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Hochvakuumofen zur Herstellung sehr reiner Metalle Die Erfindung betrifft
einen Hochvakuumofen zur Herstellung sehr reiner Metalle, mit einem Gehäuse, einem
darin angeordneten länglichen horizontalen Herdteil zur Aufnahme von geschmolzenem
Metall und Bildung eines Schmelzsumpfes sowie Einrichtungen zur Aufnahme des gereinigten
Metalls aus dem Herdteil und zum Abführen aus dem Ofen.
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Es ist bei der Behandlung von Metallen wohlbekannt, hohe Temperaturen
zum Schmelzen des Produktes zu verwenden, so daß das Metall auf verschiedene Arten
bearbeitet werden kann, wie beispielsweise zur Entfernung der Schlacke daraus und
zum Vergießen des Metalls zu Gußblöcken oder in geeignete Formen. Die üblichen Schmelzöfen
sind so eingerichtet, daß durch rohe Kontrolle der Temperaturen ein gewisser Reinigungsgrad
erzielt werden kann, wobei die in festem Zustand verbleibenden Verunreinigungen
entfernt werden und außerdem die Verunreinigungen, die gewöhnlich auf der Metallschmelze
schwimmen, abgeschöpft werden können. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die
üblichen Lichtbogenöfen beispielsweise zur Entfernung von flüchtigen Verunreinigungen
völlig ungeeignet sind, wenn eine bessere Reinigung angestrebt wird, da in dieser
Art von Öfen eine besondere Atmosphäre aufrechterhalten werden muß, um die Erhitzung
des Metalls durch den Lichtbogen zu ermöglichen. Es wurden daher verschiedene Arten
von Vakuumöfen entwickelt, in welchen flüchtige Verunreinigungen und eingeschlossene
Gase in dem Ausmaß, in dem sie sich aus dem behandelten geschmolzenen Metall entwickeln,
aus dem Ofen entfernt werden können.
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Vakuumöfen, wie sie zum bekannten Stand der Technik zählen, besitzen
gewöhnlich elektrische Heizvorrichtungen, die beispielsweise die Wärme auf das Metall
strahlen können; verbesserte Typen von Vakuumöfen verwenden Elektronenstrahlen,
um dem Metall die benötigte Energie zum Schmelzen zuzuführen. Elektronenstrahlöfen
haben sich auf bestimmten Gebieten ziemlich weitgehend durchgesetzt, insbesondere
dort, wo nur relativ geringe Metallmengen zu bearbeiten sind. Es hat sich gezeigt,
daß ein unterbrochenes Verfahren möglich ist, wenn größere Produktionsmengen an
Metall geschmolzen, vergossen und gereinigt werden sollen, indem man das Schmelzgut
mit einem oder mehreren Elektronenstrahlen beschießt und gleichzeitig auch einen
Schmelzsumpf des Metalls, in welchen dieses vom Schmelzgut heruntertropft, ebenfalls
beschießt. Die Elektronenener-ie wird so zunächst zum Schmelzen des Metalls verwendet
und dann zur weiteren Wärmezufuhr an dieses, um es zusätzlich zu reinigen. Mit den
relativ hohen Pumpgeschwindigkeiten, die bei diesen Ofenarten verwendet werden,
kann man eine beträchtliche Menge der aus dem Metall in Freiheit gesetzten Gase
und Dämpfe bei dessen Erhitzung und Schmelzen entfernen. Diese Ofenart hat sich
als sehr vorteilhaft erwiesen, insbesondere bei hochschmelzenden Metallen, bei welchen
damit ein sehr hoher Reinigungsgrad erreicht werden kann.
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Wie oben ausgeführt, arbeiten Elektronenstrahlvakuumöfen für Schmelz-
und Gießverfahren in größerem Maßstab nach dem sogenannten unterbrochenen Abschmelzverfahren,
wobei das Material in einen oder mehrere Elektronenstrahlen geführt wird, welche
dieses beschießen, dadurch erhitzen und schmelzen, so daß das Metall dann in eine
unterhalb des Schmelzgutes angeordnete Form tropft oder fließt. Innerhalb dieser
Form wird weitere Wärme durch Elektronenbeschuß zugeführt, um die Temperatur des
Metalls weiter zu steigern und dadurch eine weitere Reinigung zu erzielen. In dieser
Art von Öfen ist ein relativ kontinuierliches Verfahren möglich, wenn man den in
der gekühlten Form gebildeten Gußblock kontinuierlich entfernt und das Schmelzgut
kontinuierlich in den oder die Elektronenstrahlen führt.
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Eine sorgfältige Prüfung der Elektronenstrahlvakuumöfen ergibt, daß
sich, obwohl durch Verwendung von Elektronenstrahlen für Heizzwecke und durch Verwendung
des Hochvakuums für weitgehende
Reinigung beträchtliche Vorteile
erzielt werden, auch bestimmte Nachteile daraus ergeben. Die vorliegende Erfindung
zielt insbesondere darauf ab, einen verbesserten Vakuumofen vorzusehen, bei welchem
Beschußenergie zur Wärmezufuhr an das zu verarbeitende Metall verwendet wird und
sowohl flüchtige Verunreinigungen als auch unlösliche Schlacken während der Bearbeitung
entfernt werden, während gleichzeitig ein wirklich kontinuierliches Verfahren erzielt
wird, welches sich ausgezeichnet zum Schmelzen und zur Reinigung sowohl von niedrig
als auch von hoch schmelzenden Metallen eignet. Außerdem kann gemäß der vorliegenden
Erfindung ein wesentlich höherer Reinigungsgrad erzielt werden, als dies bei den
üblichen Elektronenstrahlvakuumöfen möglich ist. In dieser Beziehung ist es bei
der Vakuumreinigung gewöhnlich nötig, daß diese des öfteren beim gleichen Metall
wiederholt wird, um eine wirklich hohe Reinheit des Metalls zu erzielen. Infolge
der Art der bekannten Verfahren ist das Ausmaß der Reinigung, das iA einem einzigen
Durchgang durch den Ofen erzielt werden kann, beschränkt. Die vorliegende Erfindung
weist diese Einschränkung nicht auf.
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Die Erfindung besteht darin, daß zwischen den Enden des Herdteiles
eine im wesentlichen lotrechte Schranke zur Teilung des Gehäuses in eine Schmelz-und
eine Reinigungskammer angeordnet ist, daß im Gehäuse ein Elektronenstrahlerzeuger
zum Schmelzen einer Menge von Rohmaterial und zum Erhitzen des Schmelzsumpfes in
der Schmelzkammer des Herdteiles sowie ein weiterer Elektronenstrahlerzeuger zum
Erhitzen des Schmelzsumpfes in der Reinigungskammer des Herdteiles vorgesehen sind
und daß Einrichtungen zum Evakuieren der Schmelz-und der Reinigungskammer vorhanden
sind, um flüchtige Verunreinigungen zu entfernen.
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Dadurch ermöglicht der erflndungsgemäße Ofen eine wirklich kontinuierliche
Arbeitsweise, wobei auch schwimmende Verunreinigungen vom behandelten Metall entfernt
werden können, während sich dieses noch in flüssigem Zustand befindet, und ein maximaler
Schutz für die Quelle der Beschußenergie gewährleistet ist. Bezüglich des letzteren
Punktes sei bemerkt, daß beim Bearbeiten von Metallen mit hohen Dampfdrücken oder
mit größeren Mengen an besonderen Verunreinigungen die Bildung von Gasausbrüchen
bewirkt wird und ein äußerst unerwünschtes Spritzen im Ofen stattfindet. Diese Umstände
wirken sich äußerst schädlich bezüglich der Erhaltung der Beschußquelle, wie beispielsweise
Elektronenkanonen, aus. Durch die Anordnung von Dampfschranken und verschiedenen
Druckzonen innerhalb des erfindungsgemäßen Vakuumofens mit Abschmelzanode wird ein
maximaler Schutz für die Quelle der Beschußenergie, die hierin verwendet wird, erzielt.
