DE1213547B - Electron beam furnace - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. Cl.:Int. Cl .:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:Number:
File number:
Registration date:
Display day:

H05bH05b

Deutschem.: 21h-16/60German: 21h-16/60

St 17794 VIII d/21 hSt 17794 VIII d / 21 h

8. Mai 1961May 8, 1961

31. März 1966March 31, 1966

Die vorliegende Erfindung betrifft Elektronenstrahlofen zum Erhitzen von Materialien durch Elektronenbeschuß im Hochvakuum und insbesondere zum Schmelzen von Materialien und Gießen von Barren aus denselben, wobei sich eine Reinigungswirkung, ein außergewöhnlich hochgradiger Entgasungseffekt und andere Vorteile ergeben. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten, in größerem Maßstab durchführbaren Prozeß während längerer ununterbrochener Zeiträume zu ermöglichen. Weitere Ziele und Vorteile werden aus der folgenden Beschreibung hervorgehen.The present invention relates to electron beam furnaces for heating materials by electron bombardment in a high vacuum and in particular for melting materials and casting ingots from them, with a cleaning effect, an exceptionally high-grade degassing effect and other advantages. An object of the present invention is to provide an improved, to enable larger-scale process to be carried out during prolonged uninterrupted periods of time. Other objectives and advantages will emerge from the description below.

Elektronenstrahlschmelz- und -gießöfen bestehen im wesentlichen aus einem fortwährend evakuierten Tank, in welchem sich ein Behälter für das geschmolzene Metall befindet, der im allgemeinen die Form einer rohrförmigen, wassergekühlten Gießform aufweist, die an ihrem oberen und unteren Ende offen ist. Das erstarrte Material kann progressiv durch das untere Ende der Gießform in Gestalt eines Gußbarrens von ständig zunehmender Länge abgezogen werden. Eine Elektronenkanone emittiert einen Elektronenstrahl nach unten in das offene obere Ende der Gießform und bombardiert das darin befindliche Material, so daß ständig am oberen Ende des erstarrenden Barrens das Material in Form eines kleinen Sumpfes schmelzflüssig erhalten bleibt. Vorzugsweise wird das zu schmelzende Material progressiv zugeführt, d. h. an einer Seite des Elektronenstrahles, so daß der zu schmelzende Materialvorrat in dem Maße, in dem er in den Elektronenstrahl vorgeschoben wird, abschmilzt. Das abgeschmolzene Material fällt in das obere offene Ende der Gießform und ergänzt kontinuierlich das geschmolzene Material der dort befindlichen Schmelze in dem Sumpf.Electron beam melting and casting furnaces essentially consist of a continuously evacuated one Tank in which there is a container for the molten metal, which is generally the shape a tubular, water-cooled casting mold which is open at its upper and lower ends is. The solidified material can progressively pass through the lower end of the mold in the form of an ingot be deducted from ever increasing length. An electron gun emits one Electron beam down into the open top of the mold and bombs what is inside Material, so that constantly at the top of the solidifying ingot the material in the form of a small swamp remains molten. Preferably the material to be melted becomes progressive fed, d. H. on one side of the electron beam, so that the supply of material to be melted in the The extent to which it is pushed into the electron beam melts. The melted Material falls into the upper open end of the mold and continuously replenishes the molten material the melt located there in the sump.

Zur Führung und Fokussierung der Elektronenstrahlen in solchen Elektronenstrahlofen werden verschiedene bekannte Maßnahmen der Elektronenoptik angewandt. Zur Ablenkung von Elektronenstrahlen um einen bestimmten Winkel werden meist Magnetfelder verwendet, deren Feldlinien annähernd senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Elektronen verlaufen. Spulenanordnungen zum Erzeugen derartiger Magnetfelder sind z. B. von Geräten der Fernsehtechnik bekannt.To guide and focus the electron beams in such an electron beam furnace various known measures of electron optics are used. For deflecting electron beams Magnetic fields are mostly used around a certain angle, the field lines of which are approximate run perpendicular to the direction of propagation of the electrons. Coil arrangements for producing such Magnetic fields are z. B. known from television equipment.

