DE102004063817A1

DE102004063817A1 - Vorrichtung zur Erzeugung oder Reinigung von Metallen und damit verbundene Prozesse

Info

Publication number: DE102004063817A1
Application number: DE102004063817A
Authority: DE
Inventors: William Thomas Jun. Carter; Mark Gilbert Benz; Clifford Earl Blue Ash Shamblen; Andrew Philip Cincinnati Woodfield
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2003-12-31
Filing date: 2004-12-30
Publication date: 2005-07-28
Also published as: ITMI20042438A1; JP2005199354A; JP4744872B2; US7381366B2; US20050145065A1; UA93651C2; RU2004139197A; RU2383636C2

Abstract

Es ist hier ein Elektroschlacke-Kaltherd- (ESCH-, Elekctroslag-Cold Hearth-) System zur Reinigung oder Erzeugung eines gewünschten Metalls oder einer gewünschten Metalllegierung beschrieben. Das System enthält wenigstens ein Kaltherdgefäß (35), das in der Lage ist, einen geschmolzenen flüssigen Metallsumpf (44) sowie eine darüber liegende Schlackenschicht (40) aufzunehmen, sowie eine Blockform (36), die von dem Kaltherd (35) seitlich versetzt liegt. Eine Rohstoffquelle, beispielsweise eine Speiseelektrode (34), ist oberhalb des Kaltherdes (35) angeordnet und wird in einem Reinigungsvorgang in die geschmolzene Schlacke (40) eingeführt. Ein Überlaufdamm (54) trennt die Blockform (36) von dem Kaltherd (35) und verhindert den Fluss von Einschlüssen und sonstigen Fremdkörpern in die Blockform. In einigen Beispielen führt eine nicht selbstverzehrende Elektrode der Schlacke zusätzliche thermische Energie zu. In dem Produktionsvorgang kann die Metallquelle in Form eines Salzes gebildet sein, aus dem das gewünschte Metall elektrochemisch extrahiert werden kann. Es sind auch damit verbundene Verfahren zur Reinigung oder Erzeugung von Metallen, beispielsweise Titanlegierungen, beschrieben.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Verarbeitung von Metallen. Insbesondere betrifft die Erfindung Prozesse und Systeme zur Erzeugung oder Reinigung/Verfeinerung von Spezialmetallen, wie bspw. Titan, Aluminium, Nickel und ihrer Legierungen.
Unterschiedliche Metalle und Metalllegierungen werden dazu verwendet, um verhältnismäßig große Strukturen zu erzeugen, die in anspruchsvollen Industrieanwendungen eingesetzt werden. Beispielsweise werden nickelbasierte Superlegierungen häufig dazu verwendet, um große Turbinenläufer und Turbinenschaufeln zu erzeugen. Titanlegierungen werden häufig für Bauteile im kalten Bereich einer Turbine eingesetzt, bspw. für Bläserscheiben, Bläserschaufeln, Verdichterscheiben und Verdichterschaufeln. Sie werden ferner dazu verwendet, um andere hochwertige Produkte zu erzeugen. Beispielsweise kann eine medizinische Prothese aus einem Titanwerkstoff gegossen oder geschmiedet sein.
Spezialmetalle, die für größere Bauteile verwendet werden, werden häufig in Gestalt großer Körper unter Verwendung einer Folge von Verarbeitungsverfahren, bspw. Vakuuminduktionsschmelzen, Elektroschlacken-Raffination und Vakuumbogen-Umschmelzen, erzeugt. Um ein Beispiel anzuge ben, werden hochwertige Titanlegierungen für Flugtriebwerksanwendungen häufig durch einen Prozess erzeugt, der Kaltherdschmelzen eines Rohstoffs auf Titanbasis enthält, dem ein oder mehrere zusätzliche Umschmelzschritte unter Verwendung von Vakuumbogen-Umschmelzen folgt bzw. folgen.
Während das durch diese Verfahren erzeugte Metall ziemlich wertvoll ist, kann die mehrere Schritte durchlaufende Verarbeitung kostspielig und zeitaufwendig sein. Beispielsweise verwenden Kaltherdschmelzsysteme gewöhnlich einen Satz Plasmabrenner oder Elektronenstrahlerzeuger, um das Rohmetallausgangsmaterial zu schmelzen und dieses während der Verarbeitung in einem geschmolzenen Zustand aufrechtzuerhalten. Eine Ausrüstung dieser Art ist nur sehr teuer zu erwerben und erfordert einen sehr hohen Energieaufwand.
Unter Berücksichtigung ihrer Kosten ist die Reinheit und Qualität dieser Spezialmetalle und Metalllegierungen häufig ausschlaggebend. Somit wird der Beseitigung unterschiedlicher Verunreinigungen und Fremdkörper aus dem Metallprodukt, bspw. einem Blockmetall, besondere Beachtung geschenkt. Beispielsweise treten manchmal in Titanblöcken harte Alphateilcheneinschlüsse auf, die mit einem oder mehreren der Stoffe Sauerstoff, Stickstoff oder Kohlenstoff interstitiell angereichertes Titan aufweisen. (In ähnlicher Weise können manchmal unterschiedliche Defekte in Blöcken vorkommen, die aus Superlegierungen oder anderen Legierungsarten gebildet sind.) Diese Defekte, die häufig während des primären Formungsprozesses eingebracht werden, können als Auslöser für Schwachpunkte und mögliche Fehler der aus dem Blockmetall erzeugten Artikel dienen.
Die Beseitigung oder Minimierung derartiger Defekte bleibt eine wesentliche Anforderung für Hersteller, Verarbeiter und Benutzer. Beispielsweise bilden sich stickstoffreiche Einschlüsse im Allgemeinem während der Herstellung von Neutitan, wie bspw. Titanschwamm. Wenn sie mal gebildet sind, müssen sie während der nachfolgenden Verarbeitung, Sortierung oder Umschmelzoperationen entfernt oder auf ein Minimum reduziert werden. Eine Zerlegung des Schwamms in sehr kleine Teile kann eine gewisse Verbesserung hinsichtlich des Problems schaffen. Die Verwendung von Schmelzverfahren, die die Behandlungsdauer in dem flüssigen Zustand verlängern, sind ebenso hilfreich. Dennoch haben Anstrengungen bis heute das Auftreten dieser Defekte nicht immer beseitigt.
Im Falle von Titanlegierungen schmelzen stickstoffreiche Einschlüsse in einem Bereich oberhalb des Schmelzbereiches des Titanmetalls selbst. Die Dichte der Einschlüsse ist größer als die Dichte des Titanmetalls und der Titanlegierungen. Somit ist ein Entfernen der Einschlüsse durch Aufschmelzen oder Flotation unpraktisch. Ein Auflösen der stickstoffreichen Einschlüsse im flüssigen Titan läuft zwar sehr langsam ab, stellt jedoch momentan die einzige praktische Lösung dar. Ein Herdschmelzverfahren muss sehr vorsichtig und langsam durchgeführt werden, um eine Dichte-Abtrennung der Einschlüsse zu einem Pfannenrest oder eine Wiederverteilung der Konzentration der Einlagerungselementen durch Auflösung zu ermöglichen.
Eine weitere Hauptquelle für Defekte in Artikeln auf Titanbasis ist das Vorhandensein von Einschlüssen oder Verunreinigungen mit hoher Dichte oder titanunlöslicher Arten. Diese Verunreinigungen sind häufig Wolfram enthaltende oder andere hochschmelzende Zusammensetzungen, die während der Wiedergewinnung, Aufbereitung und Verarbeitung von Titan- und Titanlegierungsabfällen aufgenommen werden, die hier auch als „Rücklauf" bezeichnet sind. Die unerwünschten Stoffe werden bspw. manchmal bei Zerspanungsprozessen eingebracht, die Brenner oder andere Schnittwerkzeuge verwenden, und können durch Bohrer, Sägeblattzähne, Schneidbrennerelektroden und dergleichen gebildet sein. Das Problem, diese Arten von Verunreinigungen zu entfernen, ist besonders schwierig. Da sie häufig Schmelzpunkte oberhalb desjenigen von Titan aufweisen, können Wärmebehandlungen ineffektiv oder unpraktisch sein. Statt dessen müssen sie mit anderen Techniken, bswp. durch Elektronenstrahl-Kaltherdumschmelzung, entfernt werden.
Wenn Metalle, wie Titan, in einem Elektroschlackenprozess verfeinert werden, ist das Produkt für Verunreinigungen, wie die vorstehend beschriebenen, zugänglich. Beispielsweise können die Einschlüsse und Verunreinigungen von einem schmelzenden Ausgangblock herunterfallen und durch eine darunter liegende Schlackenschicht hindurchtreten. Sie werden anschließend ohne weiteres in dem Blockprodukt eingebunden, das in einer Blockform unterhalb der Schlacke gebildet wird.
Wie oben erwähnt, betrifft diese Erfindung auch die Erzeugung von Spezialmetallen. Titan stellt ein gutes Beispiel hierfür dar, weil es häufig in Legierungen verwendet wird, die für entscheidende Anwendungen vorgesehen sind. Kommerzielle Methoden zur Gewinnung von Titan aus unterschiedlichen Erzen sind allgemein bekannt. Zu Beispielen gehört die Chlorierung eines Titanerzes zur Erzeugung von Titantetrachlorid mit nachfolgender Reduktion des Titante trachlorids mit Natrium (der Hunter-Prozess) oder mit Magnesium (der Kroll-Prozess).