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Erfindungsgemäß wird unter anderem die Aufrechterhaltung einer Vielzahl
evakuierter Zonen oder Regionen vorgesehen. Innerhalb einer ersten dieser Regionen
wird das zu behandelnde Metall durch Beschuß erhitzt und geschmolzen, und dieses
geschmolzene Metall fließt dann durch den erfindungs-(Ye , mäßen Ofen. Die
vorerwähnte erste Vakuumregion ist vom übrigen Teil des Ofens getrennt, und außer-C,
dem wird die Oberfläche des darin geschmolzenen Metalls ebenso von der ersten Region
getrennt gehalten, so daß relativ leichte Verunreinigungen, die auf dem geschmolzenen
Metall schwimmen, in dieser Region leicht davon entfernt werden können. Das fließende
Metall oder, wie es im folgenden genannt werden kann, die Anode, strömt dann durch
eine zweite evakuierte Region, in welcher es zusätzlich mit Elementarteilchen wie
Elektronen oder anderen geladenen Teilchen beschossen wird. Kontinuierliche und
schnelle, Evakuierung dieser zweiten Region gestattet die Entfernung von flüchtigen
Verunreinigungen, die aus dem weiter erhitzten durchfließenden Metall entwickelt
werden. Diese zweite Region kann weiterhin in getrennte Vakuumstufen unterteilt
werden. Das fließende Metall wird dann beispielsweise in eine wassergekühlte Form
od. dgl. zur Bildung von Gußblöcken gewünschter Größe und Gestalt geleitet. Eine
dritte Vakuumregion des erlmdungsgemäßen Ofens umgibt die Quellen der Beschußenergie.
Diese letztere Region wird auf dem höchsten Vakuum aller Regionen gehalten und ist
lediglich mit der vorerwähnten ersten und zweiten Region durch kleine Schlitze od.
dgl. in der Wandung der dritten Region verbunden. Auf diese Weise werden erfindungsgemäß
optimale Arbeitsbedingungen in jeder der drei getrennten Regionen des Ofens vorgesehen,
d. h. eine ursprüngliche Schmelzregion, die durch eine Dampfschranke vom
übrigen Teil des Ofens getrennt ist, eine weitere Heizregion, in welcher das geschmolzene
Metall einen längeren Weg fließt und mehrfachem Beschuß ausgesetzt ist, um die Temperatur
dieses Metalls wie gewünscht zu erhöhen und dieses darin während eines aewünschten
Zeitraumes zu halten, und eine dritte hochevakuierte Region, in welcher die Beschußquellen
wie Elektronenkanonen angeordnet sind, um diese möglichst gut zu schützen und eine
lange Lebensdauer und eine verbesserte Leistung zu erzielen. In der ersten Region
können kondensierte Verunreiniaungen entfernt oder »abgepumpt« und in der zweiten
Region verflüchtigte oder nicht kondensierte Verunreinigungen abgepumpt werden.
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Unter den besonderen erzielten Vorteilen seien die Möglichkeit von
außerordentlicher Reinigung bei einem einzigen Materialdurchgang durch den Ofen
erwähnt. Es wird ein im allgemeinen rechteckiger Materialschmelzsumpf aufrechterhalten,
vorzugsweise mit Materialfluß entlang der längsten Ausdehnung, so daß eine maximale
Materialfläche und Behandlungszeit bei großen Durchsatzmengen für den Ofen erzielt
werden. Dieser großflächige Sumpf wird erhitzt und bewegt, wodurch die bestmögliche
Entfernung von eingeschlossenen Gasen und flüch-
tigen Verunreinigungen erreicht
wird, ohne die bisher vorhandenen Beschränkuncren bezüglich der verfügbaren Erhitzungszeit,
die sich aus der Abhängigkeit des Ausstoßes von der Oberfläche des gegossenen Ingots
ergab.
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Der erfindungsgemäße verbesserte Vakuumofen wird beispielsweise in
besonders bevorzugten Ausführungsforinen in den Zeichnungen erläutert. Hierin bedeutet
F i g. 1 eine Seitenansicht im Schnitt, die eine vorzugsweise Ausführungsform
des erfindungsgemäßen verbesserten Vakuumofens zeigt, F i g. 2 eine teilweise
Draufsicht im Schnitt längs der Ebene 2-2 von F i g. 1,
F i
g. 3 eine Seitenansicht im Schnitt einer der Elektronenkanonen, die im Ofen
von F i g. 1 verwendet werden können und darin nur in Blockforin angedeutet
sind,
F i g. 4 eine Draufsicht auf die in F i g. 3
gezeigte Elektronenkanone, F i g. 5 eine Seitenansicht im Schnitt einer mehrfachen
Kanone, wie sie beim erfindungsgemäßen Ofen zweckmäßig verwendet wird, F i
g. 6 eine schematische Illustration der gleichen Kanone wie in F i
g. 5, wobei jedoch der Schnittpunkt der Elektronenstrahlen an anderer Stelle
liegt, F i g. 7 eine seitliche Ansicht im Schnitt einer anderen Ausführungsform
des verbesserten erfindungsgemäßen Vakuumofens, der besonders zum Schmelzen, zur
Reinigung und zum Vergießen von hochschmelzenden Metallen eingerichtet ist, F i
g. 8 einen Querschnitt durch den Herd des Ofens mit Metall darin, welcher
zusätzlich Vorrichtungen zur Bewegung der Elektronenstrahlen über die Oberfläche
des geschmolzenen Metalls im Ofen zeigt, F i g. 9 einen teilweise vertikalen
Längs-schnitt des Herdes von einer anderen Ausführungsform des Ofens und F i g.
10 eine schematische Darstellung einer Vielfach-Herdanordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Es sei zunächst auf die F i g. 1 und 2 verwiesen, in welchen
eine vorzugsweise Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vakuumofens gezeigt ist,
die insbesondere zum Schmelzen, Reinigen und Vergießen von relativ niedrig schmelzenden
Metallen geeignet ist. Der Ofen weist einen im allgemeinen rechteckigen Herd
11 auf, der innerhalb eines vakuumdichten Gehäuses 12 angeordnet ist. Der
Herd kann aus einer äußeren wassergekühlten Schale 13 und einer inneren hochtemperaturfesten
Auskleidung 14 und dazwischen angeordnetem Isoliermaterial 16 bestehen. Geeignete
Befestigungsvorrichtungen sind unterhalb der Schale 13 vororesehen, so daß
der Herd horizontal, wie gezeigt, innerhalb des Vakuumgehäuses 12 angeordnet ist.
Das Gehäuse 12 ist im Inneren in drei getrennte Regionen geteilt, die in F i
g. 1 mit 1-7,
18 und 19 bezeichnet sind,
und diese Regionen sind durch Dampfschranken 21 und 22, die später genauer beschrieben
sind, getrennt. Der oben beschriebene Herd erstreckt sich in beide der getrennten
Regionen 17 und 18, und es sind Mittel vorgesehen, um ein Schmelzgut
23 in die Region 17 oberhalb des Herdes zu bringen, um das Material
des Schmelzgutes darin zu schmelzen, so daß das geschmolzene Material abwärts in
den offenen Oberteil des Herdes tropft oder fließt. Diese Zufuhr- und Unterstützungsvorrichtungen
für das Schmelzgut können zahlreiche Formen aufweisen und das Schmelzgut selbst
kann wie gewünscht, entweder vertikal, schräg oder horizontal zugeführt werden.
In F i g. 1 ist eine horizontale Zufuhr des Schmelzgutes gezeigt, wobei das
Schmelzgut 23 auf einem wassergekühlten Tisch 24 aufruht und mit einer Zufuhreinrichtung
in Berührung steht, die das Schmelzgut einstellbar weiter in die Region
17 oberhalb des Herdes bewegt in dem Maße, in welchem nach und nach das Schmelzgut
von der vorderen Kante27 weggeschmolzen wird. Das Schmelzgut kann zur Gänze innerhalb
des Gehäuses angeordnet sein oder kann durch Vakuumdichtungen, die in der Zeichnung
schematisch bei 26
angedeutet sind, sich vom Gehäuse auswärts erstrecken.
Da die tatsächliche Zufuhreinrichtung des Schmelzgutes keinen Teil der vorliegenden
Erfindung bildet, sondern nur dessen besondere Anordnung gegenüber dem übrigen Teil
des Ofens, ist die Angabe von weiteren Einzelheiten dieses Ofenteils nicht nötig.
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Wie bereits erwähnt, ist das Vakuumgehäuse 12 in drei separate Regionen
geteilt, die durch Dampfschranken getrennt sind, und es wird weiterhin festgehalten,
daß diese drei Regionen auf verschieden starken Vakua gehalten werden. Das Schmelzen
des über den Herd in die Region 17 geführten Schmelzgutes verursacht eine
beträchtliche Entwicklung von Gasen und Dämpfen zusätzlich zum flüssigen Metall
und den anderen damit gemischten Verunreinigungen, die in den Herd tropfen. Die
Evakuierung der Region 17 wird durch Vakuumpumpen mit großer Kapazität, wie
bei 31 angedeutet, bewerkstelligt. Durch Anordnung von Vakuumpumpen mit entsprechender
Kapazität wird in der Region 17 trotz der obenerwähnten Entwicklung von beträchtlichen
Mengen Gasen und Dämpfen während des Schmelzens ein starkes Vakuum in der Größenordnung
von 1 bis 20 1iHg aufrechterhalten. Diese Region 17 ist von den anderen
Vakuumregionen 18 und 19 des Ofens durch die obenerwähnte Dampfschranke
21 getrennt, die sich als im wesentlichen vertikale Wandung von der Decke des Gehäuses
12 abwärts in einen durch Schmelzen des Schmelzgutes im Herd gebildeten Sumpf
33 aus flüssigem Metall erstreckt. Die Dampfschranke erstreckt sich auch
vom Herd auswärts zu den Seitenwänden und zum Boden des Gehäuses 12, hat jedoch
eine öffnung, so daß flüssiges Metall durch die Wandung der Schranke vom Herd abfließen
kann. Durch die Ausdehnung dieser Wandung der Dampfschranke in den Sumpf
33 wird eine Dichtung gebildet, und der untere Teil der Wandung oder der
Schranke, die in den Sumpf reicht, kann aus einem eigenen hochtemperaturfesten Metall
oder Material, wie bei 34 angedeutet, bestehen.