Die Hauptpatentanmeldung St 17796 VIIId /21h befaßt sich mit einem Elektronenstrahlofen mit einer ringförmigen Elektromagnetspule, die sich koaxial rund um die ringförmige Gießform herum erstreckt. Das Magnetfeld dieser Spule führt die Elektronen aus der Kanone in die obere Öffnung der Gießform, trotzdem das aus der Schmelze und dem abschmel-Elektronenstrahlofen The main patent application St 17796 VIIId / 21h deals with an electron beam furnace with a annular solenoid coil extending coaxially around the annular mold. The magnetic field of this coil guides the electrons from the cannon into the upper opening of the mold, nevertheless that from the melt and the melting electron beam furnace

Zusatz zur Anmeldung: St 17796 VIII d/21 h ■
Auslegeschrift 1202 918Addition to registration: St 17796 VIII d / 21 h ■
Interpretation document 1202 918

Anmelder:Applicant:

Stauffer Chemical Company,Stauffer Chemical Company,

New York, N. Y. (V. St. A.)New York, N.Y. (V. St. A.)

Vertreter:Representative:

Dipl.-Ing. Dr. jur. V. Busse, Patentanwalt,Dipl.-Ing. Dr. jur. V. Busse, patent attorney,

Osnabrück, Möserstr. 20/24Osnabrück, Möserstr. 20/24

Als Erfinder benannt:
Charles Wendell Hanks,
Orinda, Calif. (V. St. A.)Named as inventor:
Charles Wendell Hanks,
Orinda, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:Claimed priority:

V. St. v. Amerika vom 27. Mai 1960 (32 217)V. St. v. America May 27, 1960 (32 217)

zenden Material sich entwickelnde gasförmige Material eine dichte Ionenwolke in dem von dem Elektronenstrahl durchquerten Raum ausbildet.The evolving gaseous material forms a dense cloud of ions in the electron beam traversed space trains.

Die vorliegende Erfindung ist eine weitere Verbesserung, welche weiteren Nutzen und weitere Vorteile einschließlich der im folgenden angeführten schafft: größere Isolierung der Elektronenkanone von der entwickelten gasförmigen Substanz, woraus sich eine große Verringerung der Häufigkeit von elekirischen Kurzschlüssen in der Kanone ergibt; noch weitere Erhöhung der Lebensdauer der Kanone und viel längere Zeiträume ununterbrochenen Betriebes; bessere Kontrolle der Abschmelzoberfläche des zu schmelzenden Materialwertes; die Abschmelzoberfläche ist angenähert vertikal und sehr scharf ausgebildet; eine schärfere Fokussierung des Elektronenstrahles auf den geschmolzenen Sumpf innerhalb der Gießform, sogar bei Anwesenheit von dichtem Plasma, welches durch Ionisation der entwickelten gasförmigen Substanz gebildet wird; größere Elastizität in der Einstellung der Gestalt des Elektronenstrahles, die es dem Arbeiter ermöglicht, ungünstige Umstände, dieThe present invention is another improvement that has other benefits and others Creates benefits including those listed below: Greater isolation of the electron gun from the evolved gaseous substance, resulting in a great decrease in the frequency of electrical Short circuits in the cannon results; still further increasing the life of the cannon and much longer periods of continuous operation; better control of the ablation surface of the too melting material value; the melting surface is approximately vertical and very sharp; a sharper focus of the electron beam on the molten sump within the Casting mold, even in the presence of dense plasma, which by ionization of the evolved gaseous Substance is formed; greater elasticity in adjusting the shape of the electron beam that it allows the worker to face adverse circumstances

