CH494939A - Flüssigkeitsgekühlter Tiegel - Google Patents
Flüssigkeitsgekühlter TiegelInfo
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Description
Flüssigkeitsgekühlter Tiegel Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen flüssigkeitsgekühlten Tiegel zur Wärmebehandlung von elektrisch leitfähigen Materialien und insbesondere zum Schmelzen von solchen Materialien, welche im heissen Zustand stark reaktionsfähig sind und daher besonders gefährdet sind, während der Behandlung durch das Material des Tiegelbehälters verunreinigt zu werden. Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten Tiegel, dessen Wand von Metallrohren hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit gebildet und der zum Schmelzen des Schmelzgutes im Hochfrequenzfeld einer Induktionsspule angeordnet wird. Erfindungsgemäss besteht die Tiegelwand aus parallel nebeneinander angeordneten Rohrabschnitten, von denen einige ins Innere des Tiegels einspringenden Teile aufweisen, welche den Tiegelboden bilden, und dass der Abstand der Rohre so gering bemessen ist, dass geschmolzenes Beschichtungsmaterial die Tiegelwand nicht durchdringen kann. Unter einem Metall mit hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit wird zum Zwecke der vorliegenden Beschreibung ein Metall mit einer thermischen Leitfähigkeit von nicht weniger als 0,49 Gramm Kalorien pro Sekunde pro cm2 pro C pro cm und einem spezifischen elektrischen Widerstand von nicht mehr als 2,66510-6 Ohm pro cm2 bei 0 C definiert. Von den geeigneten Metallen Silber, Gold und Kupfer wird Silber bevorzugt, da es zur Vemiinderung des Wärmeverlustes aus dem Schmelzgut durch Strahlung besonders gut poliert werden kann. Es können sowohl Legierungen dieser Metalle als auch eine Oberflächenschicht des einen Metalles, wie Silber, auf einen aus einem anderen Metall, wie Kupfer, gefertigten Teil verwendet werden. Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutertin denen: die Fig. 1A bzw. 1B eine Seitenansicht und eine Unteransicht der Fig. 1A entlang der Schnittlinie X-X einer ersten Ausführungsform eines Tiegels, die Fig. 2 eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform eines Tiegels, die Fig. 3A bzw. 3B eine Seitenansicht und eine Unteransicht einer dritten Ausführungsform eines Tiegels, die Fig. 4A bzw. 4B teilweise im Schnitt eine Seitenansicht und eine Unteransicht einer vierten Ausführungsform eines Tiegels, und die Fig. 5 in Seitenansicht eine Wärmebehandlungsvorrichtung bedeuten, die irgendeinen Tiegel der vier Ausführungsformen enthält. Jede der zu beschreibenden Tiegelausführungen ist aus einem mit Silber plattierten Kupferrohr von rund 8 mm äusserem Durchmesser und einer Wandstärke von ca. 0,8 mm gefertigt. Jede Tiegeiausführungsform besteht aus einem kreisförmigen Bündel derartiger Rohre, welche zur Verhütung des Entweichens von Schmelzgutmaterial genügend dicht nebeneinander, beispielsweise 1,6 mm voneinander getrennt, mit ihren Achsen senkrecht zum Umkreis des Tiegels angeordnet sind. Der innere Durchmesser und die Länge einer jeden Tiegelausführungsform ist derart bemessen, dass er eine Füllung von etwa 1 kg aufnehmen kann. Die erste Ausführungsform eines Tiegels nach der Erfindung gemäss den Fig. 1A und 1B enthält für die Kühlflüssigkeit einen ringförmigen Verteilerkopf 1 mit einem Einlass 2 und einem Auslass 3. Einander gegen überliegende Platten 4 im Verteilungskopf trennen die Einlasskammer 5 von der Auslasskammer 6. Von der oberen