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Durch Beschuß des Schmelzgutes schmilzt dieses in der Region
17 und zwar, indem ein oder mehrere Strahlen aus subatomaren Teilchen an
die Vorderkante des Schmelzgutes gerichtet werden, wenn dieses über den Herd gebracht
wird. Der hierfür vorgesehene Strahl 36 kann beispielsweise aus Elektronen
oder Ionen gebildet werden, die durch eine Quelle 37 erzeugt und ausgerichtet
werden, welche Quelle in der Vakuumregion 19 an der anderen Seite der Dampfschranke
21 von der Region 17 angeordnet ist. Der Strahl 36 wird durch eine
kleine öffnung 38
in dieser Dampfschranke fokussiert und, wie weiter unten
gezeigt, erlaubt eine möglichst kleine Ausführung dieser öffnung die Aufrechterhaltung
von verschiedenen Drücken an beiden Seiten der Dampfschranke.
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Wenn nun das Schmelzgut durch Beschuß erhitzt wird und in den Herd
tropft, werden verschiedene Verunreinigungen des Metalls in Form einer Schlackenschicht
39 darauf schwimmen. Da nun der untere Teil 34 der Dampfschranke 21 in den
Herd unter die Oberfläche des Metallschmelzsumpfes 33
reicht, ist es ersichtlich,
daß die schwimmende Schlacke 39 nicht entlang des Herdes weiterschwimmen
kann, sondern in der Region 17 auf dem Teil des Metallschmelzsumpfes darin
zurückgehalten wird. Es sind Mittel im Ofen vorgesehen, um diese Schlacke periodisch
von der Oberfläche des geschmolzenen Metalls zu entfernen und diese Mittel sind
in F i g. 2 schematisch bei 41 angedeutet. Diese schwimmenden Verunreinigungen,
die durch die
Schlackenentfernungsvorrichtung 41 entfernt werden,
können von der Oberfläche des geschmolzenen Metalls abgeschoben oder -gestoßen werden
mittels eines Schiebers od. dgl., welcher vakuumdicht durch das Gehäuse durchgeführt
sein kann und weiterhin durch geeignete regulierbare Antriebsmechanismen betätigt
werden kann. Die Schlacke wird von der Oberfläche des Sumpfes in einen weiteren
Sumpf 42 geschoben, aus welchem sie abgezogen oder auf andere Weise aus dem Ofen
entfernt werden kann. Das gezeigte Abzugsrohr 43 kann für eine derartige Entfernung
geeignet sein, wenn die Schlacke hinreichend flüssig ist, sonst können andere Einrichtungen
verwendet werden, um die Feststoffe zu entfernen. Es soll darauf hingewiesen werden,
daß dieses Abzugsrohr 43 natürlich nahe dem Boden des Sumpfes 42 angeordnet ist,
damit darin eine Flüssigkeitsdichtung aufrecht erhalten wird, um das Vakuum in der
Region 17 des Ofens zu erhalten.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird vorgesehen, daß das Metall oder
das andere hierin zu bearbeitende Material zunächst in einer Vakuumregion des Ofens
geschmolzen wird, die aus vakuumtechnischen Gründen von der übrigen Region getrennt
ist. Dieses geschmolzene Material oder Metall fließt dann zur weiteren Erhitzung
entlang des offenen Herdes 11, um zusätzlich flüchtige Verunreinigungen darin
zu verdampfen unddadurch eine bessere Reinigung des Metalls zu erzielen. Alle gemäß
der vorliegenden Erfindung verwendeten Quellen an Beschußenergie sind innerhalb
der Vakuumregion 19
angeordnet, die auf dem höchsten Vakuum aller Ofenteile
gehalten wird. Diese Region 19 ist von der ersten Schmelzregion
17, die oben beschrieben wurde, durch die Dampfschranke21 und vom restlichen
Teil des Herdes und anderen Ofenteilen durch die im wesentlichen horizontale Dampfschranke22,
die sich längs des Ofens oberhalb des Herdes erstreckt, getrennt. Innerhalb der
Region 19 sind verschiedene Strahlenquellen angeordnet, wie beispielsweise
Elektronenstrahlenquellen51, wie dies schematisch illustriert ist. Jede Quelle erzeugt
wenigstens einen Elektronenstrahl 52, der durch eine kleine Öffnung
53 in der Dampfschranke 22 fokussiert wird. Diese Elektronenkanonen können
direkt auf der Dampfschranke 22 angeordnet sein, die dann als Decke für den Herdteil
des Ofens, worin die Reinigung des Metalls hauptsächlich stattfindet, und auch als
Boden für die Region 19, worin sich die Elektronenkanonen befinden, dient.
Die Evakuierung der Region 19 wird durch starke Vakuumpumpen 54 bewerkstelligt,
die mit der Region 19 durch öffnungen des Gehäuses 12 in Verbindung stehen
und innerhalb der Region 19 ein Vakuum in der Größenordnung von 0,02 bis
0,2 #t Ilg aufrechterhalten. Um ein Vakuum dieser Größenordnung in der Region
19
zu erzielen und insbesondere aufrechtzuerhalten, ist es notwendig, die
Größe, der Öffnungen zwischen der Region 19 und den anderen Regionen, die
bei einem niedrigeren Vakuum arbeiten, zu begrenzen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch
erreicht, daß die Größe der Elektronenstrahlöffnungen 53, die zum Durchtritt
der Elektronenstrahlen in die Region 18
vorgesehen sind, und auch die Größe
einer ähnlichen Öffnung 38, welche die Region 19 mit der Anfangsschmelzregion
17 verbindet, auf ein Minimum beschränkt ist. Bezüglich der Art und Weise,
wie diese Öffnungen auf eine minimale Größe gebracht werden, wird auf einen späteren
Teil der Beschreibung verwiesen, der sich auf mögliche Gestaltungen von Elektronenkanonen
bezieht.
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Bezüglich der weiteren Verarbeitung des in diesem Ofen zu schmelzenden,
zu reinigenden und zu gießenden Metalls wird bemerkt, daß nach dem erstmaligen Schmelzen
des Schmelzgutes 23, wobei dieses nach unten in den Herd 11 tropft,
ein Metallschmelzsumpf gebildet wird, der sich durch den Herd erstreckt und eine
maximale Oberfläche an geschmolzenem Metall ergibt. Auf die Oberfläche dieses Sumpfes
werden Beschußstrahlen hoher Energie gerichtet, um das Metall zusätzlich zu erhitzen.
Dieser Beschuß dient nicht nur dazu, das Metall in geschmolzenem Zustand zu erhalten,
sondern außerdem dazu, dessen Temperatur zusätzlich zu erhöhen, um so die Entfernung
von flüchtigen Verunreinigungen darin zu unterstützen. Diese Unterstützung wird
zusätzlich gefördert, indem eine wesentliche Bewegung oder Rührung in geschmolzenem
Metall vorgesehen wird, das vom Einlaßende des Herdes zu dessen Auslaßende durch
den vorerwähnten Sumpf fließt. Diese Rührwirkung wird auf einfache Weise durch thermische
Gradienten im geschmolzenen Metall erzielt, die durch örtlich begrenzten Beschuß
der Oberfläche des geschmolzenen Metalls verursacht werden.
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Das Einlaßende des Herdes kann als das Ende bezeichnet werden, in
welches das anfänglich geschmolzene Metall vom Schmelzgut tropft, und das Auslaßende
des Herdes ist in einiger Entfernung davon nach einem Fließweg des geschmolzenen
Metalls durch den Herd angeordnet und ist mit Auslaßeinrichtungen, um das geschmolzene
Metall in eine Form zu gießen, versehen. Wie in F i g. 1 angedeutet, ist
ein Trichter oder eine Rinne 61 vorgesehen, die sich vom Auslaßende des Herdes
über eine Form 62
erstreckt, in die das geschmolzene Metall fließt. Um den
Fluß des geschmolzenen Metalls durch diese Rinne oder diesen Gießtrichter sicherzustellen,
ist deren Oberseite offen und es ist, wie gezeigt, ein Elektronenstrahl hineingerichtet.
