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Verfahren zum Schmelzen und Gießen im Hochvakuum Die Erfindung bezieht
sich auf Elektronenstrahlöfen zum Schmelzen und Gießen von Materialien im Hochvakuum.
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Hochvakuum-Schmelz- und Gießvorgänge werden vorzugsweise mittels Erhitzung
durch Elektronenbeschuß durchgeführt, um erstens das untere Ende einer Verbrauchselektrode
aus dem Schmelzgut abzuschmelzen und um zweitens einen Schmelzsumpf des Materials
innerhalb des oberen Teils einer Gußform aufrechtzuerhalten.
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Zu diesem Zweck sind Elektronenstrahlöfen mit einer Elektronenemissionsvorrichtung
(Strahlerzeuger) bekannt, bei denen das untere Ende der Verbrauchselektrode nahe
oberhalb des offenen Oberteils der Schmelzform angebracht ist. Der aus einer ringförmigen
Kathode und einer Fokussierungseinrichtung bestehende Strahlerzeuger liefert dabei
die Elektronen zur Beschießung sowohl der Verbrauchselektrode als auch des Schmelzsumpfes
in der Gußform.
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Ferner sind Elektronenstrahlöfen mit zwei Elektronenemissionsvorrichtungen
bzw. Strahlerzeugern bekannt, bei denen ein größerer Zwischenraum zwischen der Verbrauchselektrode
und der Gußform vorgesehen ist und bei denen der eine Strahlerzeuger zur Beschießung
und Abschmelzung der Verbrauchselektrode und der zweite Strahlerzeuger zur Beschießung
und Aufrechterhaltung des Schmelzsumpfes im oberen Teil der Gußform dient.
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Bei einer bekannten Ausführungsform dieser Bauart findet zur Konzentrierung
des Elektronenstrahls auf die geschmolzene Oberfläche des Schmelzgutes ein Strahlerzeuger
mit einer scheibenförmigen, indirekt geheizten Kathode Verwendung, die von einem
rohrförmigen Abschirmmantel mit am Boden einwärts gerichtetem Ringflansch umgeben
ist, der als Fokussierungselektrode wirkt.
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Die Elektronenstrahlofenbauart mit einem Strahlerzeuger hat sich gegenüber
der Bauart mit zwei Strahlerzeugern als günstiger erwiesen, da bei letzterer durch
den größeren Zwischenraum zwischen den beiden erhitzten Körpern Wärmeverluste auftreten,
die zum Schmelzen und Gießen der gleichen Materialmenge bis zu 25% an elektrischer
Mehrenergie erfordern. Der wesentlich geringere Abstand zwischen der Verbaruchselektrode
und dem Schmelzsumpf bei der Bauart mit einem Strahlerzeuger vermindert jedoch nicht
nur die Wärmeverluste, sondern setzt auch das durch Eintropfen von geschmolzenem
Material in dem Schmelzsumpf verursachte Verspritzen beträchtlich herab. Bei dieser
Bauart treten jedoch Schwierigkeiten auf, wenn die Abmessungen und die Schmelzgeschwindigkeiten
erhöht werden und insbesondere dann, wenn als Schmelzgut unreines, beim Schmelzen
große Mengen an gasförmigen Stoffen entwickelndes Material verwendet wird. Die entwickelten
Gase werden ionisiert und die Gasfokussierung des Elektronenstrahls verursacht eine
bevorzugte Beschießung der heißesten Anodenzone, welche die größte Gasmenge entwickelt.
Dies kann zu einer Überhitzung und einer übermäßigen Beschießung des Schmelzgutes
gegenüber dem Schmelzsumpf führen; der Strahl kann in das Schmelzgut Kanäle einschneiden
oder an den Seiten der Verbrauchselektrode aufsteigen. In extremen Fällen kann die
Ablenkung des Strahls vom Schmelzsumpf in der Gußform ein Erstarren des Sumpfes
verursachen. Diese Schwierigkeiten machten es bislang im allgemeinen erforderlich,
zum erstmaligen Schmelzen von stark verunreinigten Materialien die Anordnung mit
zwei Strahlerzeugern anzuwenden, und beschränkten bis zu einem gewissen Grad die
maximalen praktischen Schmelzgeschwindigkeiten und die Durchmesser der Verbrauchselektrode
und des Gußblocks.