Oberflächenseite des Verteilungskopfes 1 erstrecken sich 12 Rohrabschnitte 7; davon stehen die Hälfte der Rohrabschnitte mit der Einlasskammer 5 und die andere Hälfte der Rohrabschnitte mit der Auslasskammer 6 in Verbindung. Durch in umgekehrte U-Fonn einzeln gebogene Rohre werden Paare von Rohrabschnitten 7 gebildet. Dabei ragt ein Rohrabschnitt eines jeden Paares aus der Einlasskammer 5 und der andere Rohrabschnitt eines jeden Paares aus der Auslasskammer 6. Somit kann Kühlflüssigkeit durch die Rohre geleitet werden. Die U-förmigen Bogen befinden sich oberhalb des das Schmelzgut enthaltenden Tiegelabschnittes und werden derartig angeordnet, dass der Tiegel eine obere Öffnung für das Einsatzmaterial aufweist. Der Boden des Tiegels wird durch unten einander gegenüberliegende einspringende Teile 8 der Rohrabschnitte gebildet, die sich nach innen gegeneinander mit den Scheiteln 9 der einspringenden Teile erstrekken, welche zusammen eine hinseichena kleine freie°Öff- nung 10 bilden, so dass das feste Tiegelbeschickungsmaterial am Durchfallen gehindert ist. Die erforderliche Grösse der Öffnung 10 ergibt sich nach der Grösse der festen Teile des Beschickungsmaterials und ist abhängig vom Durchmesser und der Anzahl der den Tiegel bildenden Rohrabschnitte. Die Öff- nung ist nur dann erforderlich, wenn die Entfernung des Einsatzmaterials aus dem Tiegel durch unten erfolgendes Ausfliessen des geschmolzenen Materials in einen geeigneten unteren Behälter erforderlich ist. Besteht ein derartiges Erfordernis nicht, dann können die Scheitel der einspringenden Teile dadurch genügend weit genähert werden, indem man sie an diesem Punkt gegeneinander spitz zulaufen lässt. Dadurch wird ein Durchfliessen von geschmolzenem Material ausgeschlossen. Die zweite Ausführungsform eines Tiegels gemäss der Fig. 2 ist sehr ähnlich der ersten Form ausgebildet, mit der Ausnahme, dass jeder der die Tiegelwand bildenden Rohrabschnitte 20 aus einzelnen Rohren besteht, die sich zwischen einem ringförmigen unteren Verteilungskopf 21 und einem ringförmigen oberen Verteilungskopf 22 zum Durchleiten der Kühlflüssigkeit durch die Rohre erstrecken. Der innere Durchmesser des oberen Verteilungskopfes 22 ist grösser als der innere Durchmesser des die Beschickung enthaltenden Tiegelraumes, um das Füllen des Tiegels von oben zu erlauben. Der Tiegelboden ist, wie bei der ersten Ausführungsform, durch einspringende Teile 23 der Rohrabschnitte gebildet, die zwischen ihren Scheiteln im Bedarfsfalle eine untere Ausflussöffnung bilden können. Die dritte Ausführungsform eines Tiegels gemäss den Fig. 3A und 3B weist beide ringförmige Verteilungsköpfe 30 und 31 oberhalb des die Beschickung enthaltenden Raumes auf. Um eine Beladung des Tiegels von oben zu ermöglichen, weist jeder Verteilungskopf einen grösseren inneren Durchmesser als der innere Durchmesser des die Beschickung enthaltenden Raumes auf. Die Wand des Tiegels besteht aus 12 parallel zueinander angeordneten Rohrabschnitten 32, die von 6 einzelnen Rohren gebildet werden, wovon jedes zwischen den beiden Verteilungsköpfen eingefügt ist, damit die Kühlflüssigkeit durch die Rohre geschickt werden kann. Jedes der einzelnen Rohre erstreckt sich nach unten von einem der Verteilungsköpfe und bildet einen Teil der Tiegelwand. Es weist ferner einen einspringenden Bereich mit dem nach innen sich erstreckenden Teil 33 auf, der teilweise den Tiegelboden bildet. Der nach aussen führende Teil 34 Ides einspringenden Bereiches ist