Außerdem ist die Möglichkeit vorgesehen, einen Elektronenstrahl in den offenen Oberteil
der Form 62 zu richten, so daß das vom Herd in die Gußform fließende geschmolzene
Metall zusätzlich in der Gußform selbst beschossen wird. Dadurch wird dann ein Schmelzsumpf
des Metalls am Oberteil einer Pfanne in der Form aufrechterhalten, wodurch verfestigtes
Metall kontinuierlich aus dem Unterteil der Form herausgezogen werden kann. In F
i g. 1 ist ein verfestigter Ingot 63 gezeigt, der innerhalb der Gußform
62
durch Verfestigung des aus dem Herd über die Gießrinne 61 hineinfließenden
geschmolzenen Metalls gebildet wird. Dieser Ingot kann durch den Boden des Ofengehäuses
12 reichen, und in der Praxis wird unterhalb dieses Ofens ein beträchtlicher Raum
vorgesehen, so daß ein relativ langer Ingot in einem Arbeitsgang geformt und kontinuierlich
aus dem Ofen in dem Maß, in dem sich das Metall in der Gußform bzw. Kokille verfestigt,
herausgezogen werden kann. Selbstverständlich muß die Geschwindigkeit, mit welcher
das verfestigte Material herausgezogen wird, der Geschwindigkeit des erstmaligen
Schmelzens des Schmelzgutes entsprechen sowie der tatsächlichen Fließgeschwindigkeit
des geschmolzenen Metalls vom Herdende in die Kokille. Evakuierung der Region
18 über dem Großteil des Herdes,
worin der Beschuß des geschmolzenen
Metalls zu dessen Reinigung durchgeführt wird, und um die Gießeinrichtungen für
den Ingot am Ende des Herdes können durch starke Vakuumpumpen, wie schematisch bei
64 angedeutet, durchgeführt werden. Die Stärke des innerhalb der Region
18 aufrechterhaltenen Vakuums liegt zwischen dem außerordentlich hohen Vakuum,
das in der Elektronenkanenenregion 19 und dem Vakuum, das in der Anfangsschmelzregion
17 des Ofens aufrechterhalten wird.
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Im vorhergehenden wurde kurz ein verbesserter Vakuumofen beschrieben,
der sich außerordentlich gut zum Schmelzen, zur Reinigung und zum Vergießen von
relativ niedrig schmelzenden Metallen wie Kupfer eignet.
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Wenn beispielsweise Kupfer in dem Ofen bearbeitet wird, besteht die
Herdauskleidung vorzugsweise aus Graphit. Diese wird durch Kontakt mit dem geschmolzenen
Kupfer erhitzt, so daß dadurch der Sauerstoff aus dem Kupfer entfernt wird. Die
äußere Schale des Herdes kann beispielsweise aus Kupfer bestehen mit Wasserkühlrohren
darin oder darum, während die Zwischenisolierung 16 zwischen Auskleidung
und Schale beispielsweise aus porösen Kohlenblöcken bestehen kann. Die Dampfschranke
21 besteht in diesem Fall aus Kupfer mit einer Graphitspitze 34, und ebenso kann
die andere Dampfschranke 22 aus Kupfer bestehen. Da im Ofen sehr hohe Temperaturen
herrschen, sind vorzugsweise Einrichtungen zum Kühlen verschiedener Teile vorgesehen,
wie beispielsweise die Wandungen der Dampfschranken; dies kann leicht dadurch erfolgen,
daß Wasserkühlrohre in wärineleitender Verbindung angeordnet werden. Bei der Bearbeitung
von Kupfer besteht der Auslaß oder die Rinne 61 ebenfalls vorzugsweise ausGraphit,
und es kann derGuß in der kalten Kokille durchgeführt werden, wobei die Kokille
62 zur Verfestigung des Kupfers, wenn es durch die Rinne des Herdes fließt,
auf hinreichend niedriger Temperatur gehalten wird.
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Es ist äußerst vorteilhaft für diesen Ofen, einen ziemlich langen
Fließweg für das in der Region 18
des Ofens zu reinigende Metall vorzusehen,
um eine maximale Reinigung des Metalls zu erzielen. Die Weglänge kann durch Verwendung
von Teilungen 66, z. B. aus Graphit erhöht werden, die sich seitlich über
dem Herd von einander gegenüberliegenden Seiten jeweils bis knapp vor die andere
Seite erstrecken, so daß dadurch ein serpentinenartiger Pfad für das geschmolzene
Metall vom Einlaßende des Herdes zu dessen Auslaßende vorgesehen wird. Wie oben
erwähnt, wird das Schmelzgut 23 aus relativ unreinem Kupfer in den Beschußstrahl
36 gebracht, wodurch es über dem Herd- erhitzt und geschmolzen wird, dadurch
abwärts in diesen tropft und den Herd mit einem Sumpf oder Strom 33 aus geschmolzenem
Kupfer füllt. Am Oberteil dieses ersten Teils des Herdes zwischen dessen Einlaßende
und der Dampfschranke 21, die sich wenigstens teilweise in den geschmolzenen Strom
erstreckt, werden die Verunreinigungen des Kupfers gefangen, die darauf schwimmen;
dies ist als Schlackenschicht od. dgl. 39
auf dem geschmolzenen Kupfer in
diesem Teil des Ofens angedeutet. Die Entfernung dieser fließenden Verunreinigungen
wird durch das Führen eines Schiebers od. dgl. über die Oberfläche des geschmolzenen
Kupfers erzielt, wobei die Schlacke in entsprechende Einrichtungen wie die Grube
42 ge-
stoßen wird, und es wird besonders darauf hingewiesen, daß die Fortsetzung
der Dampfschranke 21 in dem Kupferschmelzsumpf verhindert, daß diese schwimmenden
Verunreinigungen über die Länge des Herdes schwimmen und schließlich den Kupferingot,
der nach der Behandlung im Herd gegossen wird, verunreinigen.
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Zusätzlich zum Beschuß des Schmelzgutes um dieses zu schmelzen ist
auch vorgesehen, daß ein Beschußstrahl in den offenen Herd in der Region
17
gerichtet wird, um das Metall darin zusätzlich zu erhitzen um sicherzustellen,
daß das Kupfer darin in flüssigem Zustand bleibt. Die öffnung im unteren Teil 34
der Dampfschranke 21 gestattet dem geschmolzenen Kupfer im Herd der Länge nach von
rechts nach links zu fließen, und die Trennwände 66
im Herd ergeben einen
verlängerten Fließweg, so daß das geschmolzene Kupfer serpentinenartig vom Einlaß
zum Auslaßende des Herdes fließt. Nach Passage durch die Dampfschranke 21 wird das
geschmolzene Kupfer zusätzlich durch Beschuß erhitzt, wie beispielsweise mittels
Elektronenstrahlen 52, die in den Herd auf die Oberfläche des Kupfers gerichtet
werden. Diese zusätzliche Erhitzung erzeugt wesentliche thermische Gradienten im
Kupfer, so daß dadurch eine Materialbewegung oder ein Rühren des Kupfers entsteht.
Die Zufuhr von weiterer Wärine an das Kupfer längs des verlängerten Fließweges und
auf dessen vergrößerte Oberfläche gestattet insofern eine sehr weitgehende Reinigung
des Kupfers als ein sehr hoher Prozentsatz an flüchtigen Verunreinigungen im Kupfer
daraus entfernt wird. Solche Verunreinigungen sind nicht nur die Verbindungen, die
bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes von Kupfer flüchtig werden, sondern
außerdem solche Gase, die im Kupfer, wie es in den Ofen eingeführt wird, eingeschlossen
sein können. Durch diese zusätzliche Behandlung, d. h. Zufuhr von wesentlichen
Wärinemengen an das geschmolzene Kupfer über einen wesentlichen Teil seiner Fließstrecke
und die kontinuierliche Evakuierung des Volumens über dem geschmolzenen Kupfer,
so daß alle Gase und Dämpfe, die sich aus dem Kupfer entwickeln, schnell aus dem
Volumen entfernt werden, wird eine sehr weitgehende Reinigung des Kupfers erzielt.
Dieses gereinigte Kupfer fließt dann aus dem Herd durch den offenen Gießtrichter
oder die Rinne 61 am linken Ende des Herdes und strömt in eine kalte Kokille
62. Dadurch, daß Beschußenergie in Form eines Elektronenstrahls
52 beispielsweise in die Rinne 61 gerichtet wird, wird sichergestellt,
daß das Kupfer darin in geschmolzenem Zustand bleibt und tatsächlich durch den Auslaß
in die Kokille fließt. Außerdem ist es in diesem Ofen möglich, Beschußenergie in
den offenen Oberteil der Kokille 62 zu richten, so daß sich das Kupfer am
Boden eines Schmelzsumpfes innerhalb dieser Kokille verfestigt und somit ein sehr
dichter Ingot ohne Hohlstellen u. dgl. erhalten wird, die sich sonst bei anderen
Gußverfahren bilden könnten.