609 540/318609 540/318

sich während des Schmelzprozesses ergeben können, einfacher zu kompensieren, d, h., die Gestalt des Strahles kann so eingestellt werden, daß irgendwelche Hörner, die sich an der Anschmelzoberfläche des Einschmelzblocks manchmal entwickeln, abgeschnitten werden können, ebenso wie auch, daß ein Schmelzprozeß selbst dann fortgesetzt werden kann, wenn ein Teil des Heizdrahtes der Elektronenkanone ausfällt.may arise during the melting process, easier to compensate, i.e. the shape of the Beam can be adjusted so that any horns that are on the melting surface The ingot sometimes develop, can be cut off, as well as that one Melting process can continue even if part of the heating wire of the electron gun fails.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine weitere elektromagnetische Spule etwas oberhalb des Behälters in koaxialer Fluchtung mit der um den Behälter angeordneten Spule vorgesehen und zwischen den beiden Spulen eine an sich bekannte Zuführungsvorrichtung für durch Elektronenbombardement einzuschmelzendes Material angeordnet. Die beiden Spulen sind ferner mit einer Gleichstromquelle verbunden und werden zur Ausbildung eines gemeinsamen Magnetfeldes erregt. Diese beiden Spulen erzeugen miteinander ein Magnetfeld, dessen Kraftlinien nach innen und unten durch die Mitte der Öffnung der oberen Spule konvergieren und in die obere Öffnung der Gießform führen, und innerhalb des Raumes zwischen den beiden Spulen verlaufen die Kraftlinien ungefähr in vertikaler Richtung. Die Elektronenkanone ist über der oberen Spule angeordnet und erzeugt einen hohlen, kegelähnlichen Elektronenstrahl, der nach innen und unten, parallel zu den magnetischen Kraftlinien, konvergiert. Das Magnetfeld lenkt den Strahl durch die mittlere Öffnung der oberen Spule in die obere Öffnung der Gießform. Der Einschmelzblock wird vorzugsweise in horizontaler Richtung zwischen den beiden vertikal angeordneten Spulen nach einwärts zugeführt. Die Erregerströme der beiden Spulen sind individuell durch Rheostate od. dgl. einstellbar. Dies bedingt eine Vergrößerung der Möglichkeiten in der Einstellbarkeit und Beherrschung der Gestalt des Elektronenstrahles. According to the present invention, another electromagnetic coil is slightly above the container provided in coaxial alignment with the coil disposed around the container and between the two coils a feed device known per se for electron bombardment Arranged to be melted material. The two coils are also connected to a direct current source and are excited to form a common magnetic field. These two coils create with each other a magnetic field whose lines of force go inwards and downwards through the center of the Converge opening of the upper coil and lead into the upper opening of the mold, and within of the space between the two coils, the lines of force run approximately in the vertical direction. the Electron gun is placed above the top coil and creates a hollow, cone-like shape Electron beam converging inwards and downwards, parallel to the magnetic lines of force. That Magnetic field directs the beam through the middle opening of the upper coil into the upper opening of the Casting mold. The melt block is preferably vertical in the horizontal direction between the two arranged coils fed inwards. The excitation currents of the two coils are individual adjustable by rheostats or the like. This necessitates an increase in the possibilities for adjustability and control of the shape of the electron beam.

Die vorstehenden Aspekte der Erfindung und noch weitere werden durch die folgende erläuternde Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen noch deutlicher verständlich.The foregoing aspects of the invention and others will become apparent from the following illustrative description in connection with the drawings even more clearly understandable.

Fig. 1 der Zeichnung stellt eine schemätische Ansicht eines Vertikalschnittes eines verbesserten Elektronenstrahlofens dar;1 of the drawings is a schematic view Figure 3 is a vertical section of an improved electron beam furnace;

F i g. 2 ist eine Teilansicht des Vertikalschnittes desselben Ofens, die in etwas größerem Maßstab gezeichnet ist; sie zeigt die typischen magnetischen Kraftlinien und die Flugbahnen der Elektronen.F i g. Figure 2 is a partial view in vertical section of the same furnace, on a somewhat larger scale is drawn; it shows the typical magnetic lines of force and the trajectories of the electrons.

