DE69413621T2

DE69413621T2 - Schmelzverfahren von elektroleitenden Materialien in einem Induktionsschmelzofen mit kaltem Tiegel und Ofen dafür

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Publication number: DE69413621T2
Application number: DE69413621T
Authority: DE
Inventors: Pascal F-74000 Annecy Colpo; Jean F-38100 Grenoble Driole; Sylvain F-58160 Sauvigny Les Bois Witzke
Original assignee: TECPHY
Current assignee: TECPHY
Priority date: 1993-07-29
Filing date: 1994-07-25
Publication date: 1999-04-29
Anticipated expiration: 2014-07-26
Also published as: DE69413621D1; KR950003779A; CA2128936C; FR2708725B1; CA2128936A1; JPH07207351A; FR2708725A1; EP0636848B1; US5563904A; EP0636848A1; JP3696903B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schmelzen eines elektrisch leitfähigen Materials in einem Induktionsschmelzofen mit kaltem Tiegel sowie auf einen Schmelzofen zur Durchführung dieses Verfahrens.
Bei einem bekannten Verfahren zum Schmelzen eines elektrisch leitfähigen Materials in einem Induktionsschmelzofen mit Kalttiegel wird eine elektrisch leitfähige Materialmenge bis zu ihrer Schmelztemperatur erhitzt, die im flüssigen elektrisch leitfähigen Material enthaltenen festen Einschlußteilchen werden abgeschieden (dekantiert), und ein Teil der flüssigen elektrisch leitfähigen Materialmenge wird durch ein unter dem Schmelzofen angeordnetes Ablaßrohr abgelassen.
Dieses Verfahren wird allgemein angewandt, um ein stabilisiertes Ablassen eines geschmolzenen Metalls mit variabler Ablaßgeschwindigkeit zum Erzielen metallischer Pulver durch Zerstäubung zu verwirklichen.
Hierzu sind Induktionsschmelzöfen bekannt, bei denen ein Tiegel verwendet wird, der zur Aufnahme eines elektrisch leitfähigen Materials bestimmt ist und Kalttiegel genannt wird, weil er dauernd gekühlt wird.
In solchen Öfen wird das teilweise oder vollständige Erschmelzen einer flüssigen elektrisch leitfähigen Materialmenge durch elektromagnetische Eingrenzung in der Weise herbeigeführt, daß die flüssige elektrisch leitfähige Materialmenge auf Abstand zur Wand des Tiegels gehalten wird.
Hierzu besteht der Tiegel aus mehreren metallischen, elektrisch voneinander isolierten Sektoren, die von einer auf elektromagnetischer Induktion beruhenden Einrichtung zum Heizen des im Tiegel enthaltenen elektrisch leitfähigen Materials umgeben sind.
Der Tiegel ist zum Beispiel von zylindrischer Form und weist einen im wesentlichen halbkugel- oder kegelförmigen Boden mit einer Ablaßöffnung auf, an der ein Rohr zum Ablassen der flüssigen elektrisch leitfähigen Materialmenge befestigt ist.
Induktionsschmelzöfen mit metallischem Kalttiegel werden feuerfesten Tiegelöfen vorgezogen, weil letztere die flüssige elektrisch leitfähige Materialmenge durch deren Kontakt mit den feuerfesten Wänden des Tiegels verunreinigen.
Die Verunreinigung rührt daher, daß zum Beispiel aus Sauerstoffverbindungen Einschlußteilchen gebildet werden.
In besonderen Anwendungsfällen, namentlich beim Erarbeiten von Pulvern durch Zerstäubung von Metallen, enthält diese Verunreinigung in den Pulvern zahlreiche Einschlüsse, und es ist insbesondere bekannt, daß das Vorhandensein solcher Einschlüsse in rotierenden, zum Beispiel auf der Grundlage von Nickel hergestellten Flugmotorteilen der Ausgangspunkt von Mängeln in der Betriebsbereitschaft dieser auf Ermüdung beanspruchten Teile sein kann und insbesondere vorzeitige Brüche derjenigen Teile nach sich ziehen kann, die starken Beanspruchungen bei hoher Temperatur ausgesetzt sind.