zusätzlich derartig gebogen, dass der Rest des Rohres einen angrenzenden Rohrabschnitt bildet, dessen Ende im anderen Verteilungskopf endet. Wie bei der ersten und zweiten Ausbildungsform des Tiegels umgrenzen die Scheitel 35 der einspringenden Bereiche zusammen eine freie Öffnung 36, um unten das geschmolzene Material des Tiegeleinsatzes abzulassen, während das feste Material des Tiegeleinsatzes zurückbehalten wird. Bei der vierten Ausbildungsform des Tiegels gemäss den Fig. 4A und 4B befinden sich zwei ringförmige Verteilungsköpfe 40 und 41 oberhalb des das Beschickungsmaterial enthaltenden Tiegelraumes. Jeder Verteilungskopf hat einen inneren Durchmesser, der grösser ist als der innere Durchmesser des die Beschikkung enthaltenden Raumes, um die Beladung des Tiegels von oben zu ermöglichen. Die Tiegelwand wird aus 12 parallel zueinander angeordneten Rohrabschnitten gebildet, die je aus einzelnen sich nach unten vom unteren Verteilungskopf 41 sich erstreckenden Rohr bestehen. Jeder Rohrabschnitt läuft am Boden des Tiegels in einem geschlossenen Ende aus. Die geschlossenen Enden 43 von wechselweise aufeinanderfolgenden Rohren laufen jeweils paarweise derartig aufeinander, dass sie zusammen eine freie Öffnung 44 zum Ablassen des geschmolzenen Einsatzmaterials unter Zurückbehaltung des festen Einsatzmaterials nach unten umschreiben. Innerhalb eines jeden Rohrabschnitts 42 befindet sich ein dünneres Rohr 45, das kurz vor dem geschlossenen Ende des Rohrabschnittes endet und nach oben dicht unter den unteren Verteilungskopf 41 geführt mit dem oberen Verteilungskopf 40 in Verbindung steht, so dass die Kühlflüssigkeit durch die Rohre geschickt werden kann. Bei sämtlichen der oben beschriebenen Ausführungsformen von Tiegeln können die die Wand bildenden Rohrabschnitte an der Innen- und Aussenseite eines Kreisschnittes abgeflacht werden, um bei vorgegebenem Ausgangsrohrdurchmesser einen vergrösserten Durchmesser des die Beschreibung enthaltenden Raumes zu erhalten. Wird ein Tiegel nach einer der oben beschriebenen Ausführungsformen in eine Vorrichtung zur WärmebeW handlung von elektrisch leitendem Material eingefügt, so umgibt eine Primärinduktionsspule, welche beträchtlich schmäler ist als die Länge des die Beschickung enthaltenden Tiegelvolumens, den Tiegel. Mit einer geeigneten Energiequelle verbunden, dient sie als Hoch frequenzstromquelle, um in jedem der die Tiegelwand bildenden Rohre, durch die eine Kühlflüssigkeit - wie Wasser - umläuft, am Umfang und in einer Tiefgelbe schickung von leitendem Material kreisende Ströme hervorzurufen, so dass die Beschickung über eine schmale waagrechte Zone, wenn erforderlich, über den Schmelzpunkt der Beschickung erhitzt wird. Die durch die umlaufenden Ströme in der Tiegelwand und deshalb in der Beslchickung hervorgerufenen magnetischen Felder bewirken eine gegenseitige Abstossung zwischen der geschmolzenen Beschickungszone und den angrenzenden Oberflächen des Tiegels. Sind die Stromdichten ausreichend hoch, dann wird die Beschickung von den angrenzenden Tiegeloberflächen weggerissen. Dieses Fehlen eines Kontaktes zwischen der geschmolzenen Beschickung und dem Tiegel vermindert beträchtlich den Wärmeverlust aus der Beschickung und schliesst im Grunde die Möglichkeit einer Verunreinigung durch das Tiegelmaterial aus. Eine Ausbildungsform einer derartigen Vorrichtung kann zum Kristallziehen verwendet werden, indem das Tiegelbeschickungsmaterial, beispielsweise Silicium, am oberen Ende der