Metalle wie Titan können auch in einem elektrolytischen Prozess erzeugt werden, wie in der US-Patentschrift 6,074,545 (Ginatta) beschrieben. In einem derartigen Prozess dient ein vertikal angeordneter Kupferzylinder als der Schmelztiegel, während ein Flüssigmetallsumpf als die Kathode dient. Der Schmelztiegel ist gewöhnlich durch Wasser gekühlt und enthält ferner eine Bodenplatte, die an eine Energieversorgung angeschlossen ist. In dem Innenraum des Zylinders ist eine Graphitanode angeordnet. Die Anode ist über eine Sammelschiene ebenfalls an die Energieversorgung angeschlossen. Der Schmelztiegel enthält einen Salzschmelzenelektrolyt (Calcium oder Calciumverbindungen), der der Schlacke entspricht, die in einem Elektroschlacken-Raffinationsprozess verwendet wird. Der Elektrolyt wird durch Widerstandsbeheizung mit von der Energieversorgung herrührendem Strom in einem geschmolzenem Zustand gehalten.

Die Verbindungen, die das zu extrahierende Metall enthalten, werden mittels herkömmlicher Beschickungsmechanismen in den Elektrolyt geleitet. Die Ausgangsverbindungen können entweder in einem festen, flüssigen oder gasförmigen Zustand vorliegen. (Im Falle von Titanlegierungen gehören zu beispielhaften Verbindungen TiCl₄, TiF₃, TiBr₄, AlCl₃, VCl₄, VCl₃, VCl₂ und dergleichen). Wenn die Ausgangsverbindungen durch Elektrolyse reduziert werden, werden gasförmige Nebenprodukte über eine innerhalb der Anode angeordnete Rohrleitung abgeführt. Das Produkt, bspw. ein Titanmetall, wird bei der Kathode in Form einer Schmelzflüssigkeit gesammelt. Einem Sumpf aus der Flüssigkeit wird ermöglicht, sich abzukühlen und zu einem Block innerhalb der Kathoden blockform zu erstarren. Der Block kann durch Absenken einer einziehbaren Bodenplatte entfernt werden.

Elektrolytische Prozesse, wie die in der Ginatta-Patentschrift beschriebenen, können zur Erzeugung von Titan und anderen Spezialmetallen sehr nützlich sein. Insbesondere scheint der Ginatta-Prozess möglicherweise in der Lage zu sein, unmittelbar ein Titan der Superqualität direkt aus Rohstoffen wie TiCl₄ zu erzeugen. Diese Technik kann insofern einen beträchtlichen Vorteil bei der Verarbeitung darstellen, als sie es ermöglichen kann, andere komplexe Schritte, die mit einer Bildung und Wiederverfestigung von Titanschwamm verbunden sind, zu umgehen.

Derartige Prozesse weisen jedoch weiterhin einige ernst zu nehmende Nachteile auf, wie sie vorstehend beschrieben sind. Beispielsweise ermöglicht die vertikale Anordnung der Schmelz- und Rekristallisationsstationen nach Ginatta Einschlüssen und Unreinheiten, unmittelbar von der Anodenkammer in den flüssigen Metallkörper durchzudringen, der sich abkühlt, um das Produkt zu bilden. Dieses Problem ist besonders akut, wenn der Rohstoff Metallrücklauf und andere feste Körper enthält. Es können deshalb zusätzliche, zeit- und energieaufwendige Schritte, wie eine Umschmelzung, erforderlich sein, um die Einschlüsse und Fremdkörper, wie sie oben erläutert sind, zu eliminieren.

Wenn man diese Schwierigkeiten berücksichtigt, werden Verbesserungen der Art, in der Titan und andere Metalle erzeugt und veredelt werden, in der Technik gerne begrüßt. Die neuen Techniken sollten in der Lage sein, auf effektive Weise Einschlüsse und andere Unreinheiten aus dem zu reinigenden oder zu erzeugenden Metall zu verringern oder zu eliminieren. Die Beseitigung der Fremdkörper sollte bspw. ohne den Bedarf nach Mehrfachumschmelzstationen oder anderen Verarbeitungsschritten erfolgen. Ferner sollten die neuen Prozesse die Notwendigkeit einer kostspieligen Heizausrüstung, wie bspw. Plasmabrenner oder Elektronenstrahlerzeuger, auf ein Minimum reduzieren. Außerdem sollten die Prozesse für Steuerungsmechanismen zugänglich sein, die kritische Parameter, wie die Schmelztemperatur und den elektrischen Widerstand, überwachen und anpassen können. Schließlich sollten die Prozesse mit weiteren Schritten, die gewöhnlich bei der Metallerzeugung und -verfeinerung involviert sind, z.B. mit einer Rohstoffverarbeitung oder mit nachträglichen Produktionsstufen, wie Gießen und Schmieden, vereinbar sein.

KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Elektroschlacke-Kaltherd- (ESCH-, Electroslag-Cold Hearth-) System zur Reinigung oder Erzeugung eines Metalls oder einer Metalllegierung. Das System enthält wenigstens ein Kaltherdgefäß, das in der Lage ist, einen Sumpf aus einem geschmolzenen flüssigen Metall und eine darüber liegende Schlackenschicht aufzunehmen. Eine Rohstoffquelle, bspw. eine Speiseelektrode, ist oberhalb des Kaltherdes positioniert und wird in die geschmolzene Schlacke eingeführt. Eine Blockform ist von dem Kaltherd und der Speiseelektrode seitlich versetzt (d.h. nicht vertikalen fluchtend ausgerichtet) angeordnet.

Die Blockform ist mit dem Kaltherd über einen beliebigen Verbindungsweg verbunden, der einen Überlaufdamm oder -wehr enthält. Der Damm ermöglicht dem Flüssigmetall, von dem Herd zu der Blockform zu strömen, während der Durchgang von Einschlüssen und anderen Fremdkörpern verhindert wird. Auf diese Weise kann der gereinigte Block im Wesentlichen frei von Einschlüssen und anderen Unreinheiten sein, die ansonsten als Defekte in dem Endprodukt vorkommen oder als Ausgangspunkte für derartige Defekte dienen würden.

Ein besonderes, beispielhaftes ESCH-System dieser Art enthält:

a) wenigstens ein Kaltherdgefäß zur Schmelzung und Aufnahme eines Sumpfs eines geschmolzenen flüssigen Metalls;
b) eine flüssige Schlackenschicht, die oberhalb des Metallsumpfs in dem Kaltherdgefäß angeordnet ist;
c) wenigstens eine Quelle des Metalls, die oberhalb der flüssigen Schlackenschicht angeordnet ist;
d) eine Blockform zur Aufnahme eines geschmolzenen Metalls von dem Schmelzmetallsumpf in dem Kaltherdgefäß, wobei die Blockform von der Quelle des Metalls seitlich versetzt sowie unterhalb eines Abschnitts der Schlackenschicht angeordnet ist;
e) wenigstens eine Energieversorgung zur elektrischen Erhitzung der Schlackenschicht und
f) einen Überlaufdamm, der das Kaltherdgefäß von der Blockform trennt.

Die Rohstoffquelle ist häufig eine selbstverzehrende/abschmelzende Elektrode, die aus einem Material gebildet ist, das das interessierende Metall oder die interessierende Metalllegierung enthält. (Zwecks Knappheit dieser Beschreibung soll der Ausdruck „Metall" sowohl Metalle als auch Metalllegierungen umfassen). In einem Reinigungsprozess weist die Rohstoffquelle häufig einen Metallrücklauf auf. Die flüssige Schlackenschicht ist häufig auf Calciumbasis gebildet.

Die Energieversorgung enthält gewöhnlich ein elektrisches Versorgungsmittel, das dazu eingerichtet ist, der flüssigen Schlackenschicht über die selbstverzehrende Elektrode einen Strom zuzuführen. Auf diese Weise kann die Schlacke in einem geschmolzenen Zustand gehalten werden, während das Ausgangsmaterial in diese eingebracht wird. Wie nachstehend beschrieben, kann die Energieversorgung in unterschiedlichen Modi betrieben werden.

Weitere Ausführungsformen des ESCH-Systems enthalten eine zweite Energieversorgung, die auch dazu verwendet werden kann, die Schlacke zu erhitzen und/oder anderen Komponenten des Systems Energie zuzuführen. Die Zuleitung von der zweiten Energieversorgung kann über eine oder mehrere nicht selbstverzehrende/nicht abschmelzende Elektroden geführt werden, die mit der Schlackenschicht in Kontakt stehen. In einigen Fällen ist die nicht selbstverzehrende Elektrode auf einer Struktur montiert, die es ihr ermöglicht, in vertikaler Richtung bezüglich der Schlackenschicht bewegt zu werden.

Das hier beschriebene ESCH-System kann dazu verwendet werden, um vielfältige unterschiedliche Metalle und Metall legierungen zu reinigen oder zu erzeugen. Viele von diesen sind nachstehend beschrieben. Titan und seine Legierungen sind für eine Einführung in ein derartiges System von besonderem Interesse. Bei der Erzeugung eines Metalls oder einer Metalllegierung entsprechend der vorliegenden Erfindung enthält die Metallquelle gewöhnlich wenigstens einen Rohstoffprecursor, aus dem das gewünschte Metall oder die gewünschte Metalllegierung elektrochemisch (bspw. elektrolytisch) extrahiert werden kann, wie bspw. TiCl₄.

Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Reinigung eines Metalls in einem Elektroschlacke-Kaltherdsystem. Das Verfahren enthält die folgenden Schritte:

(I) Schmelzen einer Quelle des Metalls zur Bildung eines geschmolzenen Metallsumpfs durch In-Kontakt-Bringen der Quelle mit einer darunter liegenden geschmolzenen Schlacke, die in einem Kaltherdgefäß enthalten ist;
(II) Ableiten des Schmelzmetallsumpfs von dem Kaltherdgefäß und über einen Überlaufdamm zu einer Blockform, die von der Quelle des Metalls seitlich versetzt angeordnet ist; und
(III) Abkühlung und Erstarrung des gereinigten Metalls in der Blockform.

Ein Verfahren zur Erzeugung eines Metalls aus wenigstens einer Rohstoffquelle des Metalls ist ebenfalls beschrieben. In jedem Fall kann das Produkt im Wesentlichen frei von den vorstehend beschriebenen unerwünschten Bestandteilen gemacht werden.

