DE1170091B

DE1170091B - Process for melting and casting in a high vacuum

Info

Publication number: DE1170091B
Application number: DEST17261A
Authority: DE
Inventors: Charles W Hanks; Hugh R Smith Jun
Original assignee: Stauffer Chemical Co
Current assignee: Stauffer Chemical Co
Priority date: 1959-12-28
Filing date: 1960-12-21
Publication date: 1964-05-14

Description

Verfahren zum Schmelzen und Gießen im Hochvakuum Die Erfindung bezieht sich auf Elektronenstrahlöfen zum Schmelzen und Gießen von Materialien im Hochvakuum.Process for melting and casting in high vacuum The invention relates focus on electron beam furnaces for melting and casting materials in a high vacuum.

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.High vacuum melting and casting operations are preferably carried out by means of heating carried out by electron bombardment, firstly around the lower end of a consumable electrode to melt from the melt and, secondly, to melt a sump of the material maintained within the top of a mold.

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.For this purpose, electron beam furnaces are equipped with an electron emission device (Beam generator) known in which the lower end of the consumption electrode is close is attached above the open top of the melt mold. The one from an annular Cathode and a focusing device provided existing beam generator the electrons for bombarding both the consumable electrode and the melt pool in the mold.

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.Also, there are electron beam ovens with two electron emission devices or beam generators are known in which a larger gap between the consumption electrode and the mold is provided and in which the one beam generator for bombardment and melting the consumable electrode and the second beam generator for bombardment and maintaining the puddle in the upper part of the mold.

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.In a known embodiment of this type of construction takes place for concentration of the electron beam on the molten surface of the molten material, a beam generator with a disc-shaped, indirectly heated cathode using that of a tubular shielding jacket surrounded by an inwardly directed annular flange at the bottom acting as a focusing electrode.

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.The electron beam furnace design with a beam generator has opposite the design with two beam generators proved to be more favorable, since the latter through heat losses occur in the larger space between the two heated bodies, those for melting and casting the same amount of material up to 25% of electrical Require more energy. The much smaller distance between the consumable electrode and the puddle of the jet generator type does not decrease only the heat loss, but also that by dripping in molten material Splashing caused material in the melt puddle down considerably. At this However, construction difficulties arise when the dimensions and the melting speeds be increased and especially when the melting material is impure, when melting Material which evolves large amounts of gaseous substances is used. The developed Gases become ionized and the gas focusing of the electron beam causes one preferential bombardment of the hottest anode zone, which develops the greatest amount of gas. This can lead to overheating and excessive bombardment of the material to be melted lead towards the melt pool; the jet can cut channels into the melted material or climb up the sides of the consumable electrode. In extreme cases, the Deflection of the jet from the melt sump in the mold causes the sump to solidify cause. These difficulties have so far generally made it necessary to for the first melting of heavily contaminated materials the arrangement with to use two jet generators, and to some extent limited the maximum practical melting rates and the diameters of the consumable electrode and the ingot.

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.The invention provides a remedy here and is characterized by that the electrons emitted from the annular cathode through a coaxial to the cathode between this and the melting material arranged part of the focusing electrode be prevented from being rectilinear, radial, from the cathode after to move inside on the melt material present in the form of a rod, and that the lower melting end of the melt material at such a small distance from the melt sump is kept that it is through heat transfer from the melt pool and electron bombardment melts continuously.

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.This creates a direct, straight stream of electrons from the Cathode to the supplied melt material avoided. The electron stream can only controlled by regulating the position of the supplied melt material relative to the cathode or regulated.

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.Further features and advantages emerge from the claims and the description in connection with the drawing. It shows F i g. 1 something schematic vertical section of an improved furnace with a jet generator, F i g. FIG. 2 is a detailed horizontal cross-section taken along line 2-2 of FIG F i g. 1, Fig. 3 part of the same furnace as in FIG. 1, shown in a slightly larger scale and a typical arrangement of the parts used in relation to one another according to a preferred starting method, wherein the electron paths are indicated by arrows and the electrical equipotential surfaces are shown by dashed lines, F i g. 4 shows a typical arrangement of the parts in relation to one another during operation and wherein the jacket of positive ions at the boundary of the plasma that is forms above the melting sump, indicated by - signs.