In den Zeichnungen ist eine rohrförmige Kupfergießform mit vertikaler Achse mit 1 bezeichnet. Sie besitzt ein offenes oberes und unteres Ende und ist mit einem Wassermantel 2 versehen, durch welchen Wasser oder ein anderes Kühlmittel durch an sich bekannte Mittel (nicht dargestellt) dauernd durchströmen gelassen werden kann, so daß die Gießform gekühlt und das darin befindliche geschmolzene Material verfestigt werden kann. Auch andere Teile des Ofens können, wenn dies gewünscht wird, mit Wasser gekühlt werden. Da dies durch selbstverständliche Mittel bewerkstelligt werden kann, erübrigt sich eine darauf Bezug nehmende genaue Beschreibung. Das erstarrte Material kann durch das offene untere Ende der Gießform 1 progressiv in Form eines Gußbarrens 3 von ständig wachsender Länge abgezogen werden. Dieser Gußbarren kann von Zeit zu Zeit nach Belieben abgeschnitten werden. Das progressive Abziehen des Gußbarrens kann beispielsweise durch die Rollen 4, die durch einen Elektromotor 5 angetrieben werden, vorgenommen werden.In the drawings, a tubular copper casting mold with a vertical axis is denoted by 1. she has an open upper and lower end and is provided with a water jacket 2 through which Continuously flow through water or another coolant by means known per se (not shown) can be left so that the mold is cooled and the molten therein Material can be solidified. Other parts of the furnace can also be used, if desired Water cooled. Since this can be done by obvious means, is superfluous a detailed description referring to it. The solidified material can through the open lower end of the mold 1 progressively in the form of a cast ingot 3 of constantly growing Length can be deducted. This ingot can be cut off at will from time to time. The progressive withdrawal of the ingot can, for example, by the rollers 4, which by a Electric motor 5 are driven, are made.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich, erstreckt sich eine erste ringförmige elektromagnetische Spule 6 koaxial um die Gießform 1 herum. Ihre vertikale Achse hegt konzentrisch mit dem oberen offenen Ende der Gießform. Diese Spule wird vorzugsweiseAs can be seen from the drawing, a first annular electromagnetic coil 6 extends coaxially around the mold 1. Its vertical axis is concentric with the upper open End of the mold. This coil is preferred

ίο mittels einer inneren Isolationsschicht 7 und einer äußeren, aus Metall bestehenden Hülle 8 geschützt. Die Drahtleitungen 9 und 10 verbinden die Spule 6 mit der Gleichstromquelle 11 in Serie mit einem Rheostat 12, so daß die Spule 6 mit erregendem Gleichstrom von regelbarer Stärke versorgt werden kann. Eine zweite elektromagnetische Spule 13 ist vertikal über der ersten Spule in vertikaler und koaxialer Fluchtung mit der ersten Spule 6 und der rohrförmigen Gießform 1 angeordnet. Die Spule 13 wird vorzugsweise durch eine innere Isolationsschichtίο by means of an inner insulation layer 7 and one outer, made of metal shell 8 protected. The wire lines 9 and 10 connect the coil 6 with the direct current source 11 in series with a rheostat 12, so that the coil 6 with exciting Direct current of adjustable strength can be supplied. A second electromagnetic coil 13 is vertically above the first coil in vertical and coaxial alignment with the first coil 6 and the tubular mold 1 arranged. The coil 13 is preferably covered by an inner insulation layer

14 und eine äußere, aus Metall bestehende Hülle14 and an outer shell made of metal

15 geschützt. Die Drahtleitungen 16 und 17 verbinden die Spule 13 mit der Gleichstromquelle 11 in Serie mit einem Rheostat 18, so daß die Spule 13 mit erregendem Gleichstrom von regelbarer Stärke versorgt werden kann.15 protected. Connect the wire lines 16 and 17 the coil 13 with the direct current source 11 in series with a rheostat 18, so that the coil 13 with exciting direct current of controllable strength can be supplied.

Die beiden Spulen 6 und 13 werden in additiver Magnetflußbeziehung erregt, und die erregenden Ströme, die den beiden Spulen zugeführt werden, können individuell mittels der Rheostate 12 und 18 eingestellt werden. Die so erregten Spulen erzeugen miteinander ein Magnetfeld, welches eine vertikale Symmetrieachse besitzt und dessen Stärke geregelt werden kann. Die magnetischen Kraftlinien konvergieren nach innen und nach unten durch die Spule 13 in das obere offene Ende der Gießform 1 so, wie dies durch strichpunktierte Linien 19 in der Fig. 2 dargestellt ist. Die magnetischen Kraftlinien verlaufen im Raum zwischen den beiden Spulen nahezu vertikal, können aber bis zu einem gewissen Ausmaß bezüglich Lage und Orientierung durch Einstellung der relativen Stärke der beiden Erregerströme verändert werden. Der Öfen wird gewöhnlich mit ungefähr gleicher Amperewindungszahlerregung der Spulen 6 und 13 betrieben.The two coils 6 and 13 are excited in additive magnetic flux relationship, and the exciting Currents that are fed to the two coils can be controlled individually by means of the rheostats 12 and 18 can be set. The so excited coils generate a magnetic field with one another, which is a vertical one Has axis of symmetry and its strength can be regulated. The magnetic lines of force converge inward and downward through the coil 13 into the upper open end of the mold 1 so as this is shown by dash-dotted lines 19 in FIG. The magnetic lines of force run almost vertical in the space between the two coils, but can to a certain extent changed in terms of position and orientation by setting the relative strength of the two excitation currents will. The furnace is usually powered with approximately the same ampere-turns energization Coils 6 and 13 operated.