Darüber hinaus ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung auf ein ESCH-System gerichtet, das sowohl eine Reinigungsoperation als auch eine Erzeugungsoperation enthält. Wie nachstehend beschrieben, enthält die Reinigungsoperation das Schmelzen einer Speiseelektrode in einer flüssigen Schlackenschicht (und die Verwendung der versetzt angeordneten Blockform). Die Erzeugungsoperation enthält die elektrolytische Erzeugung des gewünschten Metalls oder der gewünschten Legierung aus einer Rohstoffquelle, bspw. einer Halogenidform des Metalls.

Weitere Einzelheiten in Bezug auf unterschiedliche Merkmale dieser Erfindung finden sich in der verbleibenden Beschreibung und in den beigefügten Zeichnungen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Elektroschlacke-Schmelzsystems nach dem Stand der Technik.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Elektroschlacke-Kaltherdvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt eine Perspektivansicht eines Abschnitts der Elektroschlacke-Kaltherdvorrichtung nach 2.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Elektroschlacke-Kaltherdvorrichtung.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer zusätzlichen Ausführungsform der Elektroschlacke-Kaltherdvorrichtung.
6 zeigt eine Draufsicht auf eine nicht selbstverzehrende Elektrode, die in einer Elektroschlacke-Kaltherdvorrichtung angeordnet ist.
7 zeigt eine Darstellung eines Abschnitts der in 6 veranschaulichten Elektroschlacke-Kaltherdvorrichtung in einer Seitenansicht.
8 veranschaulicht einen Mechanismus zur Bewegung einer nicht selbstverzehrenden Elektrode, die Teil einer Elektroschlacke-Kaltherdvorrichtung bildet.
9 zeigt eine schematische Darstellung einer Elektroschlacke-Kaltherdvorrichtung zur Erzeugung eines Metallproduktes.
10 zeigt eine schematische Darstellung einer Elektroschlacke-Kaltherdvorrichtung, die sowohl zur Reinigung als auch zur Erzeugung eines Metallproduktes dient.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines herkömmlichen Elektroschlacke-Schmelzsystems 2. Das System enthält eine selbstverzehrende/abschmelzende Elektrode 4 aus dem Metall oder der Legierung, das bzw. die zu schmelzen ist, gemeinsam mit einer Blockform 6 (gewöhnlich einem Wasser gekühlten Sammelbehälter). Das System enthält ferner eine Elektrodentragsäule 8. Die Blockform 6 enthält eine Schicht einer flüssigen Schlacke 10, in die das untere Ende der Elektrode 4 eintaucht. Die Elektrode 4 kann durch beliebige (nicht speziell veranschaulichte) mechanische Mittel in Richtung auf die Schlacke 10 vorgeschoben und in Kontakt mit dieser gebracht werden. Die Vorschubgeschwindigkeit entspricht gewöhnlich der Rate, mit der die Kontaktoberfläche der Elektrode abgeschmolzen wird, wenn der Reinigungs- oder Raffinationsprozess fortschreitet. Das Elektroschlacke-Schmelzsystem kann im Allgemeinen in einer inerten Atmosphäre (bspw. Argon) enthalten sein, um die Schmelzbedingungen zu steuern.
Die Schlacke wird durch einen elektrischen Strom beheizt, der durch eine Energiequelle 3 und einen zugehörigen Stromkreis 5 geliefert wird, der die Elektrode 4 enthält. Eine Erhitzun der Schlacke veranlasst das untere Ende der Elektrode 4 zu schmelzen, wodurch der flüssige Metallsumpf 16 gebildet wird. (Ein zugehöriger Pfannenbär des erstarrten Metalls 18 bildet sich gewöhnlich an dem Grund des Sumpfs). Die zur Erhitzung der Schlacke erforderliche Strommenge hängt von den besonderen Materialien, den Dimensionen der Elektrode und des Blocks und der Art der verwendeten Vorrichtung ab. Sie liegt gewöhnlich in dem Bereich zwischen ungefähr 2.000 Ampere und ungefähr 30.000 Ampere.
Bei dem Erhitzungsprozess schmelzen die Metalltropfen von der selbstverzehrenden Elektrode 4 an der Schlacke-Metall-Berührungsstelle ab. Die Tropfen fallen durch die Schlacke hindurch unmittelbar in den flüssigen Metallsumpf 16 hinein, wo sie abkühlen und zu einem Produktblock 12 erstarren. Der Block ist durch eine Plattform 14 gestützt, die absenkbar sein kann oder auch nicht.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Elektroschlacke-Kaltherd- (ESCH-, Electroslag-Cold Hearth-) Systems gemäß der vorliegenden Erfindung. Das ESCH-System ist gewöhnlich innerhalb einer einer Art Kammer 32 enthalten. Die Kammer stellt gewöhnlich für das System eine inerte Atmosphäre, bspw. eine mit einem Inertgas, z.B. Argon, gefüllte Atmosphäre zur Verfügung. Die inerte Atmosphäre ermöglicht häufig eine bessere Steuerung der Umschmelzungsbedingungen.
Das System enthält eine Metallquelle in Form einer selbstverzehrenden Elektrode 34. Die Gestalt der Elektrode ist für diese Erfindung nicht ausschlaggebend und hängt zum Teil von der Zusammensetzung der Elektrode, der Art und Weise, in der sie gebildet worden ist, und der Gestalt des nachstehend beschriebenen Kaltherdgefäßes ab. Sehr häufig ist die selbstverzehrenden Elektrode 34 in Form eines Blockgusses ausgebildet und weist eine im Wesentlichen zylindrische Gestalt auf. Sie kann an einer Stange 49 (bspw. durch Plasmaschweißen) angeschweißt, festgeklemmt oder durch sonstige geeignete Mittel befestigt sein. Die Elektrode kann durch einen beliebigen geeigneten Mechanismus, z.B. einen Elektrodenantrieb 31, der mit der Welle oder Stange 49 über eine Strebe 29 verbunden ist, in einer ge steuerten Weise gehoben und gesenkt werden. (Die Strebe 29 ist von der Stange 49 elektrisch isoliert.)
Das ESCH-System enthält ferner einen Herd 35, der in der Lage ist, flüssiges Metall (das von der Elektrode abgeschmolzen ist) ist gemeinsam mit flüssigem Schlackenmaterial aufzunehmen. Für diesen Zweck geeignete Herde sind aus dem Stand der Technik bekannt und bspw. in der US-Patentschrift 6,001,495 beschrieben, die hier diesbezüglich durch Verweis ausdrücklich mit aufgenommen ist. Der Herd kann aus vielfältigen unterschiedlichen Materialien gebildet sein. Häufig wird Kupfer oder eine Kupferlegierung verwendet, wenn das Metall, das gereinigt oder erzeugt wird, ein Metall mit einer verhältnismäßig hohen Schmelztemperatur ist, wie bspw. Titan. Da der Herd 35 während eines Betriebs des ESCH-Systems gewöhnlich gekühlt wird, wird er häufig als ein „Kaltherd" bezeichnet. Es sind unterschiedliche Kühlmechanismen möglich, die hier nicht speziell beschrieben werden müssen. Um ein nicht ausschließliches Beispiel anzugeben, könnte der Herd innere Kanäle enthalten, die Wasser führen, um den Herd zu kühlen und zu verhindern, dass dieser schmilzt. Die Größe des Herdes hängt ebenfalls von vielen unterschiedlichen Faktoren, wie bspw, den Gesamtdimensionen des ESCH-Systems und der Größe der selbstverzehrenden Elektrode 34, ab.
Der Herd 35 enthält eine flüssigen, geschmolzene Schlacke 40. Die Schlacke schwimmt gewöhnlich auf der Oberseite des flüssigen Metallsumpfs 44, wie dies in der Figur veranschaulicht ist. Die Schlacke wird bei einer sehr hohen Temperatur gehalten, d.h. bei einer Temperatur, die ausreichend ist, um den unteren Bereich 33 der selbstverzehrenden Elektrode 34 zu schmelzen. Wenn die selbstverzehren de Elektrode aus Titan oder einer Titanlegierung gebildet ist, wird die Schlacke bspw. gewöhnlich bei einer Temperatur in dem Bereich von ungefähr 1700°C bis ungefähr 2200° C gehalten.
Es sind unterschiedliche Verfahren zur Beheizung der Schlacke möglich. In diesem Beispiel stellt ein von der Energiequelle 46 herrührender elektrischer Strom die Heizquelle dar. Der Strom (in dieser Ausführungsform gewöhnlich ein Wechselstrom) kann der Schlacke von einem Stromleiter 48 über die Stange 49 und die selbstverzehrende Elektrode 34 zugeführt werden. Der Strom fließt von der Elektrode zu der Schlacke 40 und dem flüssigen Metallsumpf 44. Der Strom fließt anschließend zu dem wachsenden Block 42 und einer Blockbodenplatte 52. Ein Stromleiter 50 leitet den Strom von der BlockBodenplatte 52, um den elektrischen Stromkreis zu schließen. Weitere Details in Bezug auf Beheizungstechniken (z.B. Mechanismen zur Steuerung der elektrischen Leistung) sind allgemein bekannt und brauchen hier nicht in größerer Einzelheit beschrieben zu werden. (Die US-Patentschrift 5,160,532 (Benz et al.) liefert hierzu einige relevante Informationen und ist diesbezüglich durch Bezugnahme ausdrücklich hier mit aufgenommen).
Der elektrische Strom ist in dieser Ausführungsform gewöhnlich ein Wechselstrom (AC, Alternating Current). Die Energieversorgung für die vorliegende Erfindung kann jedoch in einem Wechselstrom- (AC-) oder einem Gleichstrom (DC-, Direct Current-) Modus oder gemäß einer Kombination dieser beiden Modi arbeiten. Beispielsweise könnte die Energieversorgung zwischen AC und DC umgeschaltet werden oder als AC-Versorgung mit einem DC-Offsetstrom betrieben sein. (Bei den nachstehend beschriebenen elektrolytischen Ausführungs formen arbeitet die Energieversorgung gewöhnlich in einem DC-Modus.)
Die Schlacke 40 kann in dem ESCH-System mehrere unterschiedliche Funktionen erfüllen. Die Elektroschlacke ist ein Hochtemperaturmedium, das die selbstverzehrende Elektrode 34 zum Schmelzen bringt, wie dies oben erläutert ist. Die Schlacke dient ferner als das Medium, in dem Oxid- und Nitrid-Einschlüsse gelöst werden. Oxid-Einschlüsse verbleiben in der Schlacke, während Nitrid-Einschlüsse zu dem Pfannenbär des Schmelzherdes sinken oder in dem zu reinigenden Metall, z.B. Titan, wiederaufgelöst werden.
Die Wahl einer bestimmten Schlackenzusammensetzung hängt zum Teil von dem Metall, das gereinigt oder erzeugt wird, sowie von den vorstehend beschriebenen Schlackenfunktionen ab. Im Falle von Titan oder Titanlegierungen weist die Schlackenzusammensetzung häufig eine oder mehrere Verbindungen auf Calciumbasis (einschließlich Calciummetall selbst) auf. Nicht ausschließliche Beispiele der Calciumverbindungen enthalten Calciumhalogenide, bspw. Calciumchlorid und Calciumfluorid, sowie Calciumoxid. Einige der weiteren typischen Bestandteile der Schlacke sind Magnesiumoxid, Aluminiumoxid und Siliziumdioxid. Ein Schlackenbär 41 bildet sich häufig auf der inneren Fläche 43 des Herdes 35. Der Schlackenbär wird aufgrund der Kühlwirkung des (nicht veranschaulichten) Kühlmittels gebildet, das an der Herdwand 37 (oder innerhalb dieser) strömt.