Beschickung geschmolzen gehalten wird und der Impfkristall aus der Schmelze gezogen wird. Eine andere Ausbildungsform einer Vorrichtung veranschaulicht die Fig. 5 für die Festkörperreinigung von Chrom, wonach die gereinigte Beschickung im Bedarfsfall nach unten abgelassen werden kann. In der Fig.S ist der Tiegel 30 lediglich schematisch dargestellt, da jede der oben beschriebenen Ausbildungsformen verwendet werden kann. Der Tiegel 50 wird an seinem oberen Ende in einer durchlöcherten Platte 51 gelagert, von der sich eine Kammer 52 mit einer Kupferplatte 53 erstreckt, welche zur Beschickung des Tiegels entfernt werden kann. Zwischen der Kammer 52 und der Platte 51 bzw. zwischen der Kammer 52 und der Deckplatte 53 befinden sich geeignete Gasverschlüsse 54 und 55. Aus der Kammer 52 ragen zum Aus- oder Einlassen eines Gases ein Durchführungsrohr 56 und mit den zwei Verteilungsköpfen 59 und 60 verbundene Wasserrohre 57 und 58, so dass Wasser durch die die Tiegelwand bildende Rohre geleitet werden kann. Den Tiegel schliesst ein Quarzrohr 61 ein, welches sich zwischen einem Gasverschlus 62 an der Platte 51 und an einem Gasverschluss 63 an der Grundplatte 62 an der Grundplatte oder dem Tisch 64 erstreckt. In das Quarzrohr ragt ein Rohr 65 zum Ein- oder Ausleiten eines Gases. Ferner ist ein Behälter 66 aus einem geeigneten Material für die Aufnahme des geschmolzenen Beschickungsmaterials aus dem Tiegel 50 vorhanden. Dieser Behälter könnte eine Form zum unmittelbaren Vergiessen sein. Das Quarzrohr umgibt eine Primärinduktionsspule 67, welche mit einer Hochfrequenz-Wechselstromquelle 68 verbunden ist. Zum Erzielen einer relativen Axialbewegung zwischen dem Tiegel und der Induktionsspule 67 sind Mittel (nicht gezeichnet) vorgesehen, welche entweder die Spule 67 relativ zum Tiegel oder den Tiegel relativ zur Spule 67 bewegen. Bei diesem ausgewählten Ausführungsbeispiel wind der Tiegel mit einem Einsatz von teilweise gereinigtem Chrom in Form einer verfestigten Masse oder unregelmässig geformten Stücken beladen. In einer gemäss der Fig.S angeordneten und verschlossenen Vorrichtung wird Wasserstoff oder ein anderes Gas durch die Rohre 54 und 55 zum Einstellen einer reduzierenden Atmosphäre bei einem geeigneten Druck geleitet. Der Primärspule 67 wird soviel Energie zugeführt, dass die Temperatur des Chroms in einer Zone an der Spule auf etwa 1400 C, d. h. unterhalb des Schmelzpunktes von Chrom, ansteigt. Durch Relativbewegung der Spule gegenüber dem Tiegel wird diese Zone hoher Temperatur entlang der gesamten Länge des Chromeinsatzes von unten nach oben gefahren, was die Entfernung jeglicher Sauerstoff spuren im Chrom in der reduzierenden Atmosphäre bewirkt. Nach dieser Behandlung kann der feste Einsatzkörper aus dem Tiegel als Ganzes entfernt werden oder kann in den Behälter 66 gegossen werden, indem die Spule 67 in Reihe mit der unteren Ausflussöffnung des Tiegels gebracht und die Temperatur des Einsatzes in diesem Teil über seinen Schmelzpunkt gebracht wird. PATENTANSPRUGFI Flüssigkeitsgekühlter Tiegel zur Wärmebehandlung, insbesondere zum schmelzen von leitfähigem Material, dessen Wand von Metallrohren hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiegelwand aus parallel nebeneinander angeordneten Rohrabschnitten (7, 20, 32, 42) bb steht, von denen einige ins Innere des Tiegels einspringende Teile (8, 23, 33, 34, 43) aufweisen, welche den Tiegelboden bilden, und dass der Abstand der Rohre so gering bemessen ist, dass