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.In Fig. 1 is an evacuable, closed housing 1 with a wide outlet channel 2 provided, which for vacuum pumping corresponding performance to maintain a high vacuum, (preferably less than 1 micron Hg absolute Pressure) within the housing 1 during the entire operating time of the furnace. In the vacuum housing there is an annular, water-cooled copper melt that is open at the ends 3 with its axis in a vertical position (as shown). Through the supply pipes 4 and 5 and the water jacket of the mold 3, cooling water is continuously fed. As will be explained below, molten material is continuously poured into the open upper end of the mold 3 introduced, and to the extent that the melt solidifies, the ingot 6 continuously pulled out through the open bottom of the mold. One Conventional vacuum seal 7 can be provided, and preferably the block 6 into a vacuum lock, which can also be kept at high vacuum, pulled out. A part of the vacuum lock is shown at 8: as it is of the usual Form, further illustration or description does not appear to be necessary.

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.The production of dense, void-free castings requires that a suitable melt pool of the casting material be maintained at the tip of the ingot 6. This sump is obtained in the molten state by continuous electron bombardment, as described below; it is held in a pan that forms at the top of the ingot. The boundary between the liquid sump and the solidified casting material is shown in the drawing by the dashed line 9. By melting off the lower end of a consumable electrode 10 made of molten material, molten material is continuously fed into the open upper end of the molten mold. In this special case, the molten material is a rod of approximately the same diameter as the ingot - it may have been formed after a similar previous casting process and is now remelted and remelted for reasons of further cleaning or in order to improve the quality of the ingot in some other way poured again. The consumable electrode 10 has its free-standing, meltable lower end in vertical alignment with the open upper end of the casting mold 3, so that the molten material drips into the casting mold when the consumable electrode is melted. The electrode 10 is preferably introduced via a conventional air lock 11 and, if desired, a conventional vacuum seal 12 can also be provided. The consumption electrode is held in the position vertically aligned with the melting mold by means of an annular guide ring 13, which can advantageously be water-cooled by continuously circulating cooling water through the lines 14 and 15 and through the water jacket of the guide ring.

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.The beam generator consists mainly of an annular cathode 16 and a focusing structure substantially surrounding it. As best shown in FIG. As shown in Fig. 2, the cathode 16 is preferably a circular loop of wire, usually made of tungsten, connected to the two leads 17 and 18 for supplying the heating and emission currents. The cathode is heated to the emission temperature by means of alternating current, e.g. B. by means of a transformer connected between lines 17 and 18 to a secondary winding 19 which has a primary winding 20 which is connected to any suitable source of alternating current. The casting mold 3 and the consumption electrode 10 are preferably held at ground potential by being connected to the grounded vacuum housing and the cathode is held at a potential of several 1000 V negative to ground by means of the direct current supply part 21.

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.The easiest way to build the focus is by a separate one Considering their individual parts will be understood, even if in practice this Parts are welded or otherwise permanently connected or from a single one Metal piece can be made. The most distinctive part of the focus construction With regard to the present invention, the focusing cylinder 22, which, is slightly smaller in diameter than the annular cathode 16 as shown. The cylinder 22 is coaxial with the cathode 16 and the lower end of the focusing cylinder is approximately in the same plane with the cathode. The exact location of the lower The end of the focusing cylinder and the cathode surface hangs up to one another to a certain extent on the type of material to be melted: For materials, which develop relatively few gaseous substances, it is preferable that that End of the focusing cylinder is slightly above the cathode surface, so that the cathode is in a somewhat freer position, creating the electric field lighter electrons from the cathode surface can suction. With Materials that develop large quantities of gaseous substances can be the end the focusing cylinder are brought slightly below the cathode surface; this shields the cathode to a considerable extent against vapors, splashes and atomized material and greatly increases the life of the cathode. The relatively extensive plasma and abundant ionization, which one Accompany violent gas evolution, modify the electric fields in such a way that strong currents can be obtained from the shielded cathode. Generally will Lines drawn from the bottom of the focusing cylinder to the cathode indicate the cathode surface cut at an angle not exceeding 45 °. Be for better understanding first the lower end of the focusing cylinder and the cathode as inside this area is considered lying approximately in the same plane.