Das ESCH-System enthält ferner eine Blockform 36. Die Gestalt der Blockform und das Material, aus dem diese gebildet ist, können denen des Herdes 35 ähnlich sein. (Wie in den 2 und 3 veranschaulicht, kann die Blockform in der Tat einen Abschnitt oder eine Seite eines einzelnen Gefäßes bilden, bei dem das Kaltherdgefäß eine gegenüberliegende Seite bildet). Häufig ist die Form aus Kupfer gefertigt und weist ausreichende Abmessungen auf, um dem erstarrenden Blockprodukt eine gewünschten Gestalt zu geben. Die Form 36 kann durch einen Metallzylinder gebildet sein. Der Zylinder weist an seinem unteren Ende ein offenes Ende auf, das in einem unteren Abschnitt 39 endet. Diese Anordnung ermöglich eine Erstarrung des Metallblocks 42, wenn dieser gebildet wird. Wie nachstehend beschrieben, wird die einziehbare Bodenplatte 52 abgesenkt, wenn der wachsende Block sich abkühlt und erstarrt.
Die Form 36 kann auch mittels vielfältiger unterschiedlicher Techniken gekühlt sein. Einige von diesen sind in der US-Patentschrift 6,074,545 (Ginatta) beschrieben, die hier diesbezüglich durch Verweis ausdrücklich mit aufgenommen ist. Beispielsweise kann um den Außenumfang der Form herum eine Ummantelung hergestellt werden, um eine Kühlwasserzirkulation zu ermöglichen.
Die Blockform 36 ist von dem Herdgefäß 35 durch einen Überlaufdamm 54 getrennt. Flüssigem Metall aus dem flüssigen Metallsumpf 44 wird ermöglicht, über die Oberseite 57 des Dammes und in die Blockform 36 hinein zu fließen. Der Damm hindert jedoch hochdichte Einschlüsse daran, in die Blockform zu gelangen. Statt dessen setzen sich die Einschlüsse an dem Boden oder in der Nähe des Bodens des Herdes 35 ab.
Der Überlaufdamm kann unterschiedliche Gestalten und Größen aufweisen, solange er als eine Barriere für die meisten oder sämtlichen Einschlüsse und sonstige vorstehend beschriebenen Verunreinigungen dient. 3 zeigt eine von oben betrachtete Perspektivansicht eines Abschnitts des ESCH-Systems nach 2. Die geschmolzene Schlacke 40, die über dem flüssigen Metall 44 liegen würde, ist in der Figur nicht veranschaulicht, so dass die darunter liegenden Merkmale leichter zu ersehen sind. In dieser bestimmten Veranschaulichung ist der Überlaufdamm 54 durch eine der Wände 37 des Herdes 35 gebildet, und zwar diejenige, die einem Wandabschnitt 55 der Blockform 36 benachbart liegt. Der Damm kann aus einem Metall, wie bspw. Kupfer, gebildet sein und lässt sich mittels einer der vorstehend beschriebenen Techniken kühlen. Die Oberseite 56 des Dammes kann eine Kerbe oder einen Kanal 58 enthalten, durch die bzw. den flüssiges Metall aus dem Herd zu der Blockform strömt. Die Abmessungen des Kanals hängen von unterschiedlichen Faktoren ab, wie bspw. der Viskosität des flüssigen Metalls und der für den Damm verwendeten Legierung. Der Kanal 58 ist jedoch optional, da in vielen Fällen das flüssige Metall über einen Großteil der oder die gesamte Oberseite 56 in die Form 36 fließen wird.
Bei der veranschaulichten Ausführungsform, die in 3 dargestellt ist, hängt die höhe „H" der Herdwand 37 zum Teil von der gewünschten Tiefe des Herdes 35 ab. Der Herd weist häufig (aber nicht immer) eine Tiefe auf, die ungefähr 3 Zoll (7,6 cm) bis ca. 10 Zoll (25,4 cm) beträgt. Die Dicke des Dammes, d.h. die Wanddicke des Herdes, hängt zum Teil von der Art der Schlacke und des geschmolzenen Metalls ab, zu dessen Aufnahme der Damm bzw. die Wand vorgesehen ist. Als ein Beispiel für eine industrielle Einrichtung, in der selbstverzehrende Elektroden auf Titanbasis zwischen ungefähr 1.000 Kg und ungefähr 10.000 Kg wiegen können, kann die Dicke eines auf Kupfer basierenden Dammes in einem Bereich von ungefähr 4 cm bis ungefähr 20 cm liegen. Basierend auf den hier angegebenen Lehren kann ein Fachkundiger ohne weiteres die Dimensionen des Dammes verändern, um einem bestimmtem Satz Betriebsbedingungen (z.B. Anforderungen hinsichtlich der thermischen Last) zu genügen.
Wie oben erwähnt, kann der Damm unterschiedliche Gestalten aufweisen. Beispielsweise kann er im Allgemeinen in Form einer im Wesentlichen geraden, aufrechten Wand ausgebildet sein, wie dies in 3 dargestellt ist. Alternativ kann er gekrümmt sein, bspw. wenn die Wand des Herdgefäßes 35 gekrümmt ist. (Es sollte verständlich sein, dass der Herd und die Blockform gesonderte, voneinander getrennte Gefäße sein können oder durch ein einzelnes Gefäß gebildet sein können, das, wie vorstehend erläutert, durch den Damm in zwei Abschnitte unterteilt ist).
2 und 3 veranschaulichen ein Hauptmerkmal der vorliegenden Erfindung in Form der relativen Stellungen des Herdes 35 und der Blockform 36 zueinander. Die Blockform ist von dem Herd (und deshalb von der oberhalb des Herdes angeordneten selbstverzehrenden Elektrode) seitlich versetzt angeordnet. Die Größe des Versatzes der Blockform 36 kann variieren, solange kein Teil der selbstverzehrenden Elektrode 34 unmittelbar über der Form 36 angeordnet ist. Sämtliche unlösbare oder sich langsam auflösende Einschlüsse, die von der Elektrode 34 ausgehen und durch die Schlacke fallen, fallen somit nicht unmittelbar in die Blockform, wie dies in der Ausführungsform nach dem Stand der Technik gemäß 1 der Fall ist. Statt dessen werden die Einschlüsse im Wesentlichen in dem Herd eingefangen.
Wie vorstehend erläutert, wird der Block 42 gebildet, wenn flüssiges Metall von dem Herd in die Form 36 fließt, sich abkühlt und beginnt zu erstarren. Bezug nehmend auf 2 ist die Blockbodenplatte 52 dazu eingerichtet, sich an das Wachstum des Blockproduktes anzupassen. Es können unterschiedliche Mechanismen dazu verwendet werden, um die Bodenplatte abzusenken. Um ein nicht ausschließliches Beispiel anzugeben, kann die Bodenplatte an einem geeigneten Hubmechanismus, bspw, einer Kugelumlaufspindel oder einer Leitspindel, wie sie allgemein als ein Element 53 veranschaulicht ist, montiert sein. Der Hubmechanismus kann durch einen Motor 59 angetrieben sein, der an eine beliebige geeignete Energiequelle (nicht veranschaulicht) angeschlossen ist. In einer alternativen Form kann die Struktur, von der das Blockprodukt geformt wird, auf eine gesteuerte Weise gehoben werden. Beispielsweise können der Herd 35 und die Blockform 36 durch einen geeigneten Mechanismus angehoben werden, wodurch eine Anpassung an die Vergrößerung des Blocks vorgenommen wird.
Wie vorstehend kurz erläutert, braucht die Metallquelle nicht in Form eines Blocks (d.h. einer selbstverzehrenden Elektrode 34) oder eines sonstigen Massekörpers ausgebildet zu sein, wie in den 2 und 3 dargestellt. Statt dessen können viele einzelne Metallstücke, bspw. ein Rücklaufmetall, eingesetzt werden. Diese Ausführungsform ist in 4 veranschaulicht. (Viele Merkmale des ESCH-Systems nach 4 sind mit denjenigen der vorherigen Ausführungsform identisch und brauchen nicht erneut in jeder Einzelheit beschrieben zu sein.) Die selbstverzehrende Elektrode 74 wird in dieser Ausführungsform nicht verwendet. Anstelle dieser werden dem Herd 85 mittels einer geeigneten Beschickungsstation 87 feste Metallstücke 76 zu geführt. Wie in den 2 und 3 ist die Blockform 86 auch hier von dem Herd seitlich versetzt angeordnet. In dieser Ausführungsform sind unterschiedliche Techniken zur Beheizung der Schlacke möglich, bspw. die Verwendung einer nicht selbstverzehrenden/nicht abschmelzenden Elektrode, wie dies nachstehend beschrieben ist.
Die Form und Art des Rücklaufmetalls kann beträchtlich variieren. Im Falle von Titan bspw. kann der Rücklauf früher verwendete Titanbruchstücke, -feststoffe, einen Produktionsrücklauf, Neutitan (bspw. Titanschwamm) oder eine beliebige Kombination derartiger Materialien enthalten. Ein Superlegierungsrücklauf liegt häufig in Form von Gebrauchteilen, bearbeiteten Materialien, z.B. Drehspänen und Bohrspänen, sowie Ausschussblöcken vor.
Darüber hinaus sind denjenigen, die die Fachkenntnis in der Elektroschlacke-Reinigung besitzen, weitere Faktoren geläufig, die hier relevant sein können, wie bspw. die Größe des Rücklaufs, die Zuführungsrate des Rücklaufs, die elektrische Spannung und Leistung, Herdabmessungen und der gleichen. Unter Berücksichtigung dieser Faktoren können durch jedermann mit gewöhnlichem Fachwissen Anpassungen der Prozessparameter vorgenommen werden. Hilfreiche Anleitungen stehen in einer Vielzahl von Referenzschriften zur Verfügung, wie bspw. in „Recycling of Superalloy Scrap Through Electro Slag Remelting" von VV. Prasad et al., ISIJ International, Vol. 36 (1966), Nr. 12, Seiten 1459-1464, die hier ausdrücklich durch Bezugnahme mit aufgenommen ist.
Es können unterschiedliche Metalle und Metalllegierungen entsprechend der vorliegenden Erfindung erzeugt oder veredelt werden. Nicht ausschließliche Beispiele hierfür stellen diejenigen dar, die wenigstens ein Element aufweisen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, zu der Titan, Nickel, Aluminium, Zinn, Antimon, Beryllium, Bor, Gallium, Molybdän, Niob, Tantal, Thorium, Zirkonium, Vanadium, Iridium, Osmium, Rhenium, Uran und Seltenerdeelemente gehören. Geeignete Precursoren oder Ausgangsstoffe (z.B. Halogenidsalze), die als Rohstoffe für diese Elemente verwendet werden können, sind herkömmlich bekannt. Im Falle von Titanmaterialien, können die Rohstoffe unterschiedliche Precursoren bilden, die zu gebräuchlichen Legierungen, bspw. zu Titan-Vanadium- und Titan-Vanadium-Aluminium-Produkten, gewandelt werden können. Beispiele geeigneter Precursoren in diesen Fällen stellen zusätzlich zu einem Titan-Precursor wie TiCl₄ Aluminiumchlorid und Vanadiumchlorid dar.
In einer weiteren Ausführungsform dieser Erfindung ist wenigstens eine nicht selbstverzehrende Elektrode in dem ESCH-System integriert. Die Hauptfunktion der nicht selbstverzehrenden Elektrode ist es, als ein elektrischer Stromleiter zu dienen, der gewünschte Orte innerhalb des ESCH-Systems mit Energie und Wärme versorgt. Gewöhnlich arbeitet die nicht selbstverzehrende Elektrode sehr effektiv als eine zweite Heizquelle für die Schlacke.