Zur Vermeidung dieser Nachteile wurden nicht ganz zufriedenstellende Lösungen vorgeschlagen, die auf der Verwendung einer elektromagnetischen. Düse beruhen, welche die Ablaßöffnung für die flüssige elektrisch leitfähige Materialmenge bildet, ohne daß dieses Material mit den Wänden der Düse in Berührung kommt.
Auf dem Gebiet der Regelung der Geschwindigkeit des Abflusses eines flüssigen Metalls durch ein Ablaßrohr beschreiben die Patente FR-A-2 316 026, FR-A-2 396 612 und FR- A-2 397 251 ebenfalls mit Hochfrequenz arbeitende elektromagnetische Vorrichtungen, bei denen eine Kupferabschirmung erforderlich ist, um die gewünschte Eingrenzung zu erzielen.
Die industrielle Umsetzung einer solchen Vorrichtung, zum Beispiel bei einer Anlage zur Zerstäubung von nickelbasierten Superlegierungspulvern, bereitet jedoch ernsthafte Schwierigkeiten.
Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten ist aus dem Patent FR-A-2 649 625 eine elektromagnetische Düse bekannt, die einen mit Windungen versehenen Induktor aufweist, der einer Vorrichtung zum Konzentrieren eines Magnetfelds zugeordnet ist, die zwischen dem mit Windungen versehenen Induktor und den Wänden der Ablaßöffnung angeordnet ist.
Einer solchen Düse haftet der Nachteil an, daß ihre Wirkungsweise von der Wahl spezifischer Dimensionierungsparameter und der Definitionsparameter des angelegten Magnetfelds, wie z. B. der Frequenz und Amplitude des Magnetfelds, abhängt.
Zum anderen ist diese Düse sehr platzaufwendig und liefert eine geringe Ausbeute.
Im übrigen ist aus dem Patent FR-A-2 665 249 auch ein Kalttiegelofen bekannt, zu dem ein magnetisches Joch gehört, das es ermöglicht, ein Zusammendrängen der Feldlinien an der Oberfläche der im Tiegel enthaltenen Schmelze auszulösen.
Dieses Zusammendrängen der Feldlinien bewirkt an der Oberfläche des geschmolzenen Materials eine zentripetale Beförderung der Schmelze, mit der Folge, daß die Schmelze entgegengesetzt zur natürlichen, bei. Fehlen eines solchen Jochs herrschenden Rührrichtung verrührt wird.
Durch diese zentripetale Bewegung an der Oberfläche der Schmelze können die noch nicht ganz geschmolzenen, an der Oberfläche der Schmelze treibenden Stoffe in die Mitte gefördert und anschließend in die Schmelze gezogen werden; dadurch kann die Schmelze ungeachtet der in ihr vorhandenen Einschlüsse umgerührt werden.
Ferner ist aus dem Patent FR-A-2 646 858 ein Verfahren zum Dekantieren der in einer Metallschmelze vorhandenen Einschlüsse bekannt, bei dem die Einschlußteilchen innerhalb der Dicke der elektromagnetischen Oberflächenschicht zur Oberfläche verlagert und dann durch die kältesten Teile des Tiegels eingefangen werden.
Bei diesem Verfahren nutzt man zwei Erscheinungen, nämlich ein elektromagnetisches Rühren, das die Einschlüsse aus der Mitte der Metallschmelze in den Bereich der elektromagnetischen Oberflächenschicht zu befördern erlaubt, und ein Einfangen der Einschlüsse in Oberflächenschicht, wobei die Einschlüsse unter dem Einfluß der magnetischen Druckkräfte zur Wand des Tiegels und an die Oberfläche der Metallschmelze getrieben werden.
Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines Verfahren zum Schmelzen eines elektrisch leitfähigen Materials in einem Induktionsschmelzofen mit kaltem Tiegel, wobei das Verfahren durch Abscheidung der Einschlüsse eine dynamische Volumenreinigung der flüssigen elektrisch leitfähigen Materialmenge vor und während des Ablassens gewährleisten soll.
Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zum Schmelzen eines elektrisch leitfähigen Materials in einem Induktionsschmelzofen mit kaltem Tiegel, wobei