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Die Erfindung schafft hier Abhilfe und zeichnet sich dadurch aus,
daß die von der ringförmigen Kathode emittierten Elektronen durch einen koaxial
zur Kathode zwischen dieser und dem Schmelzgut angeordneten Teil der Fokussierungselektrode
daran gehindert werden, sich von der Kathode geradlinig, radial
nach
innen auf das in Stabform vorliegende Schmelzgut zu bewegen, und daß das untere
abschmelzende Ende des Schmelzgutes in einem solch kleinen Abstand vom Schmelzsumpf
gehalten wird, daß es durch Wärmeübergang vom Schmelzsumpf und durch Elektronenbeschuß
kontinuierlich abschmilzt.
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Hierdurch wird ein direkter, geradliniger Elektronenstrom von der
Kathode zum zugeführten Schmelzgut vermieden. Der Elektronenstrom kann lediglich
durch Regeln der Stellung des zugeführten Schmelzgutes relativ zur Kathode kontrolliert
bzw. geregelt werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus den Ansprüchen und
der Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt F i g. 1 einen etwas
schematischen vertikalen Schnitt eines verbesserten Ofens mit einem Strahlerzeuger,
F i g. 2 einen detaillierten horizontalen Querschnitt entlang der Linie 2-2 von
F i g. 1, F i g. 3 einen Teil des gleichen Ofens wie in F i g. 1, dargestellt in
einem etwas größeren Maßstab und eine typische Anordnung der verwendeten Teile zueinander
gemäß einem bevorzugten Startverfahren, worin die Elektronenwege durch Pfeile und
die elektrischen Äquipotentialflächen durch gestrichelte Linien dargestellt sind,
F i g. 4 eine typische Anordnung der Teile zueinander während des Betriebes und
worin der Mantel aus positiven Ionen an der Begrenzung des Plasmas, welches sich
oberhalb des Schmelzsumpfes bildet, durch -- Zeichen angedeutet ist.
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In F i g. 1 ist ein evakuierbares, geschlossenes Gehäuse 1 mit einem
weiten Auslaßkanal 2 versehen, welcher zum Vakuumpumpen entsprechender Leistungsfähigkeit
zur Aufrechterhaltung eines Hochvakuums, (vorzugsweise weniger als 1 Mikron Hg absoluten
Drucks) innerhalb des Gehäuses 1 während der gesamten Betriebszeit des Ofens führt.
In dem Vakuumgehäuse ist eine an den Enden offene ringförmige, wassergekühlte Kupferschmelzform
3 mit ihrer Achse in vertikaler Stellung (wie gezeigt) angeordnet. Durch die Zuleitungsrohre
4 und 5 und den Wassermantel der Form 3 wird kontinuierlich Kühlwasser geleitet.
Wie nachfolgend erklärt wird, wird geschmolzenes Material kontinuierlich in das
offene obere Ende der Form 3 eingebracht, und in dem Maß, wie die Schmelze erstarrt,
der Gußblock 6 kontinuierlich durch -den offenen Boden der Form herausgezogen. Eine
übliche Vakuumdichtung 7 kann vorgesehen werden, und vorzugsweise wird der Block
6 in eine Vakuumschleuse, welche gleichfalls auf Hochvakuum gehalten werden kann,
herausgezogen. Ein Teil der Vakuumschleuse ist bei 8 gezeigt: da sie von üblicher
Form ist, erscheint eine weitere Darstellung oder Beschreibung hiervon nicht erforderlich.
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Die Herstellung dichter lunkerfreier Güsse erfordert, daß ein geeigneter
Schmelzsumpf des Gußmaterials an der Spitze des Gußblockes 6 aufrechterhalten wird.