Die nicht selbstverzehrende Elektrode kann unterschiedliche Formen einnehmen. In der in 5 veranschaulichten Ausführungsform ist eine nicht selbstverzehrende Elektrode 100 durch den oberen Abschnitt eines Herdes 102 und einer Blockform 104 gebildet. Diese Abschnitte können in Form einer Ein-Komponenten-Struktur oder in Form von zwei aufgeteilten Abschnitten ausgestaltet sein, wie bereits oben beschrieben. Der Herd und die Form sind durch einen Überlaufdamm 117 voneinander getrennt. Die nicht selbstverzehrende Elektrode 100 kann über eine Leitung 108 an eine Stromquelle 106 angeschlossen sein. (Ein Stromleiter 105 leitet Heizstrom von einer Energieversorgung 107 zu einer selbstverzehrenden Elektrode 109 in der im Zusammenhang mit 2 beschriebenen Weise).
Die nicht selbstverzehrende Elektrode steht mit einer Schlacke 110 in Berührung und führt der Schlacke thermische Energie der gewünschten Stärke durch Anpassung der Spannung an der Energieversorgung 106 (und jeder beliebigen zusätzlichen Energieversorgung) zu. Ein Isolator 112 wird dazu verwendet, um die nicht selbstverzehrende Elektrode 100 von den unteren Abschnitten 114, 116 des Herdes 102 bzw. der Form 104 elektrisch zu trennen. Der Isolator kann in unterschiedlichen Formen ausgebildet sein, bspw. in Form von Schichten aus einem hitzebeständigen Material, das im Allgemeinen (elektrisch) nichtleitend ist. Geeignete Isolatoren enthalten Keramik sowie Materialien auf Mineralbasis, wie bspw. Glimmer oder Asbest. Außerdem sind unterschiedliche Energieversorgungssysteme möglich, bspw. eine einzelne Energieversorgung anstelle von zwei. (Merkmale, die in 5 nicht besonders bezeichnet sind, sind im Allgemeinen mit denjenigen in anderen Ausführungsformen, bspw. derjenigen nach 2, identisch).
In einer alternativen Ausführungsform kann die nicht selbstverzehrende Elektrode in Form einer gesonderten Platte oder eines gesonderten Rahmens, d.h. von dem Schmelztiegel getrennt, ausgebildet sein, wie dies in den 6 und 7 veranschaulicht ist. (Diese Figuren bilden den für die Beschreibung dieser Ausführungsform relevanten Abschnitt des ESCH-Systems ab). Ein derartiger Rahmen ist gewöhnlich aus einem elektrisch leitenden Material, bspw. aus Graphit oder Kupfer, gebildet. Das leitende Material kann mit einem feuerfesten Material, bspw. Wolfram oder Molybdän, überzogen oder bedeckt sein, um es vor einer möglichen Beeinträchtigung in der Schlacke zu schützen. Der Rahmen kann ebenfalls in unterschiedlichen Formen gestaltet sein, was zum Teil von dem bestimmten ESCH-System abhängt, das verwendet wird.
In 6 ist der Rahmen (die nicht selbstverzehrende Elektrode) 130 mit Blickrichtung von oben dargestellt und ersichtlich durch zwei Ringe 132 und 134 gebildet. Wie in der Seitenansicht nach 7 dargestellt, weist der Ring 132 einen Durchmesser auf, der ausreichend ist, um die selbstverzehrende Elektrode (die Speiseelektrode) 136 zu umgeben. Der Ring 134 hat einen ausreichenden Durchmesser, um das zu bildende „Produkt", d.h. einen Block 138, zu umschließen. (Der Ring 134 ist physisch oberhalb des Blocks angeordnet, wie in der Figur dargestellt. Deshalb braucht der Ring nicht offen zu sein. Er kann bspw. in Form einer runden Vollscheibe ausgebildet sein. Ein Vorteil des offenen Rings besteht jedoch darin, dass sich kein Material oberhalb des Blocks 138 befindet, der in den Block herunterfallen und diesen verunreinigen könnte). Wie bei den anderen Ausführungsformen ist eine Blockform 140 von einem Herd 142 seitlich versetzt angeordnet, so dass jegliche Einschlüsse oder sonstige Fremdkörper, die von der Elektrode 136 abschmelzen, nicht unmittelbar in die Blockform hineinfallen. Die Blockform 140 und der Herd 142 sind durch einen Überlaufdamm 144 voneinander getrennt, wie dies vorstehend beschrieben ist.
Wie in 7 dargestellt, steht der untere Abschnitt 146 des Rahmens 130 (d.h. der nicht selbstverzehrenden Elektrode) mit einer Schlacke 148 in Kontakt. Die Schlacke befindet sich auf der Oberseite eines flüssigen Metalls 150, das durch die Schmelzelektrode gebildet wird. In dieser Ausführungsform trennt ein Ringraum 152 die nicht selbstverzehrende Elektrode 130 von der Blockform 140 und dem Herd 142. Deshalb ist ein Isolator nicht erforderlich. Wie in 6 veranschaulicht, wird elektrische Energie zu der nicht selbstverzehrenden Elektrode durch einen Stromleiter 154 zugeführt, der an eine (nicht veranschaulichte) Energiequelle angeschlossen ist.
Es sind viele Abänderungen in Bezug auf die Struktur und die Lage der nicht selbstverzehrenden Elektrode möglich. Beispielsweise kann der Rahmen 130 im Wesentlichen rechteckig oder mit einer unregelmäßigen Form ausgestaltet sein. Außerdem kann die nicht selbstverzehrende Elektrode viele Berührungsstellen mit der Schlacke gemeinsam aufweisen, bspw. durch eine Anzahl von Elektroden, die nach unten vor und in die Schlacke hinein ragen. Ferner können mehrere nicht selbstverzehrende Elektroden eingesetzt werden, von denen jede mit einem gesonderten Stromleiter und/oder mit einer gesonderten Energiequelle verbunden ist. Die vielfältigen nicht selbstverzehrenden Elektroden können derart positioniert sein, um an mehreren unterschiedlichen Stellen mit der Schlacke in Kontakt zu stehen, um eine gleichmäßige Erhitzung und einen wirksamen Energieeinsatz zu verbessern.
Die Verwendung einer nicht selbstverzehrenden Elektrode, wie in 7, ermöglicht es, thermische Energie relativ nahe an dem oberen Abschnitt des Blocks 138 zu konzentrieren. Auf diese Weise kann die Hitze an der Außenumfangsfläche des Blocks konzentriert werden. Die konzentrierte Hitze kann eine verhältnismäßig glatte Außenfläche mit wenigen oder keinen „Falten" in dem Oberflächenbereich ergeben. Eine Verbesserung der Oberflächenregion durch dieses Merkmal kann zusätzliche Verarbeitungsschritte beseitigen. Beispielsweise kann es möglich sein, mühsame Schritte maschineller Bearbeitung oder erneuter Umschmelzung, die das Produktmaterial verzehren können, zu reduzieren oder zu eliminieren.
Ein nicht ausschließliches Beispiel einer nicht selbstverzehrenden Elektrode einer weiteren Art ist in der US-Patentschrift 4,185,682 (Ksendzyk et al) angegeben, die hier diesbezüglich durch Bezugnahme ausdrücklich mit aufgenommen ist. In dieser Offenbarung ist die Bodenplatte einer Elektroschlacke-Form mit einer Energiequelle verbunden. Eine obere Hülse, die Teil der Formwand bildet, ist ebenfalls an die Energiequelle angeschlossen, wodurch der Stromkreis geschlossen ist. (Die Hülse ist von anderen Bereichen der Form isoliert). Die obere Hülse und die Bodenplatte dienen als ein Paar nicht selbstverzehrender Elektroden. Diejenigen, die ein gewöhnliches Fachwissen haben, können eine derartige Anordnung basierend auf der hier angegeben Lehre für eine Verwendung im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ohne weiteres anpassen.
In einigen Ausführungsformen kann die nicht selbstverzehrende Elektrode gehoben oder gesenkt werden, um die Tiefe zu verändern, bis zu der die Elektrode in der Schlacke eingetaucht ist. Dieses Merkmal kann angesichts der Tatsache, dass sich eine Steuerung der Spannung in dem ESCH-System aufgrund der Schlackentemperatur, der Herdgeometrie und dergleichen schwierig gestalten kann, häufig von Wichtigkeit sein. Eine Veränderung der Eintauchtiefe ermöglicht eine direkte Steuerung der Stromkreisimpedanz, d.h. des Widerstandes. Wenn dieser Mechanismus mit einer Steuerung des elektrischen Stromes für das ESCH-System gekoppelt wird, kann die Schlackentemperatur auf eine wirksame Weise überwacht und angepasst werden.
Es sind viele Techniken zur Anhebung und Absenkung der nicht selbstverzehrenden Elektrode verfügbar. Eine vertikale Bewegung der nicht selbstverzehrenden Elektrode 130 nach 6 und 7 kann bspw. durch jede beliebige herkömmliche Hebevorrichtung gesteuert sein. Ein beispielhafter Mechanismus ist in der in Bezug genommenen Ksendzyk-Patentschrift veranschaulicht, in der ein Hebemechanismus mit einem Antriebsschlitten mit der nicht selbstverzehrenden Elektrode verbunden ist. Der Antriebsschlitten kann auf einer vertikalen Säule bewegbar gelagert sein.
Ein Beispiel eines möglichen Mechanismus ist in 8 dargestellt, die im Wesentlichen einen Abschnitt eines ESCH-Systems (im Querschnitt) veranschaulicht. Eine nicht selbstverzehrende Elektrode 170 ist an einem servoangetriebenen Kolben 172 montiert. Der Kolben 172 wird durch einen Motor 174 in eine der durch die Pfeile angezeigten Richtungen in Bewegung gesetzt. Der Motor kann durch eine beliebige geeignete Quelle mit Energie versorgt sein. Die Impedanz des Überwachungssystems ermöglicht eine Steuerung des Eintauchens der nicht selbstverzehrenden Elektrode 170 in eine Schlacke 176. (Falls mehrere nicht selbstverzehrende Elektroden eingesetzt werden, kann die Bewegung einer jeden Elektrode durch einen ähnlichen Mechanismus gesteuert sein).
Wie vorstehend erwähnt, betrifft eine weitere Ausführungsform dieser Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von Spezialmetallen, wie Titan und Titanlegierungen. Während diese Ausführungsform bestimmte erfindungsgemäße Merkmale, die oben beschrieben sind, enthält, sind bei den verbleibenden Merkmalen des Produktionssystems viele Veränderungen möglich. 9 zeigt ein nicht ausschließliches Beispiel einer Produktionsvorrichtung, die zur Ausführung der vorliegenden Erfindung geeignet ist. Im Allgemeinen sind Systeme dieser Art insofern elektrolytischer Natur, als das gewünschte Metall aus Salzen des Metalls elektrochemisch extrahiert wird. (Verwandte Verbindungen können ebenfalls verwendet werden, wie z.B. Hydrate). Die US-Patentschrift 6,074,545 (Ginatta), die oben erwähnt und hier durch Bezugnahme ausdrücklich mit aufgenommen ist, zeigt ein Beispiel eines elektrolytischen Prozesses. In einem derartigen Prozess wird Titan durch die elektrolytische Reduktion von Titantetrachlorid zu Chlor und Titanmetall in dem flüssigen Zustand gewonnen.
Das System nach 9 enthält einen Herd 200, der ähnlich den vorstehend beschriebenen ausgestaltet, bspw. mit einer Metallwand und Wasserkühlung versehen sein kann. Eine Schlackenschicht 202 befindet sich in dem oberen Abschnitt des Herdes und dient als der Elektrolyt in dem System. Wie bei den anderen Ausführungsformen hängt die Zusammensetzung der Schlacke zum Teil von dem Metall ab, das erzeugt wird. Gewöhnlich weist die Schlacke wenigstens ein Calciumhalogenid und kann auch Calciummetall enthalten.