geschmolzenes Beschikkungsmaterial die Tiegelwand nicht durchdringen kann. UNTERANSPRÜCHE 1. Flüssigkeitsgekühlter Tiegel nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass je zwei Rohrabschnitte ein U-förmiges Rohr bilden, dessen eines Ende mit einem ersten Verteilungskopf als Einlasskammer, und dessen anderes Ende mit einem zweiten Verteilungskopf als Auslasskammer der Kühlflüssigkeit verbunden sind. 2. Flüssigkeitsgekühlter Tiegel nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilungsköpfe zu einer ringförmigen Kammer mit zwei Trennwänden (4) zusammengefasst sind (Fig. 1). 3. Flüssigkeitsgekühlter Tiegel nach Patentanspruch oder Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ende jedes Rohrabschnittes mit einem ringförmigen ersten Verteilungskopf als Einiasskammer und das andere Ende mit einem zweiten Verteilungskopf als Auslasskammer verbunden sind (Fig. 2, 3, 4). 4. Flüssigkeitsgekühlter Tiegel nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ende jedes Rohrabschnittes (42) mit einem ersten ringförmigen Verteilungskopf (41) verbunden und das andere Ende geschlossen ist, und dass in jedem Rohrabschnitt (42) ein weiterer mit einem zweiten ringförmigen Verteilungskopf (40) verbundener Rohrabschnitt (45) bis an das geschlossene Ende angeordnet ist. 5. Flüssigkeitsgekühlter Tiegel nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die den Tiegelboden bildenden Rohrteile so angeordnet sind, dass sie zusammen im Tiegelboden eine freie Öffnung bilden, die so klein ist, dass sie den Durchgang von festem Beschickungsmaterial des Tiegels verhindert. **WARNUNG** Ende DESC Feld konnte Anfang CLMS uberlappen**.
Claims (1)
- **WARNUNG** Anfang CLMS Feld konnte Ende DESC uberlappen **. kann zum Kristallziehen verwendet werden, indem das Tiegelbeschickungsmaterial, beispielsweise Silicium, am oberen Ende der Beschickung geschmolzen gehalten wird und der Impfkristall aus der Schmelze gezogen wird.Eine andere Ausbildungsform einer Vorrichtung veranschaulicht die Fig. 5 für die Festkörperreinigung von Chrom, wonach die gereinigte Beschickung im Bedarfsfall nach unten abgelassen werden kann. In der Fig.S ist der Tiegel 30 lediglich schematisch dargestellt, da jede der oben beschriebenen Ausbildungsformen verwendet werden kann.Der Tiegel 50 wird an seinem oberen Ende in einer durchlöcherten Platte 51 gelagert, von der sich eine Kammer 52 mit einer Kupferplatte 53 erstreckt, welche zur Beschickung des Tiegels entfernt werden kann.Zwischen der Kammer 52 und der Platte 51 bzw. zwischen der Kammer 52 und der Deckplatte 53 befinden sich geeignete Gasverschlüsse 54 und 55.Aus der Kammer 52 ragen zum Aus- oder Einlassen eines Gases ein Durchführungsrohr 56 und mit den zwei Verteilungsköpfen 59 und 60 verbundene Wasserrohre 57 und 58, so dass Wasser durch die die Tiegelwand bildende Rohre geleitet werden kann.Den Tiegel schliesst ein Quarzrohr 61 ein, welches sich zwischen einem Gasverschlus 62 an der Platte 51 und an einem Gasverschluss 63 an der Grundplatte 62 an der Grundplatte oder dem Tisch 64 erstreckt. In das Quarzrohr ragt ein Rohr 65 zum Ein- oder Ausleiten eines Gases. Ferner ist ein Behälter 66 aus einem geeigneten Material für die Aufnahme des geschmolzenen Beschickungsmaterials aus dem Tiegel 50 vorhanden. Dieser Behälter könnte eine Form zum unmittelbaren Vergiessen sein.Das Quarzrohr umgibt eine Primärinduktionsspule 67, welche mit einer Hochfrequenz-Wechselstromquelle 68 verbunden ist. Zum Erzielen einer