Dieser Sumpf wird durch kontinuierlichen Elektronenbeschuß, wie nachfolgend beschrieben,
im Schmelzzustand erhalten; er wird in einer Pfanne, die sich an der Spitze des
Gußblockes bildet, gehalten. Die Begrenzung zwischen dem flüssigen Sumpf und dem
erstarrten Gußmaterial ist in der Zeichnung durch die gestrichelte Linie 9 dargestellt.
Durch Abschmelzen des unteren Endes einer Verbrauchselektrode 10 aus Schmelzgut
wird geschmolzenes Material kontinuierlich in das offene obere Ende der Schmelzform
zugeführt. In diesem speziellen Fall ist das Schmelzgut eine Stange von ungefähr
dem gleichen Durchmesser wie der Gußbiock - sie kann nach einem ähnlichen vorangegangenen
Gießprozeß gebildet worden sein und wird nun aus Gründen einer weiteren Reinigung
oder um in anderer Weise die Qualität des Barrens zu verbessern, umgeschmolzen und
neuerlich gegossen. Die Verbrauchselektrode 10 hat ihr freistehendes abzuschmelzendes
unteres Ende in vertikaler Fluchtlinie mit dem offenen oberen Ende der Gußform 3,
so daß das geschmolzene Material beim Abschmelzen der Verbrauchselektrode in die
Gußform tropft. Die Elektrode 10 wird vorzugsweise über eine übliche Luftschleuse
11 eingeführt und, wenn gewünscht, kann auch eine übliche Vakuumdichtung 12 vorgesehen
werden. Die Verbrauchselektrode wird in der mit der Schmelzform vertikal fluchtenden
Lage mittels eines ringförmigen Führungsringes 13 gehalten, welches vorteilhafterweise
durch kontinuierliches Zirkulieren von Kühlwasser über die Leitungen 14 und 15 und
durch den Wassermantel des Führungsringes wassergekühlt sein kann.
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Der Strahlerzeuger besteht in der Hauptsache aus einer ringförmigen
Kathode 16 und einer diese im wesentlichen umgebenden Fokussierungskonstruktion.
Wie es am besten in F i g. 2 gezeigt wird, ist die Kathode 16 vorzugsweise
eine kreisförmige Drahtschleife, gewöhnlich aus Wolfram, verbunden mit den beiden
Leitungen 17 und 18 zur Zuleitung der Heiz- und Emissionsströme. Die
Kathode wird mittels Wechselstromes auf die Emissionstemperatur erhitzt, z. B. mittels
eines zwischen den Leitungen 17 und 18 mit einer Sekundärwindung 19 angeschlossenen
Transformators, welcher eine Primärwindung 20
hat, die an jede geeignete Wechselstromquelle
angeschlossen ist. Die Gußform 3 und die Verbrauchselektrode 10 werden vorzugsweise
durch Verbinden mit dem geerdeten Vakuumgehäuse auf Erdpotential gehalten und die
Kathode mittels des Gleichstromversorgungsteiles 21 auf einem Potential von mehreren
1000 V negativ gegen Erde gehalten.
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Die Fokussierungskonstruktion kann am leichtesten durch gesondertes
Betrachten ihrer einzelnen Teile verstanden werden, auch wenn in der Praxis diese
Teile verschweißt oder anderweitig dauernd verbunden sind oder aus einem einzigen
Metallstück hergestellt werden können. Der am meisten kennzeichnende Teil der Fokussierungskonstruktion
im Hinblick auf die vorliegenden Erfindung ist der Fokussierungszylinder 22, welcher,
wie gezeigt, von etwas geringerem Durchmesser als die ringförmige Kathode 16 ist.