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Die verschiedenen Materialien, die sich zur Verwendung im erfindungsgemäßen
Ofen eignen, worin beispielsweise Kupfer bearbeitet werden soll, wurden oben angegeben,
und es soll nochmals darauf hingewiesen werden, daß die Verwendung einer Graphitauskleidung
14 für den Herd und die Trennwände
darin insofern äußerst vorteilhaft
ist, als durch Kontakt des geschmolzenen Kupfers mit dem erhitzten Graphit eine
wesentliche Menge Sauerstoff aus dem Kupfer entfernt wird. Bezüglich der Dimensionen
eines Ofens, wie er zum Schmelzen, Reinigen und Vergießen von Kupfer verwendet wird,
sei bemerkt, daß der rechteckige Kupferschmelzsumpf, der sich im Herd befindet,
im Vergleich mit der Tiefe des geschmolzenen Metalls eine wesentlich größere Dimension
der Läge nach aufweist. So kann beispielsweise der innere offene Teil des Herdes
eine Dimension von 1,20 m - 1,80 in besitzen, während das geschmolzene Metall
wie beispielsweise Kupfer eine Tiefe von ungefähr 5 cm darin aufweist. Bezüglich
der Graphitabteilungen im Herd sei bemerkt, daß diese nur deshalb vorgesehen sind,
um den Fließweg des Metalls vom Einlaßende zum Auslaßende des Herdes zu verlängern
und zur Durchführung der vorliegenden Erfindung nicht unbedingt notwendig sind,
obwohl sie den Vorteil zeigen, den Fließweg des geschmolzenen Metalls genauer zu
bestimmen und gleichzeitig einen möglichst langen Fließweg bei möglichst kleinen
Herddimensionen in bezug auf die verfügbare Weglänge zum Beschuß während der Reinigung
zu gestatten.
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Die Zufuhr von Beschußenergie im vorliegenden Ofen zum anfänglichen
Schmelzen des zugeführten Materials und die Zugabe von weiterer Wärme an das geschmolzene
Metall, das durch den Herd des Ofens fließt, kann durch Energiestrahlen von subatomaren
Teilchen durchgeführt werden. In bezug auf die Leichtigkeit der Erzeugung und der
Kontrolle ist es vorteilhaft, hierfür entweder Elektronen-oder Ionenstrahlen zu
verwenden. In den F i g. 3 bis 6 sind bestimmte Konstruktionen von
Elektronenkanonen gezeigt, die sich für die vorliegende Erfindung sehr gut eignen.
Das wichtigste Merkmal der damit erzeugten Strahlkonfigurationen ist dabei, daß
sie fokussiert werden um durch sehr kleine öffnungen in den Dampfschranken des Ofens
treten zu können. Da die Technologie der Elektronenstrahlen sehr weit fortgeschritten
ist und die Erzeugung und Steuerung von energiereichen Elektronenstrahlen sehr leicht
durchgeführt werden kann, wird hier als Beispiel angeführt, daß zur Erzeugung der
Beschußenergie in den erfindungsgemäßen öfen Elektronenstrahlen verwendet werden
sollen.
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In F i g. 3 ist eine Elektronenquelle 71 schematisch
dargestellt, die einen Elektronen emittierenden Draht 72 aufweist, der wenigstens
teilweise innerhalb einer Schirmelektrode 73 angeordnet ist, und im Abstand
vom Faden eine Beschleunigungselektrode 74 besitzt. Beim Fließen eines geeigneten
Stroms durch den Draht 72 wird dieser auf eine Elektronen emittierende Temperatur
erhitzt, so daß eine größere Menge an Elektronen davon emittiert wird. Die Beschleunigungselektrode
74 wird auf positivem Potential gegenüber dem Draht gehalten und zieht somit die
von der Quelle als Strahl emittierten Elektronen an. Diese Quelle 71 kann
auch als Elektronenkanone bezeichnet werden, da die Elektronen davon gerichtet und
in Form eines Strahls emittiert werden. Der Elektronenstrahl 76, der dem
jeweiligen Strahl 52 von F i g. 1 entsprechen kann, wird eine bestimmte
Divergenz aufweisen, und es sind daher zwei getrennte Elektronenwege gezeichnet,
die beispielsweise die Grenzen des Strahls darstellen soUen. Es ist von größerer
Wichtigkeit bei Elektronenstrahlöfen, daß die Elektronenkanone vor dem Beschuß von
positiven Ionen geschützt wird, die innerhalb des Ofens und auch von Dämpfen od.
dgl. entwickelt werden, da sich diese sonst auf den Teilen der Kanone niederschlagen
und die Wirkung der Kanone beeinträchtigen und eventuell völlig zunichte machen.
Der erfindungsgemäße Ofen kann kontinuierlich betrieben werden und sieht einen maximalen
Schutz für seine Elektronenkanonen vor, da die Kanonenregion 19 von den Regionen
17 und 18 des Ofens, in welchen wesentliche Mengen an Gasen und Dämpfen
entwickelt werden können, getrennt ist. Außerdem ist ersichtlich, daß die Elektronenkanone
71 seitlich von der relativ kleinen öffnung 53 in der horizontalen
Dampfschranke 22 verschoben ist. Der Elektronenstrahl 76 ist gekrümmt und
fokussiert und wird mittels eines magnetischen Feldes, das zwischen einem Paar von
Polschuhen 81 und 82 durch eine geeignete Spule 83 über die
Enden dieser Polschuhe erzeugt wird, durch diese kleine öffnung 53 gelenkt.
Die Polschuhe können beispielsweise aus Eisen od. dgl. bestehen und haben die Form
von im wesentlichen flachen Platten, die sich von der Oberseite der Dampfschranke
22 zur Elektronenkanone 71 von der Spule 83 aufwärts erstrecken, so
daß das magnetische Feld quer über den Oberteil der öffnung 53 erzeugt wird.
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Im Unterschied zu anderen Arten der Fokussierung von Elektronenstrahlen
wird gemäß der vorliegenden Erfindung der Strahl in ein konvexes magnetisches Feld
gerichtet und dann in einem im wesentlichen bei der öffnung 53 liegenden
Brennpunkt konzentriert. Der Strahl wird in einem Gebiet eines relativ schwachen
magnetischen Feldes erzeugt und durch ein »faßartiges« Feld im stärksten Teil des
magnetischen Feldes fokussiert. Diese Art der Strahlsteuerung ergibt eine seitliche
Zusammendrängung des Strahls, wie in F i g. 4 gezeigt, infolge der Krümmung
der Feldlinien und der daraus resultierenden Ablenkkräfte auf die Elektronen. Auf
diese Weise wird ein maximaler Fokussierungseffekt erzielt, und dies ist äußerst
erwünscht, um den Strahl durch eine möglichst kleine öffnung in der Dampfschranke
zu führen. Auf diese Weise werden die Dimensionen der Öffnung 53 bei einem
absoluten Minimum gehalten. Der durch die öffnung 53 tretende Elektronenstrahl
wird dann, wie auch in F i g. 3 gezeigt, divergieren und wird dann etwa eine
konische Gestalt annehmen, wenn er abwärts von der Dampfschranke 22 bis zur Oberfläche
des geschmolzenen Materials im Herd fortschreitet.
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Auf diese Art wird erfindungsgemäß ein maximaler Schutz der Elektronenkanonen
von möglichen Verunreinigungen aus dem Herdgebiet des Ofens erzielt. In den Dampfschranken
21 und 22 sind außerordentlich kleine öffnungen vorgesehen, und es ist daher auch
die Möglichkeit des Durchtretens von Metalldämpfen durch die öffnungen sehr gering.
Außerdem vermindert noch zusätzlich die große Elektronenmenge, die im Fokus durch
die kleine öffnung 53
durchtritt, die Möglichkeit, daß Dampf durch die Öffnungen
aufwärts strömt, ohne ionisiert zu werden. Es ist klar, daß der Durchtritt von Ionen
durch die öffnung 53 dann bewirkt, daß diese Ionen dann in ein magnetisches
Feld treten, welches zwar die entsprechende und geeignete Feldstärke besitzt, um
die Elektronen durch die öffnung zu leiten, jedoch zu
schwach ist,
um die Ionen zurück in die Elektronenkanone zu leiten. Infolge der seitlichen Verschiebungen
der Kanonen von den Öffnungen 53 existieren keine direkten Wege zwischen
Dampfquellen im Ofen und den Elektronenkanonen.