Wenigstens eine Rohstoffquelle steht mit dem Herd in Verbindung. Beispielsweise kann ein Beschickungssystem 204 ein Ausgangsmaterial 205 zu dem Herd in einem flüssigen oder einem festen Zustand liefern. Es kann eine breite Vielfalt herkömmlicher Beschickungsmechanismen eingesetzt werden, wobei die Art zum Teil von der Art und Form des Ausgangsmaterials (bspw. seinem Aggregatzustand) abhängt.
Wie in der Ginatta-Patentschrift beschrieben, gehören zu gewöhnlichen Ausgangsmaterialen für Titan TiCl₄, TiF₃, TiBr₄, TiI₄, TiC. Diese Verbindungen, die im flüssigen oder gasförmigen Zustand (z.B. TiCl₄) zugeführt werden können, können in das System über einen geeigneten Verbindungsgang, bspw. eine Art einer Rohrleitung 206, die an eine Gas-/Flüssigkeitsquelle 208 angeschlossen ist, eingeleitet werden. Einige der Verbindungen befinden sich bei erhöhten Temperaturen, bspw. bei ungefähr 137° C im Falle von TiCl₄, im Gaszustand. Bei Raumtemperatur können die Verbindungen jedoch Flüssigkeiten sein, die durch eine Dosierpumpe auf passende Weise gehandhabt werden können. Die Flüssigkeit verdampft, wenn sie in die Schlacke/den Elektrolyt eingeleitet wird.
Wie bei den anderen Ausführungsformen ist das elektrolytische System gemäß 9 gewöhnlich innerhalb einer Kammer 209 enthalten. Die Kammer schafft für das System eine inerte Atmosphäre. Das Inertgas kann dazu dienen, den Partialdruck von Stickstoff oberhalb der Schlacke/des Elektrolyts 202 zu steuern. Wenn Ausgangsmaterialien, wie TiCl₄, elektrolytisch reduziert werden, werden Halogenidgase, wie Chlor, erzeugt. Diese Gase können durch jedes beliebige herkömmliche Ableitungssystem abgeführt werden, das in der Figur nicht veranschaulicht ist.
Wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen können vielfältige Techniken dazu verwendet werden, die Schlacke zu erhitzen. In 9 wird die Schlacke/der Elektrolyt 202 mittels eines elektrischen Stroms erhitzt, der einer nicht selbstverzehrenden Elektrode 210 zugeführt wird. In elektrolytischen Systemen dieser Art, d.h. bei denen ein Teil oder der gesamte Rohstoff auf Halogenidbasis gebildet ist, ist der elektrische Strom vorzugsweise (jedoch nicht immer) ein Gleichstrom (DC). Die nicht selbstverzehrende Elektrode 210 ist über einen Stromleiter 214 an eine Stromversorgung 212 angeschlossen. In diesem System fließt der Strom von der Stromversorgung über die Elektrode 210 zu der Schlacke/dem Elektrolyt 202 und dem darunter liegenden flüssigen Metall 232. Anschließend fließt der Strom weiter durch einen Block 233 und eine Bodenplatte 20 und über Stromleiter 226 sowie 228 zurück zu der Stromversorgung. Es sind jedoch viele Abwandlungen in Bezug auf diesen Stromweg möglich.
Die Schlacke 202 wird bei einer Temperatur gehalten, die ausreichend ist, um das gewünschte Metall aus seinem Salz zu extrahieren. Die Schlacke dient ferner dazu, jede feste Fremdkörper, bspw. stickstoffreiche Einschlüsse, wie vorstehend beschrieben, aus dem metallischen Rohstoff aufzulösen. Die spezielle Schlackentemperatur variiert in Abhängigkeit zum Teil von dem Ausgangsmetall oder der Ausgangslegierung. Die Schlacke muss bei einer Temperatur gehalten werden, die wenigstens so hoch ist wie der Schmelzpunkt des Ausgangsmaterials. Wie in der Ginatta-Patentschrift im Zusammenhang mit Systemen beschrieben, die die elektrolytische Erzeugung von Titan umfassen, bestehen thermochemische Vorteile, wenn der Prozess bei einer Temperatur im Bereich des Schmelzpunkts von Titan (bspw. zwischen ungefähr 1650°C und ungefähr 1700°C) durchgeführt wird.
Das elektrolytische System enthält eine Blockform 216. Die Blockform kann hinsichtlich ihrer Gestalt und Zusammensetzung verändert werden, wie dies vorstehend beschrieben worden ist. Sie ist gewöhnlich flüssigkeitsgekühlt. Die Form ist an ihrem unteren Ende mit einem offenen Ende versehen, das, wie in 9 veranschaulicht, in einem unteren Abschnitt 218 endet. Die Bodenplatte 220 kann abgesenkt werden, wenn der wachsende Block 233 erstarrt. Ein Hubmechanismus 222, der durch einen beliebigen geeigneten Motor gesteuert sein kann, kann zu diesem Zweck verwendet werden, wie auch eine Vielfalt unterschiedlicher anderer Mechanismen eingesetzt werden kann.
Wie bei den Ausführungsformen für Metallreinigung ist die Blockform 216 auch hier von dem Herd 200 durch einen Überlaufdamm 230 getrennt. Flüssiges Metall 232 (d.h. das Produkt des elektrolytischen Prozesses) kann von dem Herd 200 über die Oberseite 234 des Dammes hinweg und in die Blockform 216 hinein fließen. Der Damm verhindert in effektiver Weise, dass hochdichte Einschlüsse in die Blockform eindringen, wie dies vorstehend beschrieben worden ist. Die Gestalt und Größe des Überlaufdammes können, wie bei den anderen Ausführungsformen, stark variieren. In der Veranschaulichung nach 9 ist der Überlaufdamm durch den oberen Abschnitt der Wand der Blockform gebildet.
Wie bei den Reinigungsausführungsformen ist die Blockform 216 von dem Herd 200 seitlich versetzt angeordnet. Das Maß, in dem diese Elemente zueinander versetzt sind, kann variieren, solange eine beliebige Speisequelle mit dem Rohstoff, der Verunreinigungen enthalten kann, nicht unmittelbar oberhalb der Form 216 angeordnet ist. Somit wer den Einschlüsse und andere Fremdkörper nicht in die Blockform überführt.
Wie vorstehend beschrieben, kann die Fähigkeit, unerwünschte Stoffe daran zu hindern, in dem erstarrenden Produkt/Block eingebunden zu werden, einen sehr wichtigen Verarbeitungsvorteil darstellen. Im Falle der elektrolytischen Erzeugung von Metall ist das „Versatzmerkmal" besonders vorteilhaft, wenn zusätzlich zu der Gas-/Flüssigkeitsquelle 208 Ausgangsmaterialien 205 eingesetzt werden. Falls bspw. das Material 205 in Form eines festen Rücklaufmetalls ausgebildet ist, das wiederaufbereitet wird, ist die Gefahr, dass Fremdkörper in den Herd 200 eingebracht werden, besonders hoch. Die vorliegende Erfindung trennt auf wirksame Weise diese Körper von dem Metallprodukt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das Elektroschlacke-Kaltherdsystem dazu verwendet werden, um gleichzeitig sowohl ein Metall zu reinigen oder zu verfeinern als auch Neumetall aus einem geeigneten Rohstoff zu erzeugen. Ein beispielhaftes ESCH-System zu diesem Zweck ist in 10 veranschaulicht. (Elemente in der Figur, die mit denjenigen in den vorherigen Figuren gleich sind, sind im Allgemeinen mit den gleichen Elementzeichen versehen). Wie in der Ausführungsform nach 2 enthält das System eine selbstverzehrende Elektrode 34 gemeinsam mit dem darunter angeordneten Herd 35. Der Herd ist von der versetzt liegenden Blockform 36 durch den Überlaufdamm 54 getrennt. Der Herd enthält geschmolzene Schlacke 40, die durch einen Strom erhitzt wird, der von einem Stromleiter 48 durch die selbstverzehrende Elektrode geliefert wird. (Der Strom ist gewöhnlich ein Gleichstrom (DC), kann jedoch auch in dem Wechselstrom-(AC-)Modus mit einem Gleichstro manteil zugeleitet sein, wie dies vorstehend erwähnt ist). Die erhitzte Schlacke veranlasst das untere Ende 33 der Elektrode 34 zu schmelzen, wodurch der Flüssigmetallsumpf 44 gebildet wird.
Das ESCH-System nach 10 enthält ferner wenigstens eine Gas- oder Flüssigkeitsquelle des Rohstoffs 208. Im Falle von Titanlegierungen ist die Quelle häufig ein Halogenidmaterial, bspw. TiCl₄. Wie im Zusammenhang mit anderen Ausführungsformen (9) beschrieben, können diese Ausgangsmaterialien in das System über eine geeignete Rohrleitung 206 eingeleitet werden, die innerhalb der Schlacke 40 endet. Wenn das Speisematerial in die Schlacke eindringt, findet elektrolytische Reduktion des Ausgangsrohstoffs statt, während sich das geschmolzene Erzeugnis in dem Herd als Teil des Metallsumpfs 44 ansammelt. Somit wird der Metallsumpf sowohl durch das Produkt der elektrolytischen Reaktion als auch durch das Schmelzen der Elektrode 34 „gespeist". Die Zusammensetzung jeder Materialquelle (Elektrode 34 und Rohstoff 208) kann variieren, um die spezielle Legierung zu erhalten, die erwünscht ist. Außerdem kann das ESCH-System nach 10 ferner eine gesonderte Quelle mit einem Metallausgangsmaterial enthalten, bspw. eine Quelle, die Rücklaufmetall oder Neuetallmaterial über eine beliebige geeignete Beschickungsstation zuführt, wie dies im Zusammenhang mit 4 beschrieben ist. Diese Speisequelle kann anstelle oder zusätzlich zu der Elektrodenquelle 34 verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung ist im Zusammenhang mit bestimmten Ausführungsformen beschrieben worden. Es ist jedoch nicht die Absicht, die Erfindung auf die obige Beschreibung zu beschränken. Demgemäß erschließen sich einem Fachkundigem viele unterschiedliche Abwandlungen, Anpassungen und Alternativen, ohne von dem Gegenstand und dem Schutzumfang des beanspruchten erfindungsgemäßen Konzeptes abzuweichen. Sämtliche Patentschriften, Artikel und Texte, die vorstehend erwähnt worden sind, sind hier durch Bezugnahme ausdrücklich mit aufgenommen.
Es ist hier ein Elektroschlacke-Kaltherd- (ESCH-, Electroslag-Cold Hearth-) System zur Reinigung oder Erzeugung eines gewünschten Metalls oder einer gewünschten Metalllegierung beschrieben. Das System enthält wenigstens ein Kaltherdgefäß 35, das in der Lage ist, einen geschmolzenen flüssigen Metallsumpf 44 sowie eine darüber liegende Schlackenschicht 40 aufzunehmen, sowie eine Blockform 36, die von dem Kaltherd 35 seitlich versetzt liegt. Eine Rohstoffquelle, bspw. eine Speiseelektrode 34, ist oberhalb des Kaltherdes 35 angeordnet und wird in einem Reinigungsvorgang in die geschmolzene Schlacke 40 eingeführt. Ein Überlaufdamm 54 trennt die Blockform 36 von dem Kaltherd 35 und verhindert den Fluss von Einschlüssen und sonstigen Fremdkörpern in die Blockform. In einigen Beispielen führt eine nicht selbstverzehrende Elektrode der Schlacke zusätzliche thermische Energie zu. In dem Produktionsvorgang kann die Metallquelle in Form eines Salzes gebildet sein, aus dem das gewünschte Metall elektrochemisch extrahiert werden kann. Es sind auch damit verbundene Verfahren zur Reinigung oder Erzeugung von Metallen, bspw. Titanlegierungen beschrieben.