- in dem Schmelzofen eine elektrisch leitfähige Materialmenge elektromagnetisch eingegrenzt wird, bis sie ihre Schmelztemperatur erreicht,
- die im flüssigen elektrisch leitfähigen Material enthaltenen Einschlußteilchen dekantiert werden,
- eine Teilmenge des flüssigen elektrisch leitfähigen Materials durch ein unter dem Schmelzofen angeordnetes Ablaßrohr abgelassen wird,
- der Ablaßstrahl aus flüssigem elektrisch leitfähigem Material in Radialrichtung elektromagnetisch eingegrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
- der Ablaßstrahl aus flüssigem elektrisch leitfähigem Material dieser Eingrenzung mit Hilfe einer besonders flachen elektromagnetischen Spule unterworfen wird,
- das elektromagnetische Feld, das auf die flüssige elektrisch leitfähige Materialmenge wirkt, und das elektromagnetische Feld, das auf den Ablaßstrahl der genannten Menge wirkt, koaxial vertikal zueinander ausgerichtet werden, und
- in der Menge des flüssigen elektrisch leitfähigen Materials durch elektromagnetisches Rühren mindestens ein Wirbel erzeugt wird, in dem die Einschlußteilchen in einer Wirbelbewegung mitgerissen werden und bei Erreichen der Oberfläche der flüssigen elektrisch leitfähigen Materialmenge dekantiert werden.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung werden in der elektromagnetisch gerührten Schmelze des elektrisch leitfähigen Materials wenigstens zwei überlagerte Wirbel erzeugt.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Ofen zum Schmelzen eines elektrisch leitfähigen Materials durch Induktion in einem kaltem Tiegel, zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens, mit einem aus mehreren metallischen, voneinander elektrisch isolierten Sektoren bestehenden Tiegel zum Aufnehmen des leitfähigen Materials, Einrichtungen zum Kühlen der metallischen Sektoren, um den Tiegel herum angeordneten Einrichtungen zum Erhitzen des elektrisch leitfähigen Materials durch elektromagnetische Induktion, einem vertikal unter dem Tiegel angeordneten Rohr zum Ablassen des elektrisch leitfähigen Materials und elektromagnetischen Einrichtungen zum Eingrenzen des flüssigen elektrisch leitfähigen Materialstrahls im Ablaßrohr, wobei die elektromagnetischen Einrichtungen um das Ablaßrohr angeordnet und durch einen Generator gespeist sind, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetischen Einrichtungen zum Eingrenzen des elektrisch leitfähigen Materialstrahls durch eine besonders flache elektromagnetische Spule gebildet sind und daß der Schmelzofen ferner Einrichtungen zum Zentrieren der besonders flachen elektromagnetischen Spule bezüglich der Vertikalachse des Ablaßrohrs und des Tiegels sowie Einrichtungen zum Zentrieren und Positionieren der Sektoren des Tiegels bezüglich der Einrichtungen zum Erhitzen des elektrisch leitfähigen Materials durch elektromagnetische Induktion und bezüglich der elektromagnetischen Einrichtungen zum Eingrenzen des flüssigen elektrisch leitfähigen Materialstrahls aufweist.
Gemäß weiteren Merkmalen der Erfindung
- sind die Einrichtungen zum Zentrieren der besonders flachen elektromagnetischen Spule durch eine die elektromagnetischen Einrichtungen zum Eingrenzen des Strahls enthaltende Hülle aus elektrisch und thermisch isolierendem Material gebildet,
- sind die Einrichtungen zum Zentrieren und Positionieren der Sektoren des Tiegels durch eine um die Sektoren angeordnete Kokille aus elektrisch und thermisch isolierendem Material gebildet, welche die Einrichtungen zum Erhitzen des elektrisch leitfähigen Materials durch elektromagnetische Induktion und die Einrichtungen zum Kühlen der Sektoren enthält,