Eine ringförmige Elektronenkanone ist vertikal über der Spule 13 fluchtend angeordnet. Vorzugsweise ist der Abstand der beiden Spulen 6 und 13 voneinander ungefähr ebenso groß wie der Durchmesser der Gießform, und die Entfernung der Spule 13 von der Elektronenkanone ist relativ groß. Die Elektronenkanone umfaßt in ihrer bevorzugten Ausführungsform eine ringförmige thermionische Kathode 20, die meistens aus einer horizontalen Wolframdrahtschleife besteht und durch die Leitungen 21 und 22 und einen Transformator 23 mit einer Wechselstromquelle 24 verbunden ist, die Wechselstrom durch den Draht 20 zur Erhitzung desselben auf die thermionische Emissionstemperatur liefert.An annular electron gun is vertically aligned above the coil 13. Preferably the distance between the two coils 6 and 13 from one another is approximately the same as the diameter of the mold, and the distance of the coil 13 from the electron gun is relatively large. the The electron gun in its preferred embodiment comprises an annular thermionic Cathode 20, which mostly consists of a horizontal loop of tungsten wire and through the leads 21 and 22 and a transformer 23 is connected to an alternating current source 24, the alternating current through the wire 20 to heat the same to the thermionic emission temperature.

Eine Beschleunigungselektrode 25 ist knapp unter der Kathode 20 angeordnet, und eine Fokussierungselektrode 26 ist knapp über der Kathode 20 angeordnet, wie aus der Zeichnung ersichtlich ist. Elektrische Verbindungen sind vorgesehen, um zu gewährleisten, daß die Beschleunigungselektrode 25 im wesentlichen auf dem gleichen elektrischen Potential wie die Gießform 1, vorzugsweise auf Erdpotential gehalten wird. Dies ist in der Zeichnung schema-An accelerating electrode 25 is arranged just below the cathode 20, and a focusing electrode 26 is arranged just above the cathode 20, as can be seen from the drawing. Electrical connections are provided to ensure that the accelerating electrode 25 essentially at the same electrical potential as the casting mold 1, preferably at ground potential is held. This is schematic in the drawing

tisch durch die Erdverbindungssymbole 27 und 28 angedeutet. Die Kathode 20 und die Fokussierungselektrode 26 werden auf wesentlich negativeren Potentialen gehalten, gewöhnlich 5000 bis 15 000VoIt, als die Beschleunigungselektrode. Dies kann z. B. mittels der Verbindung 29 zwischen Elektrode 26 und Leitung 22 und der Verbindung 30 zwischen Leitung 22 und dem negativen Pol der Hochspannungsgleichstromquelle 31 erreicht werden.table indicated by the earth connection symbols 27 and 28. The cathode 20 and the focusing electrode 26 are held at much more negative potentials, usually 5,000 to 15,000 Volts, than the accelerating electrode. this can e.g. B. by means of the connection 29 between electrode 26 and line 22 and the connection 30 between Line 22 and the negative pole of the high-voltage direct current source 31 can be achieved.

Der Gesamtentwurf der Elektronenkanone kann ähnlich demjenigen sein, welcher in der deutschen Patentanmeldung St 16459 beschrieben ist. Beim vorliegenden Ofen, bei welchem ein Magnetfeld zur Lenkung des Elektronenstrahles verwendet wird, sind die Kathode, die Beschleunigungselektrode und die Fokussierungselektrode so geformt und gefluchtet, daß die Elektronen parallel zu den konvergierenden magnetischen Kraftlinien nach unten und einwärts gelenkt werden, so daß ein hohler, kegelähnliGher konvergierender Strahl gebildet wird. Das Magnetfeld spielt in der Folge bei der Fokussierung und Lenkung des Elektronenstrahles durch die zentrale Öffnung der Spule 13 in die obere Öffnung der Gußform 1 eine bedeutende Rolle.The overall design of the electron gun can be similar to that in the German one Patent application St 16459 is described. In the present furnace, in which a magnetic field is used Steering the electron beam used are the cathode, the accelerating electrode and the focusing electrode is shaped and aligned so that the electrons are parallel to the converging ones magnetic lines of force are directed downwards and inwards, so that a hollow, cone-like converging beam is formed. The magnetic field then plays a role in focusing and directing the electron beam through the central opening of the coil 13 into the upper opening of the Mold 1 plays an important role.