Der Zylinder 22 ist koaxial mit der Kathode 16 und das untere Ende des Fokussierungszylinders
liegt angenähert in gleicher Ebene mit der Kathode. Die genaue Lage vom unteren
Ende des Fokussierungszylinders und der Kathodenfläche zueinander hängt bis zu einem
gewissen Ausmaß von der zu schmelzenden Materialsorte ab: Bei Materialien, welche
verhältnismäßig wenig gasförmige Stoffe entwickeln, ist es vorzuziehen, daß das
Ende des Fokussierungszylinders etwas über der Kathodenfläche liegt, so daß sich
die Kathode in einer etwas freieren Stellung befindet, wodurch das elektrische Feld
leichter Elektronen aus der Kathodenoberfläche
absaugen kann. Mit
Materialien, welche große Mengen an gasförmigen Stoffen entwickeln, kann das Ende
des Fokussierungszylinders etwas unterhalb die Kathodenfläche gebracht werden; dies
schirmt die Kathode in einem beträchtlichen Ausmaß gegen Dämpfe, verspritztes und
zerstäubtes Material ab und erhöht außerordentlich die Lebensdauer der Kathode.
Das verhältnismäßig ausgedehnte Plasma und die reichliche Ionisation, welche eine
heftige Gasentwicklung begleiten, modifizieren die elektrischen Felder derart, daß
von der abgeschirmten Kathode starke Ströme erhalten werden. Im allgemeinen werden
vom unteren Ende des Fokussierungszylinders zur Kathode gezogene Linien die Kathodenfläche
unter einem Winkel von nicht über 45° schneiden. Zum besseren Verständnis werden
zunächst das untere Ende des Fokussierungszylinders und die Kathode als innerhalb
dieses Bereiches ungefähr in gleicher Ebene liegend betrachtet.
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Das untere Ende der Verbrauchselektrode 10 und der Schmelzsumpf im
oberen Teil der Gußform 3 sind beide auf einem mäßig hohen positiven Potential gegenüber
der Kathode 16, so daß die von der Kathode emittierten Elektronen in Richtung des
unteren Endes der Elektrode 10 und des Schmelzsumpfes zur Beschießung und
Erhitzung derselben angezogen werden. Der Fokussierungszylinder 22 verhindert eine
übermäßige Ablenkung des Elektronenstrahls zur Verbrauchselektrode hin und gewährleistet,
daß zumindest der Großteil des Strahls den Schmelzsumpf in der Gußform beschießt
und erhitzt.
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In der dargestellten Ausführungsform befindet sich auch das evakuierbare
Gehäuse 1 auf einem gegenüber der Kathode hohen positiven Potential; es ist deshalb
wünschenswert, daß Mittel vorgesehen werden, um eine nutzlose und unökonomische
Beschießung der Ofenwände durch emittierte Elektronen auf ein Mindestmaß herabzusetzen.
Zu diesem Zweck hat die Fokussierungseinrichtung andere Teile, welche sich vom oberen
Ende des Fokussierungszylinders 22 über, rundherum und unter die Kathode 16 (wie'
gezeigt) erstrecken und einen Ring von innen offenem kanalartigem Querschnitt bilden.
Diese anderen Teile können zweckmäßigerweise eine horizontale obere Fokussierungsplätte
23, eine untere horizontale Fokussierungsplatte 24 und einen mit der Kathode koaxialen
und sie umgebenden äußeren Zylinder 25 umfassen. Alle diese Teile 22, 23, 24 und
25 der Fokussierungseinrichtung sind elektrisch leitend und miteinander verbunden
- tatsächlich können sie aus einem einzigen Metallstück oder aus mehreren miteinander
verschweißten Stücken hergestellt sein -und befinden sich deshalb auf gleichem elektrischem
Potential. Eine Metallstange oder ein Bügel 26 dient zweierlei Zwecken: Zur Unterstützung
der Kathodenhalterung und zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen
der Kathode und der Fokussierungseinrichtung, so daß die Fokussierungseinrichtung
auf Kathodenpotential gehalten wird. Weitere Träger (nicht gezeigt) können in Abständen
rund um die ringförmige Kathode angeordnet sein, um ein übermäßiges Durchhängen
derselben in heißem Zustand zu verhindern. Diese weiteren Stützen müssen jedoch
von der Fokussierungseinrichtung isoliert sein, um ein Kurzschließen des Kathodenheizstroms
zu vermeiden.