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. The lower end of the consumable electrode 10 and the molten pool in the upper part of the mold 3 are both at a moderately high positive potential with respect to the cathode 16, so that the electrons emitted from the cathode in the direction of the lower end of the electrode 10 and the molten pool for bombardment and Heating the same are attracted. The focusing cylinder 22 prevents the electron beam from being excessively deflected towards the consumable electrode and ensures that at least the majority of the beam will bombard and heat the molten pool in the mold.

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.In the embodiment shown there is also the evacuable one Housing 1 at a high positive potential with respect to the cathode; it is therefore It is desirable that funds be provided to avoid a useless and uneconomical Bombardment of the furnace walls by emitted electrons to reduce to a minimum. For this purpose, the focusing device has other parts, which are different from the top End of focusing cylinder 22 over, around and under cathode 16 (like ' shown) and form a ring from the inside open channel-like cross-section. These other parts can conveniently be a horizontal upper focusing plate 23, a lower horizontal focus plate 24 and one coaxial with the cathode and surrounding outer cylinder 25. All of these parts 22, 23, 24 and 25 of the focusing device are electrically conductive and connected to one another - In fact, they can be made from a single piece of metal or from several together welded pieces -and are therefore on the same electrical Potential. A metal bar or bracket 26 serves two purposes: As a support the cathode holder and to establish an electrical connection between the cathode and the focusing device, so that the focusing device is held at cathode potential. Other carriers (not shown) can be spaced be placed around the annular cathode to avoid excessive sagging to prevent the same in hot condition. However, these additional supports must be isolated from the focusing device in order to short-circuit the cathode heating current to avoid.

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.In addition, it may be desirable to use the focusing device to cool, as electrical breakdown occurs more easily in hot areas are present. For this purpose, a cooling line 27 is provided and on the focusing device brazed or welded to make good thermal conduction with the same. Since the metal line 27 is at a moderately high negative potential to earth stands, it is with a cooling water source via the lines 28 and 29 made of insulating material connected, and through these lines a cooling water of low electrical conductivity is generated directed.

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.Jet generators of the construction described here are quite durable; nevertheless, it is occasionally necessary to change the jet generators, either because of excessive accumulation of material deposited thereon, or to switch to a jet generator of a different design when a different type of material is to be melted and cast. To make it easier to replace the jet generator, it and the connections leading to it are introduced into the vacuum housing via an air lock 30 , which is shown schematically (provided with a seal 31 that helps maintain the vacuum in the evacuated housing).

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.It can be noted that the focusing device, with the exception of one annular gap between the lower end of the focusing cylinder 22 and the inner end of the focusing plate 24 completely covers the annular cathode surrounds. This creates a conical electron beam that goes in and down is directed towards the open end of the mold. Not only that the beam is well focused is, the cathode is also largely in front of those formed during the melting process Protected from steaming and splashed material.

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.Likewise, the cathode is to a considerable extent against that between Anode and focusing device existing electrical field shielded; the The initial current therefore tends to be low as a result of the electronic space charge Values get constrained and you can have some difficulty in introducing them a sufficiently large current flow to start the melting operation and to Formation of the ion plasma, which prevents the space charge during full load work overcomes, expect.