2: Elektroschlacke-Schmelzsystem
3: Energiequelle
4: Elektrode
5: Stromkreis
6: Blockform
8: Elektrodentragsäule
10: flüssige Schlackenschicht
12: Produktblock
14: Plattform
16: flüssiger Metallsumpf
18: Pfannenbär/-rest
29: Strebe
31: Elektrodenantrieb
32: Kammer
33: unterer Abschnitt der Elektrode 34
34: selbstverzehrende/abschmelzende Elektrode
35: Kaltherdgefäß
36: Blockform
37: Herdwand
39: unterer Abschnitt
40: geschmolzene Schlacke
41: Schlackenbär
42: Block
43: Innenfläche des Herdes
44: flüssiger Metallsumpf
46: Energieversorgung
48: Stromleiter
49: Stange
50: Stromleiter
52: Bodenplatte für den Block
53: Hubmechanismus
54: Überlaufdamm
55: Wandabschnitt der Blockform 36
56: Hubmechanismus
57: Oberseite des Damms
58: Kanal
59: Motor
74: selbstverzehrende Elektrode
76: festes Metall
85: Herd
86: Blockform
87: Beschickungsstation
100: nicht selbstverzehrende Elektrode
102: Kaltherdgefäß
104: Blockform
105: Stromleiter
106: Stromversorgung
108: Stromleiter
109: selbstverzehrende Elektrode
110: Schlacke
112: Isolator
114: unterer Abschnitt des Herdes
116: unterer Abschnitt der Blockform
117: Überlaufdamm
130: Rahmen/nicht selbstverzehrende Elektrode
132: Ring
134: Ring
136: Elektrode
138: Block
140: Blockform
142: Herd
144: Überlaufdamm
146: unterer Abschnitt des Rahmens 130
148: Schlacke
150: flüssiges Metall
152: Luftzwischenraum
154: Stromleiter
170: nicht selbstverzehrende Elektrode
172: servobetätigter Kolben
174: Motor
176: Schlacke
200: Kaltherdgefäß
202: Schlacke/Elektrolyt
204: Beschickungssystem
205: Metallausgangsmaterial
206: Verbindungsgang/Rohrleitung
208: Gas-/Flüssigkeitsquelle des Metalls
209: Kammer
210: nicht selbstverzehrende Elektrode
212: Energieversorgung
214: Stromleiter
216: Blockform
218: unterer Abschnitt des Zylinders
220: Bodenplatte
222: Hubmechanismus
224: Motor
226: Stromleiter
228: Stromleiter
230: Überlaufdamm
232: flüssiges Metall
233: Block
234: Oberseite des Damms