Ein horizontaler Zufuhrungstrog 32 erstreckt sich innen über der. Gießform 1 zwischen den vertikal angeordneten Spulen 6 und 13. Ein Auslaßende 32' befindet sich in der Nähe der oberen öffnung der Gießform. Dieser Zuführungstrog (und auch sein Inhalt) ist elektrisch geerdet, wie durch das übliche . Symbol bei 33 angedeutet ist. Das zu schmelzende Material 34 kann in jeder passenden Form, d. h. in Form von Stangen, Barren, Blöcken von gepreßtem Pulver usw., durch den Trog 32 an einer Seite des Elektronenstrahles, der in die Gießform 1 eindringt, zugeführt werden. Der Zuführungsmechanismus ist symbolisch durch die Rollen 35, die durch den Elektromotor 36 angetrieben werden, dargestellt, Sowie sich das zu schmelzende Material aus der Auslaßöffnung des Zuführungstroges vorschiebt, wird es von dem Elektronenstrahl bombardiert und abgeschmolzen. Das auf diese Weise verflüssigte Material fällt in das obere Ende der Gießform 1 und füllt kontinuierlich einen Teich 3' von geschmolzenem Material auf, der sich am oberen Ende des Gußbarrens 3 befindet und welcher von einer Senke oder Mulde, die sich automatisch in dem erstarrenden Material ausbildet, getragen wird.A horizontal feed trough 32 extends inside over the. Mold 1 between vertically arranged coils 6 and 13. An outlet end 32 ' is located near the upper opening of the mold. This feed trough (and also his Content) is electrically grounded, as by the usual. Symbol at 33 is indicated. The one to be melted Material 34 can be in any convenient form; H. in the form of bars, ingots, blocks of pressed Powder, etc., through the trough 32 on one side of the electron beam entering the mold 1, are fed. The feeding mechanism is symbolized by the rollers 35, which are represented by the Electric motor 36 are driven, as well as the material to be melted from the outlet opening of the feed trough advances, it is bombarded by the electron beam and melted. The material liquefied in this way falls into the upper end of the casting mold 1 and fills continuously a pool 3 'of molten material which is located at the top of the cast ingot 3 is located and which of a depression or trough, which is automatically in the solidifying Material forms, is worn.

Die zweite ringförmige Spule 13 verbessert die magnetische Führung bedeutend, sie verbessert den Ofenbetrieb in wertvoller Weise und erlaubt die Durchführung des Prozesses in einem noch größeren und ökonomischeren Maßstab während längerer Zeiträume ohne Unterbrechung. In dem Raum zwischen den beiden Spulen verlaufen die magnetischen Kraftlinien und die Flugbahnen der Elektronen ungefähr vertikal, und der äußere Rand des Elektronenstrahles ist ziemlich genau vertikal und sehr scharf ausgebildet. Daraus ergibt sich, daß der Block des zu schmelzenden Materials, der durch den Trog 32 zugeführt wird, längs einer sehr scharf definierten und genau lokalisierten vertikalen Schmelzebene abschmilzt. Die gasförmige Substanz, die oft regellos und mit beträchtlicher Geschwindigkeit dieser schmelzenden Ebene entströmt, bewegt sich mehr in horizontaler Richtung als nach oben und entfernt sich daher mehr von der Elektronenkanone, als sie sich dieser nähert.The second annular coil 13 improves the magnetic guidance significantly, it improves the Kiln operation in a valuable way and allows the process to be carried out in an even bigger one and more economical scale for longer periods without interruption. In the space between The magnetic lines of force and the trajectories of the electrons run roughly along the two coils vertical, and the outer edge of the electron beam is almost exactly vertical and very sharp. It follows that the block of material to be melted is fed through the trough 32 is melted along a very sharply defined and precisely localized vertical melt plane. The gaseous substance, often randomly and at a considerable rate of this flowing out of the melting plane, moves more in the horizontal direction than up and away therefore moves more from the electron gun than it approaches it.