- weist die elektromagnetische Spule zehn Windungen in Form von Kupferscheiben auf, die über eine Höhe von 30 mm verteilt sind und für einen elektrisch leitfähigen Materialstrahl von ungefähr 12 mm Durchmesser ausgebildet sind,
- ist das Ablaßrohr durch einen in Sektoren unterteilten, doppelwandigen metallischen Zylinder gebildet, der durch Zirkulation eines strömungsfähigen Mediums kühlbar ist,
- gibt der zur Speisung der besonders flachen elektromagnetischen Spule dienende Generator ein Signal gegebener Frequenz ab, dergestalt daß das Verhältnis zwischen dem Radius des Querschnitts des elektrisch leitfähigen Materialstrahls und der Eindringtiefe des elektromagnetischen Feldes über 1,7 liegt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden bei Lektüre der nachstehenden Beschreibung deutlich, die nur als Beispiel angegeben ist und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen angefertigt wurde; darin zeigen
- Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Induktionsschmelzofens mit Kalttiegel,
- Fig. 2 eine in größerem Maßstab dargestellte schematische Schnittansicht des unter dem Schmelzofen angeordneten Ablaßrohrs;
- Fig. 3 eine schematische Darstellung der elektrisch leitfähigen Materialmenge, die elektromagnetisch eingeschlossen ist,
- Fig. 4 und 5 je eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Wanderung der Einschlußteilchen in der elektrisch leitfähigen Materialmenge, und
- Fig. 6 ein Diagramm zur Darstellung einer Variation des Sprungs des magnetischen Drucks zwischen der Achse des Ablaßstrahls und seiner Oberfläche in Abhängigkeit von der Frequenz des Signals, das vom Versorgungsgenerator der elektromagnetischen Einrichtungen zum Eingrenzen des Ablaßstroms abgegeben wird.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Induktionsschmelzofen 10 mit Kalttiegel, der insbesondere zur Reinigung einer elektrisch leitfähigen Materialmenge I vor deren Zerstäubung zur Herstellung von Pulvern bestimmt ist.
Der Schmelzofen 10 weist einen Tiegel 11 auf, der zur Aufnahme des elektrisch leitfähigen Materials 1 bestimmt ist und aus mehreren metallischen, elektrisch voneinander isolierten Sektoren 12 gebildet ist, die jeweils mit einer (in Fig. 1 nicht dargestellten) Einrichtung zum Kühlen durch zirkulierendes Wasser versehen sind.
Die Anzahl metallischer Sektoren 12 beträgt zum Beispiel neun.
Der Tiegel 11 ist zum Beispiel von zylindrischer Form, die in einen im wesentlichen halbkugel- oder kegelförmigen Boden übergeht, der eine Öffnung 13 zum Ablassen der flüssigen elektrisch leitfähigen Materialmenge aufweist.
Der Schmelzofen 10 besitzt ferner eine um den Tiegel 11 angeordnete Einrichtung 14 zum Heizen des elektrisch leitfähigen Materials 1 durch elektromagnetische Induktion.
Diese Einrichtung 14 zum Heizen durch elektromagnetische Induktion umfaßt zum Beispiel acht Windungen.
Der Schmelzofen 10 weist zum Ablassen des flüssigen elektrisch leitfähigen Materials 1 ferner ein Rohr 15 auf, das vertikal unterhalb des Tiegels 11 und in der Achse der Ablaßöffnung 13 und der zum Eingrenzen des flüssigen elektrisch leitfähigen Materialstrahls 1 im Ablaßrohr 15 dienenden Einrichtungen 16 angeordnet ist.
Die elektromagnetischen Einrichtungen 16 zum Eingrenzen des flüssigen elektrisch leitfähigen Materialstrahls sind um das Ablaßrohr 15 angeordnet und werden aus einem in den Figuren nicht dargestellten Generator gespeist.