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Zusätzlich mag es wünschenswert sein, die Fokussierungseinrichtung
zu kühlen, da ein elektrisches Durchschlagen leichter erfolgt, wenn heiße Bereiche
vorliegen. Zu diesem Zweck ist eine Kühlleitung 27 vorgesehen und an der Fokussierungseinrichtung
hartgelötet oder angeschweißt, um eine gute thermische Leitung mit derselben herzustellen.
Da die Metalleitung 27 auf einem mittelmäßig hohen negativen Potential gegen Erde
steht, ist sie mit einer Kühlwasserquelle über die Leitungen 28 und 29 aus Isoliermaterial
verbunden, und durch diese Leitungen wird ein Kühlwasser geringer elektrischer Leitfähigkeit
geleitet.
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Strahlerzeuger der hier beschriebenen Konstruktion sind ziemlich langlebig;
nichtsdestoweniger ist es gelegentlich erforderlich, die Strahlerzeuger auszuwechseln,
entweder wegen einer übermäßigen Ansammlung von darauf abgelagerten Stoffen oder
um auf einen Strahlerzeuger anderer Konstruktion überzugehen, wenn eine andere Art
von Material zu schmelzen und gießen ist. Zur Erleichterung des Auswechselns des
Strahlerzeugers ist dieser und die dazu führenden Verbindungen in das Vakuumgehäuse
über eine Luftschleuse 30 eingebracht, welche (mit einer Dichtung 31 versehen,
die die Aufrechterhaltung des Vakuums im evakuierten Gehäuse unterstützt) schematisch
dargestellt ist.
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Man kann bemerken, daß die Fokussierungseinrichtung mit Ausnahme eines
ringförmigen Spaltes zwischen dem unteren Ende des Fokussierungszylinders 22 und
dem inneren Ende der Fokussierungsplatte 24 die ringförmige Kathode vollständig
umgibt. Dies schafft einen konischen Elektronenstrahl, welcher einwärts und abwärts
gegen das offene Ende der Gußform gerichtet ist. Nicht nur, daß der Strahl gut fokussiert
ist, ist auch die Kathode weitgehend vor den während des Schmelzprozesses entstehenden
Dämpfen und verspritztem Material geschützt.
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Gleichfalls ist die Kathode in beträchtlichem Maß gegen das zwischen
Anode und Fokussierungseinrichtung bestehende elektrische Feld abgeschirmt; der
Anfangsstrom hat daher die Neigung, infolge der elektronischen Raumladung auf geringe
Werte beschränkt zu werden, und man kann eine gewisse Schwierigkeit bei der Einführung
eines genügend großen Stromflusses zur Ingangsetzung der Schmelzoperation und zur
Bildung des Ionenplasmas, welches die Raumladungsbehinderung während des Vollastarbeitens
überwindet, erwarten.
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Das Startproblem kann durch die in F i g. 3 dargestellte Anlaßmethode
gelöst werden. Ein Stutzen oder Gußblock 6 von festem Material wird in die Gußform
mit seinem oberen Ende ungefähr bis zum oberen Ende der Form eingeführt. Die Verbrauchselektrode
10 wird gesenkt, bis ihr freistehendes unteres Ende sich im wesentlichen unter dem
unteren Ende des Fokussierungszylinders 22 erstreckt. Das untere Ende der Elektrode
10 wirkt dann als Hilfsanode, die das elektrische Feld in der Nähe der Kathode 16
intensiviert und einem wesentlich stärkeren Strom von der Kathode wegzufließen gestattet.