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Obwohl Elektronenstrahlbeschuß nur beispielsweise angegeben ist, wurde
gefunden, daß sehr dichte Elektronenstrahlen auf die vorhergehende Art durch außerordentlich
kleine Öffnungen wie beispielsweise in der Größenordnung von 4 cm2 fokussiert werden
können. Um nicht einen Weg mit kleinem magnetischem Widerstand vorzusehen, der das
fokussierende Magnetfeld kurzschließt, müssen die Dampfschranken 21 und 22 aus nichtmagnetischem
Material, wie beispielsweise Kupfer, bestehen, und es ist ersichtlich, daß eine
bestimmte Menge an Dampf, der vom geschmolzenen Metall im Herd des Ofens entwickelt
wird, auf diese Dampfschranken auftreffen wird. Es ist daher vorteilhaft, für diese
Schranken Kühlvorrichtungen vorzusehen; solche sind schematisch als Kühlrohre 84
auf der Schranke 22 in F i g. 3 dargestellt, wobei die Rohre Kühlwasser entlang
der Oberfläche der Dampfschranke leiten können. Diese Kühlrohre können
je nach den besonderen Konstruktionserfordemissen oberhalb oder unterhalb
der Dampfschranke angeordnet sein, und so sind beispielsweise in F i g. 5
die gleichen Kühlrohre oberhalb der Dampfschranke in Kontakt damit gezeigt.
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Erfindungsgemäß ist es höchst vorteilhaft, Beschußquellen für sehr
hohe Energie vorzusehen, um die gewünschten Energiemengen dem geschmolzenen Metall
im Ofen zuzuführen. Eine Art, die Beschußenergie zu erhöhen, ist die Zahl der Beschußquellen
zu erhöhen. Ein Verfahren, um dieses Ergebnis zu erzielen, ist in F i
g. 5 illustriert, aus welcher ersichtlich ist, daß zwei getrennte Elektronenkanonen
91
und 92 angeordnet sind. Die Kanone 91 ist in größerem Abstand
vom Zentrum des Magnetfeldes als die Kanone 92 angeordnet, und es werden
daher die von der Kanone 91 emittierten Elektronen durch ein schwächeres
Feld laufen und somit durch das Feld weniger gekrümmt werden, so daß sie in Kurven
mit geringerer Krümmung laufen. Dies ist schematisch durch die Grenzen
93 und 94 der Elektronenstrahlen dargestellt, die von den Drähten jeder der
beiden Elektronenkanonen 91 und 92 kommen. Es ist ersichtlich, daß
bei geeigneter Anordnung der Kanonen die Elektronenstrahlen von jeder in der Öffnung
53
in der Dampfschranke 22 fokussiert werden. Durch die Verwendung einer Anzahl
von Elektronenkanonen und durch Fokussierung ihrer Strahlen durch individuelle Öffnungen
ist es somit möglich, die Anforderungen für die einzelnen Kanonen zu reduzieren
und trotzdem einen Beschuß von außerordentlich hoher Energie zu erhalten.
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Die oben beschriebene Elektronenstrahlenfokussierung, wobei die Elektronen
in ein konkaves oder »faßförn-liges« Magnetfeld gerichtet werden, durch den stärksten
Teil des Feldes laufen und darin zu einem außerordentlich kleinen Querschnitt fokussiert
werden, ergibt tatsächlich, daß der Strahlfokus etwas oberhalb der Dampfschranke
22 und nicht direkt in der Öffnung 53 dieser Schranke entsteht. Dies ist
in F i g. 6 illustriert, woraus ersichtlich ist, daß die beiden Strahlen
93 und 94 tatsächlich an einem Punkt unmittelbar über der Öffnung
53 fokussiert werden. Die Darstellung der F i g. 6 ist nur gezeigt,
um ein Mißverständnis hinsichtlich der Fokussierung der Strahlen zu vermeiden, da
in der Praxis gefunden wurde, daß der Fokus des Strahls oder der Strahlen nur leicht
in Richtung oberhalb der Dampfschranke verschoben ist und daß daher die kleinen
Dimensionen der öffnung 53 in der Schranke trotzdem beibehalten werden können.
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Im vorhergehenden wurde eine vorzugsweise Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung beschrieben, die sich besonders zum Schmelzen, Gießen und Reinigen von
relativ niedrig schmelzenden Metallen der Art, wie sie gewöhnlich heute in der Industrie
verwendet werden, eignet. Es wurde ein Beispiel eines Ofens zum Schmelzen von Kupfer
gezeigt, wobei jedoch durch dieses Beispiel oder die obige Beschreibung und Illustration
die vorliegende Erfindung nicht auf konventionelle Metalle beschränkt werden soll.
Ganz im Gegenteil ist die vorliegende Erfindung sehr gut zum Schmelzen und Vergießen
von allen Metallarten einschließlich nicht nur Eisen und Legierungen auf Nickelbasis,
sondern auch sehr hochschmelzender Metalle, die oft als feuerfeste Metalle bezeichnet
werden, geeignet. In dieser Gruppe von hochschmelzenden Metallen finden sich Elemente
mit außerordentlich hohen Schmelzpunkten, so daß deren Eigenschaften denen von relativ
wohlbekannten feuerfesten Materialien ähnlich sind. Beispiele dieser Metallarten
sind Niob, Hafnium, Titan, Zirkon und Wolfram. Während die allgemeine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung in gleicher Weise auf alle Metallarten anwendbar ist,
soll doch darauf hingewiesen werden, daß gewisse physikalische Abänderungen der
Ofenkonstruktion wünschenswert und auch notwendig sind, um die Metalle zu verarbeiten,
die nur bei Temperaturen weit über 10001 C schmelzen oder die mit typischen
Behälterrnaterialien wie Oxyden reagieren. In F i g. 7 ist eine Abänderung
der vorliegenden Erfindung gezeigt, die sich besonders zur Anwendung bei der Behandlung
von feuerfesten Metallen eignen.
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Wie in F i g. 7 gezeigt, enthält der erfindungsgemäße Ofen
einen länglichen im allgemeinen rechtwinkligen Herd 101, der in diesem Fall
aus einem Material wie z. B. Kupfer besteht und Kühleinrichtungen wie die gezeigten
Wasserdurchlässe 102 aufweist. Dieser längliche Herd oder oben offene Behälter
101 ist durch geeignete Fußstücke innerhalb eines Vakuumgehäuses
103 montiert. Ebenso wie bei der vorher beschriebenen Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist auch der in F i g. 7 gezeigte Ofen in drei getrennte
Vakuumregionen geteilt. Die erste Region 104 wird durch geeignete Pumpen
106
evakuiert und umschließt die erste Schmelze eines Schmelzgutes
107, das über den Oberteil des Herdes 101 gebracht wird. Hier wiederum
kann das Schmelzgut 107 vertikal oder horizontal in einen Elektronenstrahl
108 zur ersten Schmelze des Schmelzgutes gebracht werden, so daß dieses abwärts
in den Herd tropft. Eine Dampfschranke in Form einer im allgemeinen vertikalen Wand
109 trennt die Vakuumregion 104 vom Rest des Ofens. Diese Wand oder Schranke
109 erstreckt sich vom Oberteil des Ofens abwärts in den Herd 101
und umschließt auch den Herd an beiden Seiten und am Boden, so daß die erste Vakuumregion
104 vom restlichen Teil des Ofens praktisch völlig getrennt ist. Innerhalb des Herdes
101 befindet sich ein hochschmelzendes Metall in geschmolzenem Zustand, erhalten
durch Schmelzen des Schmelzguts 107. Infolge der wesentlichen
Kühlung
des Herdes 101 wird sich eine verfestigte Schicht 111 aus dem Metall
entlang des Bodens und der Wände des Herdes bilden. Kontinuierliche Wärinezufuhr
durch Beschuß mit Elektronen oder anderen Partikeln auf die Oberfläche des in den
Herd tropfenden Metalls, wie durch den Strahl 108
angedeutet, dient dazu,
eine dünne Schicht oder einen Film an geschmolzenem Metall im Oberteil des Herdes
oberhalb des verfestigten Materials 111 aufrechtzuerhalten. Dieses geschmolzene
Metall 112 fließt der Länge nach durch den Herd vom Einlaßende zu einem Auslaßende.
Die Dampfschranke 109,
die auch aus einem Material wie Kupfer bestehen kann
und die mit einer Wasserkühlung versehen ist, erstreckt sich in die geschmolzene
Metallschicht 112. Es bildet sich daher ein verfestigter Teil 113 des Metalls
über dem Ende oder der Spitze dieser Schranke, die in das geschmolzene Metall reicht.