Wie in Fig. 2 dargestellt, ist das Ablaßrohr 15 aus acht Zylindersektoren 15a gebildet, die durch einen Kreis 17 zur Zirkulation eines Fluids, z. B. Wasser, gekühlt werden.
Die Einrichtungen 16 zum Eingrenzen des flüssigen elektrisch leitfähigen Materialstrahls 1 im Ablaßrohr 15 sind durch eine besonders flache elektromagnetische Spule 16, zum Beispiel eine BITTER-Spule, gebildet, die zum Beispiel zehn über eine Höhe von 30 mm verteilte Windungen 16a in Form von Kupferscheiben aufweist, und zwar für einen elektrisch leitfähigen Materialstrahl von ungefähr 12 mm Durchmesser. Jede der Kupferscheiben ist von 36 Bohrungen von 2,5 mm Durchmesser durchdrungen, die an einen Kreislauf 18 zur transversalen Wasserzirkulation angeschlossen sind, um die elektromagnetische Spule 16 zu kühlen.
Ferner besitzt der Schmelzofen 10 Einrichtungen 20 zum Zentrieren der elektromagnetischen Spule 16 zum Eingrenzen des flüssigen elektrisch leitfähigen Materialstrahls bezüglich der Vertikalachse des Ablaßrohrs 15 und des Tiegels 11, sowie Einrichtungen 25 zum Zentrieren und Positionieren der Sektoren 12 des Tiegels 11 bezüglich der Einrichtungen 14 zum Heizen des elektrisch leitfähigen Materials 1 durch elektromagnetische Induktion und bezüglich der elektromagnetischen Spule 16.
Die Einrichtungen zum Zentrieren der elektromagnetischen Spule 16 bestehen aus einer Hülle 20 aus Isolierstoff, zum Beispiel PERMAGLAS, welche die Windungen 16a der elektromagnetischen Spule 16 einschließt.
Die Einrichtung zum Zentrieren und Positionieren der Sektoren 12 des Tiegels 11 besteht aus einer Kokille 25 aus Isolierstoff, zum Beispiel PERMAGLAS, die um die Sektoren 12 angeordnet ist und die Einrichtungen 14 zum Heizen des elektrisch leitfähigen Materials 1 durch elektromagnetische Induktion und die Einrichtungen zum Kühlen der Sektoren 12 einschließt.
Diese Ummantelung ermöglicht es, die Windungen der Einrichtungen 14 zum induktiven Heizen des elektrisch leitfähigen Materials 1 und den Tiegel 11 zu halten, wodurch hydrodynamische Störungen in der flüssigen elektrisch leitfähigen Materialmenge vermieden werden.
Wenn das elektrisch leitfähige Material durch Zerstäubung zu Pulver verarbeitet werden soll, kann der Induktionsofen 10 mit dem Tiegel 11 und dem Ablaßrohr 15 in einem geschlossenen Raum mit gesteuerter Atmosphäre angeordnet werden, und der Ablaßstrahl des elektrisch leitfähigen Materials wird explosionsartig freigesetzt, um das Pulver zu bilden.
Die vollkommene vertikal-zylindrische Geometrie des Ablaßstrahls des elektrisch leitfähigen Materials ist ein wichtiges, ja wesentliches Merkmal der hohen Qualität der durch Zerstäubung erzielten Pulver.
Gemäß einem Anwendungsbeispiel wird die elektrisch leitfähige Materialmenge 1, die aus einem superlegierten Stahl von 5 cm Radius besteht, in den Tiegel 11 gebracht, und die von den Einrichtungen 14 zum induktiven Heizen übertragene Leistung liegt in der Größenordnung von 50 kW bei einem Strom von 1000 A und einer Frequenz von 20 kHz.
Das Verfahren zum Schmelzen des elektrisch leitfähigen Materials 1 im Schmelzofen 10 besteht aus folgenden Schritten:
- die elektrisch leitfähige Materialmenge 1 wird im Schmelzofen 10 elektromagnetisch eingeschlossen, bis sie ihre Schmelztemperatur erreicht,
- die festen und flüssigen Einschlußteilchen, die im flüssigen elektrisch leitfähigen Material 1 enthalten sind, werden abgeschieden (dekantiert),
- ein Teil der elektrisch leitfähigen Materialmenge 1 wird durch das Ablaßrohr 15 abgelassen, und dabei wird der Ablaßstrahl aus flüssigem elektrisch leitfähigen Material 1 in Radialrichtung elektromagnetisch eingegrenzt,