Claims

Elektroschlacke-Kaltherdsystem zur Reinigung oder Erzeugung eines Metalls, wobei das System die folgenden Elemente aufweist: a) wenigstens ein Kaltherdgefäß (35) zur Schmelzung und Aufnahme eines Sumpfs eines geschmolzenen flüssigen Metalls (44); b) eine flüssige Schlackenschicht (40), die zum Teil oberhalb des Kaltherdgefäßes (35) angeordnet ist; c) wenigstens eine Quelle des Metalls (34), die oberhalb der flüssigen Schlackenschicht (40) angeordnet ist; d) eine Blockform (36) zur Aufnahme des geschmolzenen Metalls aus dem Schmelzmetallsumpf (44), wobei die Blockform von der Quelle des Metalls (34) seitlich versetzt und unterhalb eines Abschnitts der Schlackenschicht (40) angeordnet ist; e) wenigstens eine Energieversorgung (46) zur elektrischen Beheizung der Schlackenschicht (40) und f) ein Überlaufdamm (54), der das Kaltherdgefäß (35) von der Blockform (36) trennt.
Elektroschlacke-Kaltherdsystem nach Anspruch 1, wobei die Metallquelle (34) eine selbstverzehrende Elektrode aus dem Metall aufwiest.
System nach Anspruch 1, wobei die Metallquelle wenigstens entweder Metallausschuss und/oder Metallschwammmaterial aufweist.
System nach Anspruch 1, wobei der Überlaufdamm (54) eine Wand aufweist, die eine Strömung des flüssigen Metalls (44) in die Blockform (36) ermöglicht, jedoch einen Durchfluss von Einschlüssen in die Blockform im Wesentlichen verhindert.
System nach Anspruch 1, wobei die Energieversorgung (46) ein elektrisches Versorgungsmittel aufweist, das dazu eingerichtet ist, der selbstverzehrenden Elektrode (34) und über die flüssige Schlackenschicht (40) zu dem Kaltherdgefäß (35) Strom zuzuführen, wodurch die Schlacke in einem geschmolzenem Zustand gehalten wird, während das Ende (33) der Elektrode (34), das mit der Schlacke (40) in Kontakt steht, geschmolzen wird.
System nach Anspruch 1, das ferner wenigstens eine nicht selbstverzehrende Elektrode (100) enthält, die mit der Schlackenschicht (110) in Kontakt steht.
System nach Anspruch 6, wobei die nicht selbstverzehrende Elektrode (100) einen oberen Abschnitt des Kaltherdgefäßes (102) und der Blockform (104) aufweist, der von dem unteren Abschnitt des Kaltherdgefäßes und der Blockform durch einen Isolator (112) getrennt ist.
System nach Anspruch 1, wobei das Metall wenigstens ein Element aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Titan, Nickel, Aluminium, Zinn, Antimon, Beryllium, Bor, Gallium, Molybdän, Niob, Tantal, Thor, Zirkonium, Vanadium, Iridium, Osmium, Rhenium, Uran und Seltenerdeelemente umfasst.
System nach Anspruch 1, wobei das Metall Titan oder eine Titanlegierung aufweist.
System nach Anspruch 1 zur elektrolytischen Erzeugung eines Metalls, wobei wenigstens ein Teil der Metallquelle der Komponente (c) wenigstens eine Verbindung aufweist, aus der das Metall elektrochemisch extrahiert werden kann.
System nach Anspruch 10, wobei der Teil der Metallquelle sich im flüssigen oder gasförmigen Zustand befindet und eine Gas-/Flüssigkeitsquelle (208) für den Teil der Metallquelle mit der flüssigen Schlackenschicht (202) über einen Verbindungsgang (206) strömungsmäßig in Verbindung steht.
Elektroschlacke-Kaltherdsystem zur Reinigung oder Erzeugung eines Metalls oder einer Metalllegierung, wobei das System wenigstens ein Kaltherdgefäß (35), das in der Lage ist, einen Flüssigmetallsumpf (44) und eine darüber liegende Schlackenschicht (40) aufzunehmen, und eine Blockform (36) aufweist, die mit dem Kaltherd (35) durch einen Überlaufdamm (54) strömungsmäßig verbunden ist, der dem flüssigen Metall (44) ermöglicht, aus dem Herd (35) zu der Blockform (36) zu strömen, während ein Durchfluss von Einschlüssen zu der Blockform im Wesentlichen verhindert wird, wobei eine Quelle (34) des Rohmaterials, die oberhalb des Kaltherdes (35) angeordnet ist, seitlich versetzt in Bezug auf die Blockform (36) angeordnet ist.
Elektroschlacke-Kaltherdsystem zur Reinigung von Titan oder einer Titanlegierung, das die folgenden Elemente aufweist: (I) ein Kaltherdgefäß (102) zur Schmelzung und Aufnahme eines Sumpfs eines geschmolzenen flüssigen Titans oder einer geschmolzenen flüssigen Titanlegierung; (II) eine flüssige Schlackenschicht (110) auf Calciumbasis, die zum Teil oberhalb des Kaltherdgefäßes (102) angeordnet ist; (III) eine selbstverzehrende Elektrode (109) aus dem Titan oder der Titanlegierung, die oberhalb der flüssigen Schlackenschicht (110) angeordnet ist. (IV) eine Blockform (104) zur Aufnahme des geschmolzenen Titans oder der geschmolzenen Titanlegierung, wobei die Blockform in Bezug auf die selbstverzehrende Elektrode (109) seitlich versetzt und unterhalb eines Abschnitts der Schlackenschicht (110) angeordnet ist; (V) eine Energieversorgung (106) zur elektrischen Beheizung der Schlackenschicht (110); (VI) einen Überlaufdamm, der das Kaltherdgefäß (102) von der Blockform (104) trennt; und (VII) eine elektrisch leitende nicht selbstverzehrende Elektrode (100), die mit der Schlackenschicht (110) in Kontakt steht und in der Lage ist, der Schlackenschicht zusätzliche thermische Energie zuzuführen.
Elektroschlacke-Kaltherdsystem zur elektrischen Erzeugung von Titan oder einer Titanlegierung, wobei das System die folgenden Elemente aufweist: (A) ein Kaltherdgefäß (200) zum Schmelzen und Halten eines Sumpfs (232) eines geschmolzenen flüssigen Titans oder einer Titanlegierung; (B) eine flüssige Schlackenschicht (202) auf Calciumbasis, die zum Teil oberhalb des Kaltherdgefäßes (200) angeordnet ist; (C) eine Quelle (208), die dazu dient, wenigstens ein Titansalz im flüssigen oder gasförmigen Zustand zu enthalten, wobei das Salz elektrochemisch zu dem Titan oder der Titanlegierung reduziert werden kann, wenn es in die flüssige Schlackenschicht (202) eingebracht wird; (D) eine Blockform (216) zur Aufnahme des geschmolzenen Titans oder der geschmolzenen Titanlegierung, wobei die Blockform in Bezug auf das Kaltherdgefäß (200) seitlich versetzt angeordnet ist und mit diesem strömungsmäßig verbunden ist; (E) eine Energieversorgung (212) zur elektrischen Beheizung der Schlackenschicht (202); (F) einen Überlaufdamm (230), der das Kaltherdgefäß (200) von der Blockform (216) trennt; und (G) eine elektrisch leitende Elektrode nicht selbstverzehrende (210), die mit der Schlackenschicht (202) in Kontakt steht und in der Lage ist, der Schlackenschicht zusätzliche thermische Energie zuzuführen.
Elektroschlacke-Kaltherdsystem nach Anspruch 14, das ferner eine selbstverzehrende Elektrode (34) aufweist, die aus Titan oder einer Titanlegierung gebildet ist und derart angeordnet ist, dass sie abgesenkt werden kann, um mit der Schlackenschicht (40) in Berührung zu treten, um eine Reinigung des Titans oder der Titanlegierung zu ermöglichen, während zusätzliches Titanmaterial oder Titanlegierungsmaterial entsprechend dem Element (C) elektrolytisch erzeugt wird.
Verfahren zur Reinigung eines Metalls in einem Elektroschlacke-Kaltherdsystem, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: (I) Schmelzen einer Quelle des Metalls (34), um einen Schmelzmetallsumpf (44) zu bilden, indem die Quelle mit einer darunter liegenden geschmolzenen Schlackenschicht (40), die in einem Kaltherdgefäß (35) enthalten ist, in Kontakt gebracht wird; (II) Leiten des Schmelzmetallsumpfs (44) von dem Kaltherdgefäß (35) und über einen Überlaufdamm (54) zu einer Blockform (36/216), die in Bezug auf die Quelle des Metalls (34) seitlich versetzt angeordnet ist; und (III) Abkühlung und Erstarrung des Metalls.
Verfahren zur Erzeugung eines Metalls aus wenigstens einer Rohstoffquelle (208) des Metalls, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist, wonach: (A) die Metallquelle (208) mit einer Zusammensetzung, die einen geschmolzenen Elektrolyt in einem Kaltherdgefäß (200) aufweist, derart zu einer elektrolytischen Reaktion gebracht wird, um das Metall aus der Metallquelle (208) zu extrahieren, wobei das extrahierte Metall in dem Kaltherd unterhalb des geschmolzenen Elektrolyts (202) verbleibt; und anschließend (B) das geschmolzene Metall aus dem Kaltherdgefäß (200) und über einen Überlaufdamm (230) zu einer Blockform (216) geleitet wird, die zu der Quelle (208) des Metalls seitlich versetzt liegt.