Die tatsächliche Form des Feldes indessen ist derart, daß wenige der Primärelektronen
wirklich die Elektrode 10 treffen - die meisten davon beschießen das obere Ende
des Blockes 6, und die Hitze genügt, um einen Schmelzsumpf im Oberteil der Gußform
zu bilden. Dies ist durch Betrachtung der gestrichelten Linien 32, 33 und 34, die
die Äquipotentialflächen im elektrischen Hochspannungsfeld darstellen, leichter
verständlich. Man wird feststellen, daß das Senken der
Elektrode
10 diese Äquipotentialfiächen nach auswärts gegen die Kathode 16 drückt und dadurch
den Spannungsgradienten an der Kathode verstärkt und die Voraussetzung für den Fluß
eines größeren Emissionsstromes trotz der bestehenden Raurnladungsbegrenzung schafft.
Andererseits ist das Feld in der Nähe der Kathode, wie gezeigt, stark gekrümmt und
dies bündelt die Elektronenwege, dargestellt durch die Pfeile 35, 36 und 37, auf
das obere Ende des Blockstutzens 6.
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Wenn einmal ein Schmelzsumpf am oberen Ende des Blockes 6 sich gebildet
hat, findet ein beträchtlicher Wärmeübergang auf das untere Ende der Verbrauchselektrode
10 statt. Dieser Wärmeübergang kann infolge der Wirkung verschiedener Vorgänge
stattfinden - Strahlung, Sekundärelektronenbeschuß, Gaskonvektion und Konduktion,
Ablenkung des Primärstrahles durch Gasfokussierung u. a. In jedem Fall wird das
untere Ende der Verbrauchselektrode 10 bald zum Schmelzen erhitzt, und wenn das
Metall schmilzt, tropft es in den im oberen Teil der Gußform befindlichen Schmelzsumpf.
Darüber hinaus werden nun in beträchtlichem Maß gasförmige Stoffe entwickelt, welche
ionisieren und über dem Schmelzsumpf ein Plasma bilden.
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Wenn die Vorgänge wie oben beschrieben in Gang gesetzt worden sind,
kann der Block 6 etwas zurückgezogen werden und der Spiegel des Schmelzsumpfes,
wenn gewünscht, bis zu etwa 15 mm unter den oberen Rand der Gußform gesenkt werden.
Während des tatsächlichen Betriebes ist es in Wirklichkeit erwünscht, den Block
6 geringfügig in Intervallen auf und ab schwingen zu lassen und so den Schmelzsumpf
auf und ab zu bewegen. Dies bringt jedes verspritzte Material, welches sich an den
Wandungen der Form angesammelt haben mag, in den Sumpf und erleichtert die Bildung
von Blöcken mit glatterer Oberfläche. Die Verbrauchselektrode 10 kann nun gehoben
werden, so daß ihr unteres Ende über dem unteren Ende des Fokussierungszylinders
ist und gänzlich oberhalb des scheinbaren oberen Randes des Primärelektronenstrahls.
Das Ionenplasma kann den Raum zwischen dem Schmelzsumpf und dem unteren Ende der
Verbrauchselektrode ausfüllen. Dieses Plasma wird umgeben von einem positiven Ionenschirm,
dargestellt durch die +-Zeichen 38, und indem es ein guter Leiter ist, ist das gesamte
Plasma angenähert auf Anodenpotential. Hiervon werden die Äquipotentialflächen des
elektrischen Hochspannungsfeldes durch das Plasma in Richtung der Kathode nach auswärts
gedrückt; zusätzlich wandern positive Ionen vom lonenschirm gegen die Kathode und
Fokussierungseinheit, und diese Ionen neutralisieren zumindest teilweise die elektronische
Raumladung. Als Folge davon dauert ein kräftiger Stromfiuß zwischen der Kathode
und dem Schmelzsumpf an. Das untere Ende der Verbrauchselektrode schmilzt weiter
ab, offensichtlich mehr infolge seiner Nähe zum Schmelzsumpf als infolge direkten
Elektronenbeschusses. Die Schmelzgeschwindigkeit kann durch Heben und Senken der
Elektrode 10 von Zeit zu Zeit wie erforderlich reguliert werden.