- das elektromagnetische Feld, das auf die flüssige elektrisch leitfähige Materialmenge 1 wirkt, und das elektromagnetische Feld, das auf den. Ablaßstrahl der elektrisch leitfähigen Materialmenge wirkt, werden in einer Linie koaxial vertikal übereinander angeordnet, und
- in der flüssigen elektrisch leitfähigen Materialmenge 1 wird durch elektromagnetisches Rühren wenigstens ein Wirbel 30 (Fig. 3) gebildet, in dem die festen Einschlußteilchen in einer Wirbelbewegung mitgerissen und abgeschieden werden, sobald sie die Oberfläche der elektrisch leitfähigen Materialmenge 1 erreichen. Vorzugsweise werden in der flüssigen, elektrisch leitfähigen, elektromagnetisch umgerührten Materialmenge 1 wenigstens zwei überlagerte Wirbel 30 erzeugt.
Die Anmelderin hat herausgefunden, daß die nicht leitfähigen Teilchen, die in der elektrisch leitfähigen Materialmenge 1 enthalten sind, im Bereich eines elektromagnetischen Wirbels einer Reihe von Kräften ausgesetzt sind, wie zum Beispiel dem Strömungswiderstand, der Trägheitskraft, dem Auftrieb, dem hydrodynamischen Druck, der Lorentzkraft, woraus das Verhalten der Einschlußteilchen unter speziellen elektromagnetischen Rührbedingungen erschlossen werden konnte.
Unter Berücksichtigung dieser verschiedenen Parameter hat die Anmelderin eine Konfiguration ermittelt, die für die Abtrennung der nicht leitfähigen Einschlußteilchen, die in der geschmolzenen und eingeschlossenen elektrisch leitfähigen Materialmenge 1 enthalten sind, und für ihre Abscheidung an der Oberfläche dieser Materialmenge am günstigsten ist.
Die für diese Abscheidung günstigste Konfiguration wird durch die Form der freien Oberfläche der flüssigen elektrisch leitfähigen Materialmenge, die Dimension dieser Materialmenge, die Dicke der elektromagnetischen Oberflächenschicht, die Morphologie der elektromagnetischen Rühranordnung und die Geometrie des Ablaßstrahls gewährleistet.
Daher besteht das erfindungsgemäße Verfahren darin, beim elektromagnetischen Umrühren in der flüssigen elektrisch leitfähigen Materialmenge 1 wenigstens einen Wirbel 30 zu erzeugen, in dem die festen oder flüssigen Einschlußteilchen in einer spiralförmigen Wirbelbewegung mitgerissen werden und abgetrennt werden, sobald sie an die Oberfläche der flüssigen elektrisch leitfähigen Materialmenge 1 gelangen.
Dies wird insbesondere dadurch erreicht, daß sichergestellt wird, daß die Achse des Tiegels 11, der die flüssige elektrisch leitfähige Materialmenge 1 enthält, und die Längsachse des Ablaßrohrs 15 koaxial miteinander fluchten.
Durch diese koaxiale Ausrichtung erzeugt die elektromagnetische Spule 16 der Einrichtung zum Eingrenzen des Strahls notwendigerweise ein elektromagnetisches Feld, das zur Vertikalachse des Schmelzofens 10 zylindersymmetrisch ist.
Während bisher die Geometrie der elektromagnetischen Spule zum Eingrenzen des Strahls vernachlässigbar erschien, hat die Anmelderin herausgefunden, daß diese Geometrie eine erstrangige Rolle spielt.
Eine herkömmliche spiralförmige Spule mit einem Leiter von kreisförmigem Rohrquerschnitt kann sich für die Eingrenzung des Ablaßstrahls nicht eignen, denn jede der Windungen bildet einen Strompfad, der in einer gegenüber der Vertikalachse geneigten Ebene verläuft, unmittelbar abhängig von der Wendelsteigung der elektromagnetischen Spule.
Aufgrund dessen erzeugt eine herkömmliche elektromagnetische Spule ein Magnetfeld, das Instabilitäten des Ablaßstrahls hervorruft.