relativen Axialbewegung zwischen dem Tiegel und der Induktionsspule 67 sind Mittel (nicht gezeichnet) vorgesehen, welche entweder die Spule 67 relativ zum Tiegel oder den Tiegel relativ zur Spule 67 bewegen.Bei diesem ausgewählten Ausführungsbeispiel wind der Tiegel mit einem Einsatz von teilweise gereinigtem Chrom in Form einer verfestigten Masse oder unregelmässig geformten Stücken beladen. In einer gemäss der Fig.S angeordneten und verschlossenen Vorrichtung wird Wasserstoff oder ein anderes Gas durch die Rohre 54 und 55 zum Einstellen einer reduzierenden Atmosphäre bei einem geeigneten Druck geleitet. Der Primärspule 67 wird soviel Energie zugeführt, dass die Temperatur des Chroms in einer Zone an der Spule auf etwa 1400 C, d. h. unterhalb des Schmelzpunktes von Chrom, ansteigt.Durch Relativbewegung der Spule gegenüber dem Tiegel wird diese Zone hoher Temperatur entlang der gesamten Länge des Chromeinsatzes von unten nach oben gefahren, was die Entfernung jeglicher Sauerstoff spuren im Chrom in der reduzierenden Atmosphäre bewirkt.Nach dieser Behandlung kann der feste Einsatzkörper aus dem Tiegel als Ganzes entfernt werden oder kann in den Behälter 66 gegossen werden, indem die Spule 67 in Reihe mit der unteren Ausflussöffnung des Tiegels gebracht und die Temperatur des Einsatzes in diesem Teil über seinen Schmelzpunkt gebracht wird.PATENTANSPRUGFI Flüssigkeitsgekühlter Tiegel zur Wärmebehandlung, insbesondere zum schmelzen von leitfähigem Material, dessen Wand von Metallrohren hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiegelwand aus parallel nebeneinander angeordneten Rohrabschnitten (7, 20, 32, 42) bb steht, von denen einige ins Innere des Tiegels einspringende Teile (8, 23, 33, 34, 43) aufweisen, welche den Tiegelboden bilden, und dass der Abstand der Rohre so gering bemessen ist, dass geschmolzenes Beschikkungsmaterial die Tiegelwand nicht durchdringen kann.UNTERANSPRÜCHE 1. Flüssigkeitsgekühlter Tiegel nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass je zwei Rohrabschnitte ein U-förmiges Rohr bilden, dessen eines Ende mit einem ersten Verteilungskopf als Einlasskammer, und dessen anderes Ende mit einem zweiten Verteilungskopf als Auslasskammer der Kühlflüssigkeit verbunden sind.2. Flüssigkeitsgekühlter Tiegel nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilungsköpfe zu einer ringförmigen Kammer mit zwei Trennwänden (4) zusammengefasst sind (Fig. 1).3. Flüssigkeitsgekühlter Tiegel nach Patentanspruch oder Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ende jedes Rohrabschnittes mit einem ringförmigen ersten Verteilungskopf als Einiasskammer und das andere Ende mit einem zweiten Verteilungskopf als Auslasskammer verbunden sind (Fig. 2, 3, 4).4. Flüssigkeitsgekühlter Tiegel nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ende jedes Rohrabschnittes (42) mit einem ersten ringförmigen Verteilungskopf (41) verbunden und das andere Ende geschlossen ist, und dass in jedem Rohrabschnitt (42) ein weiterer mit einem zweiten ringförmigen Verteilungskopf (40) verbundener Rohrabschnitt (45) bis an das geschlossene Ende angeordnet ist.5. Flüssigkeitsgekühlter Tiegel nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die den Tiegelboden bildenden Rohrteile so angeordnet sind, dass sie zusammen im Tiegelboden eine freie Öffnung bilden, die so klein ist, dass sie den Durchgang von festem Beschickungsmaterial des Tiegels verhindert.
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