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.The starting problem can be caused by the in FIG. 3 tempering method shown be solved. A nozzle or ingot 6 of solid material is placed in the mold with its top inserted approximately to the top of the mold. The consumption electrode 10 is lowered until its free-standing lower end is substantially below the lower end of the focusing cylinder 22 extends. The bottom of the electrode 10 then acts as an auxiliary anode, which creates the electric field in the vicinity of the cathode 16 intensified and allowed a much stronger current to flow away from the cathode. The actual shape of the field, however, is such that few of the primary electrons actually hit the electrode 10 - most of them shoot the top end of the block 6, and the heat is sufficient to create a molten pool in the upper part of the mold to build. This is by looking at the dashed lines 32, 33 and 34, which represent the equipotential surfaces in the high-voltage electric field, easier understandable. You will find that lowering the electrode 10 presses these equipotential surfaces outwards against the cathode 16 and thereby the voltage gradient at the cathode intensified and the prerequisite for the flow creates a larger emission current despite the existing room charge limitation. On the other hand, as shown, the field in the vicinity of the cathode is strongly curved and this bundles the electron paths, represented by the arrows 35, 36 and 37, on the upper end of the block connector 6.

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.Once a melt pool has formed at the upper end of the block 6, there is considerable heat transfer to the lower end of the consumable electrode 10 . This heat transfer can take place as a result of the action of various processes - radiation, secondary electron bombardment, gas convection and conduction, deflection of the primary beam by gas focusing, etc. In any case, the lower end of the consumable electrode 10 is soon heated to melt, and when the metal melts it drips into the upper part of the mold located melt sump. In addition, gaseous substances are now being developed to a considerable extent, which ionize and form a plasma above the melt pool.

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.When the operations have been started as described above, the block 6 can be withdrawn somewhat and the level of the molten pool lowered, if desired, up to about 15 mm below the upper edge of the mold. During actual operation, it is actually desirable to make the block 6 oscillate up and down slightly at intervals and thus to move the melt puddle up and down. This brings any spattered material that may have accumulated on the walls of the mold into the sump and facilitates the formation of blocks with a smoother surface. The consumable electrode 10 can now be lifted so that its lower end is above the lower end of the focusing cylinder and entirely above the apparent upper edge of the primary electron beam. The ion plasma can fill the space between the melt puddle and the lower end of the consumable electrode. This plasma is surrounded by a positive ion screen, represented by the + signs 38, and in being a good conductor, all of the plasma is approximately at anode potential. From this, the equipotential surfaces of the high-voltage electric field are pushed outwards by the plasma in the direction of the cathode; In addition, positive ions migrate from the ion screen towards the cathode and focusing unit, and these ions at least partially neutralize the electronic space charge. As a result, a strong current flow continues between the cathode and the melt pool. The lower end of the consumable electrode continues to melt, obviously more as a result of its proximity to the melt pool than as a result of direct electron bombardment. The melting rate can be regulated as required by raising and lowering the electrode 10 from time to time.

Claims

Claims: 1. Process for melting and casting in a high vacuum of melt material present in rod form, which when melted gaseous substances releases, wherein the melting material is arranged in a high vacuum chamber above a casting mold and towards the mold and the opening during the melting process an annular focusing electrode arranged above the mold is and wherein the melting material drips into the casting mold as it melts, collected therein and a molten pool is maintained by bombardment with electrons generated by an annular cathode and obliquely downward into the open top end the mold are directed, characterized in that the ring-shaped Electrons emitted through a cathode coaxial to the cathode between this and the part of the focussing electrode which is arranged on the melt material is prevented from from the cathode in a straight line, radially inwards to the one in the form of a rod To move the melt, and that the lower melting end of the melt in such a small distance from the melting sump that it is kept by heat transfer continuously melts from the melt pool and by electron bombardment.

2. Procedure according to claim 1, characterized in that the electrons emitted by the cathode largely to a converging downward to the upper end of the mold, conical beam are focused while the body of molten material is roughly within of such a conical beam is arranged, and that the remainder of the emitted Electrons is directed to the lower melting end of the melting material.

3. The method according to claim 1 and / or 2, characterized in that the body of melting material is lowered into the electron beam at the beginning in order to initiate a powerful electron flow to the melting material and to the material in the mold and that then the melting material via the electron beam is raised as soon as the gaseous substances developed by the melting material form an ion plasma between the melting sump and the melting material. Documents considered: German utility model No. 1 824 388; Belgian Patent No. 568,332; U.S. Patent No. 2,880,483; Austrian patent specification No. 203 731.