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An der dem Einlaßende der Schranke 109 gegenüberliegenden Seite
des Herdes befindet sich eine zweite Vakuumregion 116, um den Herd
und diese Region wird durch eine im allgemeinen horizontale Dampfschranke
117 von einer oberen Region 118
des Ofens, in welcher die Kanonen
angeordnet sind, getrennt. Das in Form einer Schicht 112 entlang des Herdes
101 zu dessen Auslaßende fließende geschmolzene Metall wird z. B. durch Elektronenstrahlen
121, die auf die Oberfläche dieses Metalls gerichtet sind, beschossen. Dieser zusätzliche
Elektronenbeschuß dient dazu, Wärmeverluste zu vermeiden und das Metall weiter auf
eine außerordentlich hohe Temperatur zu erhitzen, um zusätzlich flüchtige Verunreinigungen
daraus zu entfernen. Durch die Einwirkung von großen Wärmernengen auf die Oberfläche
der geschmolzenen Metallschicht 112 und durchWärmeabfuhr aus demBoden dieser fließenden
Metallschicht werden wesentliche thermische Gradienten im Metall erzeugt, so daß
dieses bei seinem Lauf entlang des Herdes ziemlich heftig gerührt wird. Dies ist
äußerst vorteilhaft, um die Entfernung der Verunreinigungen aus dem Metall zu fördern.
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Am Auslaßende des Herdes ist ein wassergekühlter Gußtrichter bzw.
eine Rinne 122 gebildet, durch welche geschmolzenes Metall aus dem Herd fließt und
abwärts in eine wassergekühlte Kokille 123
tropft. Starke Vakuumpumpen 124
evakuieren kontinuierlich die Vakuumregion 116 des Ofens, so daß ein beträchtliches
Vakuum innerhalb dieses Ofenteils aufrechterhalten wird und die schnelle Entfernung
von Gasen und Dämpfen, die aus dem darin bearbeiteten, bei außerordentlich hoher
Temperatur geschmolzenen Metall entweichen, sichergestellt wird. Durch Kühlen der
Kokille 123 wird das aus dem Herd hineintropfende Metall verfestigt, und
auf die Oberfläche dieses in die Form tropfenden Metalls wird Wärme einwirken gelassen,
so daß ein Schmelzsumpf des Metalls innerhalb der Kokille oberhalb dem Ingot aufrechterhalten
wird.
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In der gleichen Weise wie vorher bereits beschrieben, dient dieses
am Oberteil des Ingots 126 gehaltene geschmolzene Metall bei seiner Verfestigung
dazu, das Auftreten von Hohlstellen oder Dichteunregelmäßigkeiten im Ingot zu vermeiden.
Durch kontinuierlichen Beschuß der Oberfläche der Rinne oder des Gußtrichters 122,
durch welche(n) die Metallschmelze aus dem Herd fließt, wird sichergestellt, daß
dieses Metall in der Rinne geschmolzen bleibt. Auf die gleiche Weise wie vorher
bereits beschrieben, ist bei der Ofenkonstruktion gemäß F i g. 7 eine Höchstvakuumregion
118 vorgesehen, innerhalb welcher eine Vielzahl von Beschußquellen
131 angeordnet sind. Eine dieser Quellen richtet einen Strom 108
subatomarer
Teilchen durch die Dampfschranke 109,
um das Schmelzgut 107 erstmals
zu schmelzen und außerdem dem Metall innerhalb des Herdes am Eingang Wärme zuzuführen.
Eine Vielzahl von Beschußquellen 131 richtet ihre Strahlen abwärts durch
kleine öffnungen in der im allgemeinen horizontalen Dampfschranke 117, so
daß dadurch die Oberfläche der geschmolzenen Metallschicht 112, die entlang des
Herdes fließt, beschossen wird. Diese Zufuhr von zusätzlicher Wärme dient, wie vorher
festgestellt wurde, dazu, das bearbeitete Metall weiter zu reinigen. Verschiedene
andere Beschußquellen 131, die auch innerhalb der Hochvakuumregion
118 angeordnet sind, richten Strahlen abwärts durch öffnungen in der Dampfschranke
117, um die Aufrechterhaltung eines Schmelzsumpfes an der Spitze des sich
verfestigenden Ingots 126 zu gewährleisten und außerdem den kontinuierlichen
Fluß der Metallschmelze durch den Auslaß 122 des Ofens sicherzustellen. Diese Beschußquellen
131 können beispielsweise wie die in den F i g. 3 und 4 gezeigten
und oben beschriebenen Elektronenkanonen konstruiert sein und deren Fokussierungseinrichtungen
aufweisen. Auch sei festgestellt, daß hinreichend starke Evakuierungseinrichtungen
132 mit der Hochvakuumregion 118 des Ofens in Verbindung stehen, um
das darin gewünschte extreme Vakuum aufrechtzuerhalten. Auch in diesem Fall kann
ein Vakuum in der Größenordnung von 0,02 bis 0,2 R Hg erzeugt und aufrechterhalten
werden.
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Die in F i g. 7 gezeigte Ausführungsforrn der vorliegenden
Erfindung eignet sich wie oben beschrieben insbesondere für die Verarbeitung von
Eisenlegierungen auf Nickelbasis und hochschmelzenden Metallen, und es wurde gefunden,
daß es, wenn nur eine sehr dünne Metallschicht oder ein Film aus geschmolzenem Metall
112 durch den Ofen fließt, möglich ist, diese hochschmelzenden Metalle so weitgehend
zu reinigen, daß nur ein einziger Durchlauf durch den Ofen notwendig ist, um Metalle
mit einer bisher unbekannten Reinheit zu erhalten. Insbesondere sei bemerkt, daß
eine kontinuierliche Behandlung, wobei das geschmolzene Metall wiederholter Erhitzung
auf sehr hohe Temperaturen ausgesetzt wird, auf einfache Weise Resultate ergibt,
die vorher nur durch wiederholten Durchlauf von Metallen durch Hochtemperaturvakuurnöfen
möglich war. Es ist in der Technik bekannt, daß das erstmalige Schmelzen in einem
Vakuumofen unter Verwendung von Elektronenstrahlerhitzern sehr vorteilhaft ist,
und es wurde weiterhin festgestellt, daß gewöhnlich wiederholtes Schmelzen von hochschmelzenden
Metallen notwendig ist, wenn hohe Reinheitsgrade erzielt werden sollen. Dies ist
auf zahlreichen Gebieten der modernen Technologie, wobei die wahren chemischen Eigenschaften
von hochschmelzenden Metallen von außerordentlicher Bedeutung sind, sehr wichtig.
Die Anwesenheit von nur wenigen Teilen pro Million an Verunreinigungen in bestimmten
Metallen verändert die physikalischen Eigenschaften derartiger Metalle sehr wesentlich
und macht sie so für bestimmte Anwendungsgebiete völlig ungeeignet. Andererseits
eröffnet die hinreichende Verkleinerung
der Prozentsätze an Verunreinigungen,
wie beispielsweise Sauerstoff, in verschiedenen hochschmelzenden Metallen zahlreiche
neue Möglichkeiten für Herstellungsverfahren sowie für bisher nicht erhältliche
hochschmelzende Elemente. Der erfindungsgemäße Vakuumofen gestattet die Erzielung
von extremen Reinheitsgraden in einem kontinuierlichen Verfahren, wobei nur ein
Durchlauf des Metalls durch den Ofen erforderlich ist.
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Zusätzlich zu den vorhergehenden Ausführungen sei bemerkt, daß die
Unterteilung des erfindungsgemäßen Ofens in getrennte Teile durch Dampfschranken
innerhalb des Ofens dazu dient, die Schwierigkeiten der einzelnen Verfahrensschritte,
die in diesen jeweiligen Regionen durchgeführt werden, auf ein Minimum herabzusetzen.
So wird verhindert, daß die im Anfangsteil 104 stattfindende sehr wesentliche Dampf-
und Gasentwicklung in andere Teile des Ofens gelangt und dadurch die Reinigung begrenzt
oder beispielsweise die zur Erzeugung der teschußenergie verwendeten Elektronenkanonen
beschädigL Diese Trennung der Beschußquellen von der Region mit einer gegebenenfalls
auftretenden Entwicklung von Gasen und Dämpfen während der Metallreinigung, wie
dies durch die im allgemeinen horizontale Dampfschranke 117 erzielt wird,
dient dazu, die Arbeitsfähigkeit dieser Quellen wesentlich zu verbessern sowie deren
Lebensdauer wesentlich zu verlängern. Schwierigkeiten, die sich früher beim Elektronenbeschuß
ergaben, sind beispielsweise durch die vorliegende Erfindung fast völlig beseitigt.