Um diese Störung zu vermeiden, sind die Einrichtungen zum Eingrenzen des Ablaßstrahls der elektrisch leitfähigen Materialmenge erfindungsgemäß durch eine besonders flache elektromagnetische Spule 16 der vorstehend beschriebenen Bauart gebildet.
Um die Zylindersymmetrie des Ablaßstrahls sicherzustellen, wird das von der elektromagnetischen Spule 16 erzeugte elektromagnetische Feld so bestimmt, daß der Sprung des magnetischen Drucks bei einer gegebenen Leistung des die elektromagnetische Spule 16 speisenden Generators maximal ist.
In Fig. 3 ist schematisch die Bewegung der flüssigen elektrisch leitfähigen Materialmenge 1 dargestellt; die Bewegung drückt sich in den beiden überlagerten Wirbeln 30 aus, deren Verschiebungsgeschwindigkeit ungefähr 0,2 m/s beträgt.
Die Fig. 4 und 5 stellen zwei schematische Ansichten des Transports von nicht leitfähigen Einschlußteilchen im oberen bzw. im unteren Wirbel dar.
Bekanntlich werden die festen Einschlußteilchen entfernt (dekantiert), sobald sie die Oberfläche der flüssigen elektrisch leitfähigen Materialmenge 1 erreichen, unabhängig vom Mechanismus zum Einfangen dieser Teilchen im Bereich der freien Flächen oder an einer kalten Wand, durch Grenzflächenphänomene, wie den magnetischen Druck.
Die Messung der Dekantierungszeit erlaubt es, die zum Schmelzen der elektrisch leitfähigen Materialmenge und zum Umrühren dieser Materialmenge erforderliche Mindestdauer zu beherrschen, welche die Reinigung durch Entfernung der Einschlußteilchen gegebener Größe sicherstellt.
Die Zeit zur Abtrennung der Einschlußteilchen ist für diejenigen Teilchen, die sich anfangs in der Nähe des oder der Wirbel 30 befinden, maximal; für Einschlußteilchen geringer Größen ist die Abtrennzeit sehr lang.
Ferner hat die Anmelderin festgestellt, daß die Wirksamkeit der elektromagnetischen Eingrenzung des Ablaßstrahls der elektrisch leitfähigen Materialmenge 1 umso höher ist, je größer der Sprung des magnetischen Drucks zwischen der Achse und der Oberfläche des Ablaßstrahls ist.
Der Sprung des magnetischen Drucks hängt von der angelegten elektromagnetischen Feldstärke und von der Eindringtiefe des Magnetfelds im Ablaßstrahl ab.
Bei konstanter Generatorleistung gibt es eine optimale Frequenz, die den größtmöglichen Sprung des magnetischen Drucks zu erzielen erlaubt.
Fig. 6 zeigt drei Kurven, die die Variation des Werts des Drucksprungs ΔPm in Abhängigkeit vom Verhältnis des Radius R des Ablaßstrahls zur Eindringtiefe δ des Magnetfelds darstellen, und zwar für verschiedene spezifische elektrische Widerstände ρ des elektrisch leitfähigen Materials.
Aus dieser Figur ist ersichtlich, daß das Optimum des Drucksprungs ΔPm erreicht wird, wenn das Verhältnis des Radius R des Ablaßstrahls zur Eindringtiefe b des Magnetfelds ungefähr 1,7 beträgt, was bei einem 7 mm großen Radius des Ablaßstrahls und einer Legierung mit einem spezifischen Widerstand von 130·10&sup8; Ωcm einer Frequenz von ungefähr 20 kHz entspricht.
Dank der elektromagnetischen Eingrenzung des Ablaßstrahls, die mit der koaxialen Anordnung der Magnetfelder der Einrichtung zur Eingrenzung des Ablaßstrahls, der Einrichtung zum induktiven Heizen der elektrisch leitfähigen Materialmenge, des Tiegels und der elektrisch leitfähigen Materialmenge zusammenhängt, ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren, eine Beherrschung des elektromagnetischen Umrührens dieser flüssigen Materialmenge zu erreichen und gleichzeitig die kontinuierliche Abtrennung der im elektrisch leitfähigen Material eingeschlossenen festen Verunreinigungen zu gewährleisten und dadurch auch eine verbesserte Qualität der Produkte zu erzielen.

