene Material nicht entweichen kann.

Das untere Kopfstück 13 des Tiegels 10 ist mit einer zentralen Ausgießöffnung 18 versehen, die während des Schmelzens einer Charge durch einen Stöpsel geschlossen wird, der sich von der oberen Öff-

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nung des Tiegels abwärts erstreckt, um mindestens durch die Ausgießöffnung 18 durchzugehen. In der Anordnung, gemäß der Zeichnungen, besteht der Stöpsel 19 aus einem dünnwandigen Kupferrohr 20, das an beiaen Enden geschlossen ist, und einem inneren Rohr 21 und Anschlüssen 22, um die Kühlflüssigkeit zirkulieren zu lassen. An seinem oberen Ende wird der Stöpsel 19 durch Hebemittel gestützt, (schematisch bei 23 dargestellt) wodurch der Stöpsel bewegt werden kann, um dia am Boden des Tiegels befindliche Ausgießöffnung zu öffnen. Der Beweglichkeitsgrad kann so sein, daß der Stöpsel vollständig aus dem Tiegel gezogen werden kann, obwohl dieses un<wesentlich ist. '

Eine Primärinduktionsspule 24 umgibt den Tiegel und ihre unteren Enden breiten sich genügend unter dem Tiegel aus, um das herausragende Ende des Stöpsels 19 zu umfassen. Die Spule 24 besteht aus einem Kupferrohr und ist mit Anschlüssen für eine Wechselgtromquelle und für Kühlwasser in bekannter Weise versehen.

Die Einschaltung der Spule 24 mit dem Hochfrequenzwechselstrom läßt zirkulierende Ströme in den Rohren 11, die die Tiegelwände bilden, und auch in den Kopfstücken 12 und 13 und in der äußeren Wand 20 des Stöpsele 19 zu.

Beim Einschalten der Spule werden die entsprechenden zirkulierenden Ströme in jeder Charge des Induktionsmaterials, das in dem Tiegel vorhanden ist, induziert, wodurch sich die Temperatur durch Wirbelstromerhitzung erhöht. Der Tiegel und der Stöpsel 19 bestehen aus einem Metall von hoher elektrischer !leitfähigkeit, sodaß der Widerstandsheizeffekt darin gering ist, aber von guter thermischer Leitfähigkeit, sodaß übermäßige Erhitzung des Tiegels und dee Stöpsels durch Hitzeverlust aus der Charge vermieden wird« Die beschränkte Wahl an geeigneten Metallen für die Herstellung des Tiegels und Stöpsels wurden bereits vorher erwähnt. Bei der gezeigten Konstruktion werden die Teile des Tiegels, d.h. die Kopfstücke 12 und 13 und die Rohre 11 zusammen mit der Außenwand des Stöpsels

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vorzugsweise aus silber-plattiertem Kupfer hergestellt.

Das Verhältnis zwischen den zirkulierenden Strömen in der Charge einerseits und in den Tiegelwänden und dem Stöpsel andererseits ist derartig, daß gegenseitig Abstoßung zwischen ihren magnetischen Feldern eintritt.

Wenn die Energiezufuhr ausreichend groß ist, tritt tatsächlich physikalische Trennung der Charge von den angrenzenden Oberflächen des Tiegels und des Stöpsels ein. Die Energiezufuhr wird von der Form des jeweiligen Tiegels sowie von der Art und Menge der Charge empirisch bestimmt. Mit der in der Zeichnung dargestellten Tiegelform kann eine Charge einer Nickel-Legierung von etwa 908 g, bei einer Leistung von 35 Kilowatt und einem Frequenzbereich von 250 400 Khz geschmolzen werden. Diese physikalische Trennung der Charge von den Tiegelteilen bedeutet 1., daß die gesamte Masse der Charge auf die Arbeitstemperatür erhöht wird, sodaß kein Häutchen zwischen der geschmolzenen Charge und dem Tiegel bleibt, und 2., daß die Verunreinigung der Charge durch das Material, aus dem der Tiegel und der Stöpsel hergestellt sind, beträchtlich reduziert wird. Bei dem Guß von Kügelchen aus einer bestimmten Nickel-Legierung, bei der ein extrem niedriger Verunreinigungsgehalt erforderlich ist, ergab Anwendung von Zirkontiegeln, bei 70 bis 80 io der Kügelchen einen untragbaren Gehalt der Verunreinigung durch das Tiegelmaterial. Wenn in der Vorrichtung nach der Erfindung gegossen wird, wird die Ausschußquote aus dem oben angeführten Grund auf Null reduziert, und es konnten keine Spuren von Tiegelverunreinigungen in den Kügelchen festgestellt werden.