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Es ist klar, daß bei Durchführung der vorliegenden Erfindung zahlreiche
Variationen und Abänderungen möglich sind. So kann es beispielsweise unter bestimmten
Umständen wünschenswert sein, die physikaliche Konfiguration des Beschußstrahls
nahe dem Ofenherd zu verändern oder auch diese Strahlen über die Oberfläche des
Metalls im Ofen zu bewegen. Diesbezüglich ist eine Anzahl von verschiedenen Verfahren
möglich, und es ist lediglich beispielsweise die Einrichtung einer magnetischen
Strahlbewegung in F i g. 8 gezeigt. Diese Figur, die den Herd des Ofens von
F i g. 7 im Querschnitt zeigt, illustriert die Anordnungen von magnetischen
Polschuhen 151 und 152, die sich entlang der Herdseite aufrecht erstrecken.
Diese Polschuhe erstrecken sich unter dem Herd zu gegenüberliegenden Enden einer
Magnetspule 153, die bei geeigneter Erregung einen magnetischen Fluß durch
die Polschuhe und somit auch quer über den Oberteil des Herdes bewirkt. Durch Erregung
dieser Spule 153 mit veränderlichem Strom wird ein magnetisches
Feld zwischen den Magnetstücken über dem Herd erzeugt, das in seiner Intensität
schwankt, und auch, wenn gewünscht, in der Richtung schwanken kann. Ein derartiges
magnetisches Feld im Weg der abwärts auf die Metallschmelze im Herd gerichteten
Strahlen 121 wird diese Strahlen verschieden stark ablenken. Es können daher die
Strahlen wie gewünscht und unter Kontrolle der Erregung der Magnetspule
153 über die Schmelze bewegt werden.
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Die oben im Zusammenhang nüt einer Anzahl von verschiedenen Ausführungsformen
beschriebene vorliegende Erfindung kann auf zahlreiche Weisen abgeändert werden,
um besonderen Forinwünschen oder besonderen Konstruktionserfordernissen zu entsprechen.
So kann beispielsweise die Befestigung des Herdes auf verschiedene Arten durchgeführt
werden, und auch die konstruktive Anordnung des Vakuumgehäuses des Ofens kann geändert
werden, insbesondere bezüglich eines Raumes, um einen langen Metallingot aus einem
Ende des Gehäuses herauszuziehen. So kann beispielsweise das Gehäuse selbst am Boden
montiert sein und eine Ausnehmung oder Grube vorgesehen sein, um den Ingot aus dem
Ofen entsprechend absenken zu können oder es kann der Ofen selbst im Abstand über
dem Fußboden eines Gebäudes od. dgl. montiert sein, so daß ein entsprechender freier
Raum unterhalb des Gehäuses zur Entfernung des Ingots vorgesehen ist. Es sei weiter
darauf hingewiesen, daß verschiedene elektrische Systeme, die mit dem erfindungsgemäßen
Ofen verwendet werden können, nicht gezeigt sind, da dabei auch bekannte Schaltungen
Verwendung finden können. Es ist klar, daß Stromversorgungsmöglichkeiten von beträchtlicher
Kapazität verfügbar sein müssen, um die im Ofen verwendeten Beschußquellen zu speisen.
Außerdem muß die Erregung der Magnetspulen zur Führung und Fokussierung der Strahlen
gewährleistet sein und es müssen geeignete Pumpen und Rohrleitungen zur Abfuhr der
Wänne wie oben beschrieben vorhanden sein. Die Vakuumpumpen müssen entsprechend
kräftig sein, um die gewünschten Vakuumbedingungen innerhalb des Gehäuses sowie
in den einzelnen Regionen des Gehäuses aufrechtzuerhalten, insbesondere wenn angenommen
wird, daß beträchtliche Mengen an Gasen und Dämpfen in wenigstens bestimmten Teilen
des Vakuumgehäuses entwickelt werden können.
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Zusätzlich zur Unterteilung des Vakuumofens in drei getrennte Vakuumregionen
ist es auch möglich, den Strom des geschmolzenen Materials durch eine Mehrzahl von
getrennten Vakuumregionen zu leiten. So ist in F i g. 9 ein Teil eines Vakuumofens
gezeigt, in welchem geschmolzenes Material 33 während der Behandlung dieses
Materials durch eine Vielzahl von getrennt evakuierten Regionen führt. Bei Verwendung
der gleichen Bezeichnungsweise wie in F i g. 1
umfaßt der Ofen von F i
g. 9 den Herd 11 mit einer vertikalen Dampfschranke 21, die eine Anfangsschmelzregion
17 vom restlichen Teil des Fließweges des geschmolzenen Materials
innerhalb des Ofens trennt. Vertikalwände oder Trennwände 66, die sich teilweise
über den Herd erstrecken, erzeugen einen serpentinenartigen Weg für das geschmolzene
Material; wenigstens einige dieser Wände erstrecken sich auswärts und aufwärts und
bilden Dampfschranken W. Diese Wände 66' erstrecken sich um den Herd
herum wie die Schranke 21, und jede hiervon ist mit öffnungen unterhalb der Oberfläche
des durch den Ofen fließenden geschmolzenen Materials 33 versehen. Die Reaktions-
oder Reinigungsregion ist somit in getrennte Abschnitte 18 und
ff geteilt, wobei jede der Regionen separate Evakuierungsanschlüsse
151 besitzt. Bei dieser Konstruktion wird die getrennte Evakuierung von aufeinanderfolgenden
Reaktions- oder Reinigungsregionen, durch welche das geschmolzene Material
33 fließt, ermöglicht, und es kann daher ein besseres Vakuum in aufeinanderfolgenden
Regionen entlang des Fließweges aufrechterhalten werden, um eine möglichst gute
Reinigung des geschmolzenen Materials zu erzielen. Es sei darauf hingewiesen, daß
F i g. 9 nur die Möglichkeit einer Anordnung von aufeinanderfolgenden getrennten
Vakuumregionen entlang des Fließweges zeigt,
und nicht alle Elemente
eines kompletten Ofens; diesbezüglich sei auf die F i g. 1 und
7 verwiesen.
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Bei außerordentlich großen öfen hat es sich als zweckmäßig erwiesen,
eine Vielzahl von Herden vorzusehen, durch welche geschmolzenes Material quer von
einer Anfangsschmelzregion zu einer Kokille fließt, in welcher das gereinigte Material
erstarrt. Wie oben erwähnt, ist eine Verlängerung des Fließweges und eine Vergrößerung
der Oberfläche des geschmolzenen Materials äußerst vorteilhaft, um sehr hohe Reinigungsgrade
zu erzielen. Wenn sehr große Materialmengen zu bearbeiten sind, beseitigt die Anordnung
von aufeinanderfolgenden Herden, durch welche das geschmolzene Material ohne Unterbrechung
fließt, verschiedene Schwierigkeiten bezüglich Konstruktion u. dgl., die sonst auftreten
würden. Eine derartige vielfache Herdanordnung ist schematisch in F i
g. 10 gezeigt, worin drei aufeinanderfolgende Herde 11 a,
11 b und 11 c gezeigt sind, die durch Gießrinnen
61 a und 61 b verbunden sind und schließlich das gereinigte Material
durch eine letzte Gießrinne 61 c in eine Kokille 62 leiten.
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Obwohl in der schematischen Darstellung der F i g. 10 keine
Details des Ofens gezeigt sind, sei doch bemerkt, daß ein oder mehrere Gehäuse 12'
um die Herde angeordnet sind, und natürlich auch geeignete Evakuierungsvorrichtungen
vorgesehen sind, um ein Hochvakuum innerhalb dieses Gehäuses herzustellen. Getrennte
Teile des Gesamtgehäuses 12' können getrennt evakuiert werden, und können weiterhin
von den folgenden Teilen abgetrennt werden, wie beispielsweise durch die strichlierten
Linien in F i g. 10 in übereinstimmung mit der obigen Beschreibung der vorliegenden
Erfindung angedeutet ist. So ist die Region um den ersten Herd lla durch Dampfschranken
in getrennte Teile geteilt, wie dies bereits im Zusammenhang mit F i g. 1
erläutert wurde, und die Regionen um die weiteren Herde 11 b
und
11 c können durch Dampfschranken in getrennte Vakuumregionen geteilt werden,
wie dies oben in Verbindung mit F i g. 9 diskutiert wurde. Wie oben erwähnt,
ist die Verwendung einer Vielzahl von Herden, die einen einzigen langen Fließweg
bilden, bei sehr großen Ofenkonstruktionen besonders zweckmäßig. Es können natürlich
die verschiedenen Ausführungsfonnen und Möglichkeiten der vorliegenden Erfindung,
wie sie hierin beschrieben wurden, und die Variationen, die dem Fachmann geläufig
sind, auf jede gewünschte Art je nach den gegebenen Umständen kombiniert
werden, um besondere Probleme im Zusammenhang mit der Reinigung und dem Vergießen
von anderen Materialien in beliebigen Mengen zu lösen.