Claims

1. Verfahren zum Schmelzen eines elektrisch leitfähigen Materials (1) in einem Induktionsschmelzofen (10) mit kaltem Tiegel, wobei

- in dem Schmelzofen (10) eine elektrisch leitfähige Materialmenge (1) elektromagnetisch eingegrenzt wird, bis sie ihre Schmelztemperatur erreicht,

- die im flüssigen elektrisch leitfähigen Material (1) enthaltenen Einschlußteilchen dekantiert werden,

- eine Teilmenge des flüssigen elektrisch leitfähigen Materials (1) durch ein unter dem Schmelzofen (10) angeordnetes Ablaßrohr (15) abgelassen wird,

- der Ablaßstrahl aus flüssigem elektrisch leitfähigem Material (1) in Radialrichtung elektromagnetisch eingegrenzt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

- der Ablaßstrahl aus flüssigem elektrisch leitfähigem Material (1) dieser Eingrenzung mit Hilfe einer besonders flachen elektromagnetischen Spule unterworfen wird,

- das elektromagnetische Feld, das auf die flüssige elektrisch leitfähige Materialmenge (1) wirkt, und das elektromagnetische Feld, das auf den Ablaßstrahl der genannten Menge wirkt, koaxial vertikal zueinander ausgerichtet werden, und

- in der Menge des flüssigen elektrisch leitfähigen Materials (1) durch elektromagnetisches Rühren mindestens ein Wirbel (30) erzeugt wird, in dem die Einschlußteilchen in einer Wirbelbewegung mitgerissen werden und bei Erreichen der Oberfläche der flüssigen elektrisch leitfähigen Materialmenge (1) dekantiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der elektromagnetisch gerührten Menge des flüssigen elektrisch leitfähigen Materials (1) wenigstens zwei überlagerte Wirbel (30) erzeugt werden.

3. Ofen (10) zum Schmelzen eines elektrisch leitfähigen Materials (1) durch Induktion in einem kaltem Tiegel, zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, mit einem aus mehreren metallischen, voneinander elektrisch isolierten Sektoren (12) bestehenden. Tiegel (11) zum Aufnehmen des leitfähigen Materials (1), Einrichtungen zum Kühlen der metallischen Sektoren (12), um den Tiegel (11) herum angeordneten Einrichtungen (14) zum Erhitzen des elektrisch leitfähigen Materials (1) durch elektromagnetische Induktion, einem vertikal unter dem Tiegel (11) angeordneten Rohr (15) zum Ablassen des elektrisch leitfähigen Materials (1) und elektromagnetischen Einrichtungen (16) zum Eingrenzen des flüssigen elektrisch leitfähigen Materialstrahls (1) im Ablaßrohr (15), wobei die elektromagnetischen Einrichtungen (16) um das Ablaßrohr (15) angeordnet und durch einen Generator gespeist sind, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetischen Einrichtungen zum Eingrenzen des elektrisch leitfähigen Materialstrahls (1) durch eine besonders flache elektromagnetische Spule (16) gebildet sind und daß der Schmelzofen (10) ferner Einrichtungen (20) zum Zentrieren der besonders flachen elektromagnetischen Spule (16) bezüglich der Vertikalachse des Ablaßrohrs (15) und des Tiegels (11) sowie Einrichtungen (25) zum Zentrieren und Positionieren der Sektoren (12) des Tiegels (11) bezüglich der Einrichtungen (14) zum Erhitzen des elektrisch leitfähigen Materials (1) durch elektromagnetische Induktion und bezüglich der elektromagnetischen Einrichtungen (16) zum Eingrenzen des flüssigen elektrisch leitfähigen Materialstrahls (1) aufweist.

4. Schmelzofen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Zentrieren der besonders flachen elektromagnetischen Spule (16) durch eine diese Spule (16) enthaltende Hülle aus elektrisch und thermisch isolierendem Material gebildet sind.

5. Schmelzofen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Zentrieren uncl Positionieren der Sektoren (12) des Tiegels (11) durch eine um die Sektoren (12) angeordnete Kokille (25) aus elektrisch und thermisch isolierendem Material gebildet sind, welche die Einrichtungen (14) zum Erhitzen des elektrisch leitfähigen Materials (1) durch elektromagnetische Induktion und die Einrichtungen zum Kühlen der Sektoren (12) enthält.

6. Schmelzofen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, da die elektromagnetische Spule (16) zehn Windungen (16a) in Form von Kupferscheiben aufweist, die über eine Höhe von 30 mm verteilt und für einen elektrisch leitfähigen Materialstrahl von ungefähr 12 mm Durchmesser ausgebildet sind.

7. Schmelzofen nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablaßrohr (15) durch einen in Sektoren unterteilten, doppelwandigen metallischen Zylinder gebildet ist, der durch Zirkulation eines strömungsfähigen Mediums kühlbar ist.

8. Schmelzofen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Speisung der besonders flachen elektromagnetischen Spule (16) dienende Generator ein Signal gegebener Frequenz abgibt, so daß das Verhältnis zwischen dem Radius des Querschnitts des elektrisch leitfähigen Materialstrahls (1) und der Eindringtiefe des elektromagnetischen Feldes über 1,7 liegt.