Der Effekt der gegenseitigen Abstoßung, wie oben angeführt, trägt ebenfalls wie die Oberflächenspannung der geschmolzenen Charge dazu bei, daß das geschmolzene Material zwischen den Rohren 11, die die Tiegelwände bilden, sowie durch den ringförmigen Spalt zwischen

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• dem Stöpsel 19 und der Tülle der am Boden des Tiegels befindlichen Ausgußöffnung 18 entweicht. Ein genaues Einfügen des Stöpsels 19 in die AuegußÖffnung ist daher nicht erforderlich, und tatsächlich, ist ein kleiner Spielraum notwendig, wenn der Stöpsel nicht den isolierenden Spalt in dem unteren Kopfstück kurzschließen soll.

^v Die Entleerung des Tiegels erfolgt durch Hochheben des Stöpsels 19, W wodurch sich die Ausgußöffnung öffnet.

Die Primärspule 24 bleibt während des Ausgießens eingeschaltet, um sicherzustellen, daß die Charge bis zur Leerung des Tiegels flüssig bleibt.

Die Anordnung gemäß der Zeichnung stellt eine einfache Ausführungsform der Erfindung dar, in der der Stöpsel 19 aus einem einfachen rohrförmigen Körper besteht,der mit Mitteln für die innere Kühlung versehen ist.

In einer weiteren Konstruktionsform, die für Tiegel von größeren Dimensionen vorteilhafter sein kann, ist der Stöpsel 19. in derselben Art hergestellt wie der Tiegel 10, nämlich aus einer Reihe von dicht beieinandergelegten parallelen Rohren, die mittels Kopfstücken an ihren oberen und unteren Enden verbunden sind. Die Bedienung des Tiegels und de3 Stöpsels in dieser Anordnung ist dieselbe, wie die bereits Beschriebenen. Jedoch diese andere Konstruktionsform bietet die Möglichkeit, eine Erhöhung der Wärmegrade der Charge durch Einbau einer weiteren Priraär3pule innerhalb der durch die unterteilten Rohre gebildeten Ummantelung . Die Energiezufuhr zu dieser zweiten Spule kann unabhängig von derjenigen zu der

außenliegenden Hauptspule 24 eingestellt werden, um den wirksamsten Wärmeeffekt zu gewährleisten.

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Die Angaoen dieser Ausführung zu dem Schmelzen von elektrischleitfähigen Materialien schließen nicht die Anwendung der Torrichtung nacii der Erfindung zum Schmelzen oder andere Y/ärmebehandlung von Materialien aus, die bemerkenswerte Leitfähigkeit nur bei hohen Temperaturen aufweisen, da diese Materialien durch geeignete Kittel vorerhitzt werden können auf Temperaturen, bei denen die V/irbelstroEierh.itzu.ngsvorgänge v/irksam v/erden.

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Claims

ISE/Reg. 3910 - Pl 560 H.P. Sterling et al 46 - 1 ■?■:-■: 1758480 Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Wärmebehandlung von elektrisch-leitfähigem Material, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Tiegel (10) eine obere Öffnung zum Eingießen einer Charge aus elektrischleitfähigem Material und eine untere Öffnung (18) zum Entweichen des elektrisch-leitfähigen Materials angeordnet ist, daß 3ich ein beweglicher Stöpsel (19) von der oberen Öffnung durch den Tiegel bis zur unteren Öffnung (18) erstreckt, daß die Tiegelwände und

fc der Stöpsel (19) hohl sind, aus einem Metall von hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit bestehen und mit Einlaß- und Auslaßöffnungen zum Durchfluß einer Kühlflüssigkeit versehen sind, und daß Mittel zum Anschließen an eine Quelle eines Hochfrequenzstromes vorgesehen sind, um zirkulierende Ströme in den Tiegelwänden, in dem Stöpsel und in der Charge des leitfähigen Materials herzustellen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiegelwände aus einor Anzahl von in einem geringen Abstand parallel angeordneten Rohren (11) gebildet sind, um zu verhindern, daß das geschmolzene Material aus dem Tiegel entweichen kann.

f 3· Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel für den Arcschluß an eine Quelle Von Hochfrequenzwechselstrom auo mindestens einer Primärinduktionsspule (24) besteht, die den Tiegel umgibt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 31 dadurch gekennzeichnet, daß der Stöpsel (19) aus einem hohlen Zylinder besteht.

5. .Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stöpsel (19) au3 einer Anzahl von in einem geringen Abstand parallel angeordneten Rohren besteht, um das Entweichen des geschmolzenen Materials zu verhindern*

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