Der größte Teil dieses gasförmigen Materials kondensiert sich leicht auf der nächstliegenden kühlen Oberfläche und die Metallhüllen, die die beiden elektromagnetischen Spulen umgeben, dienen als wirksame Sammler für diese gasförmigen Substanzen. Diese Wirkung kann noch verstärkt werden, wenn diese Metallhüllen 8 und 15 durch kontinuierliches Durchleiten von Wasser oder einem anderen Kühlmittel durch die Rohre 37 und 38, die an denselben befestigt sind, gekühlt werden. Auf diese Weise werden die Dämpfe an Stellen kondensiert, an denen die Anhäufung von abgelagertem Material von relativ geringer Bedeutung ist, und die Dämpfe werden von der Elektronenkanone ferngehalten, wo eine solche Anhäufung von abgelagerter Substanz äußerst unvorteilhaft ist. Das auf den Hüllen 8 und 15 abgelagerte Material braucht nur in relativ seltenen Zeitabständen, wenn der Ofen zwecks Vornahme der üblichen Instandsetzungsarbeit abgeschaltet wird, ab-Most of this gaseous material easily condenses on the nearest cool Surface and the metal shells that surround the two electromagnetic coils serve as effective collectors for these gaseous substances. This effect can be intensified when these metal shells 8 and 15 by continuously passing water or another Coolant can be cooled by tubes 37 and 38 attached thereto. To this Way, the vapors are condensed in places where the accumulation of deposited material of is of relatively little concern, and the vapors are kept away from the electron gun where a such accumulation of deposited matter is extremely unfavorable. That deposited on covers 8 and 15 Material only needs in relatively rare time intervals when the furnace is used for the purpose of making the normal repair work is switched off,

ao geschabt zu werden.ao to be scraped.

Die Schaffung einer vertikalen Abschmelzebene hat noch weitere Vorteile: Die Kontrolle der Schmelzgeschwindigkeit ist besser; der Block des zu schmelzenden Materials wirft einen kleinerenThere are other advantages to creating a vertical ablation plane: Control of the Melting speed is better; the block of material to be melted throws a smaller one

25. »Schatten« auf den schmelzflüssigen Sumpf, d. h., es wird eine kleinere Fläche der Supfoberfläche durch den hervorragenden Block von dem Elektronenbeschuß abgeschirmt; es besteht sehr geringe Möglichkeit für die Ausbildung fester Brücken zwischen den Enden des zu schmelzenden Materialblockes und des Gußbarrens innerhalb der Gießform. Selbst wenn Anfänge zu einer solchen Brückenbildung merkbar werden, können diese durch Einregulierung der Gestalt des Feldes mit den Rheostaten 12 und 18 abgeschnitten werden.25. "Shadow" on the molten swamp, d. h., it A smaller area of the soup surface becomes due to the protruding block from the electron bombardment shielded; there is very little opportunity for solid bridges to be formed between the ends of the block of material to be melted and the ingot within the mold. Self if the beginnings of such bridging become noticeable, this can be done through adjustment the shape of the field with the rheostats 12 and 18 are cut off.

Selbst dichte Plasmamengen, die durch Ionisation von relativ großen Mengen gasförmiger Substanz, welche aus dem# schmelzenden Material frei werden, gebildet sind, haben nur geringen Einfluß auf die Gestalt des Elektronenstrahles, wenn gemäß der vorliegenden Erfindung die zweifache Magnetspulenführung verwendet wird. Das dichte Plasma ist nämlich größtenteils in dem Raum zwischen den beiden Spulen, in welchen die Flugbahnen der Elektronen ziemlich vertikal und nahezu parallel zu den magnetischen Kraftlinien verlaufen, eingeschlossen. Die Elektronen fliegen mit hoher Geschwindigkeit längs dieser geraden Flugbahnen und können nicht leicht abgelenkt oder gestreut werden, und daher übt selbst ein hochleitfähiges Plasma in dieser Region nur wenig Wirkung auf die Gestalt des Elektronenstrahles aus.Even dense amounts of plasma produced by the ionization of relatively large amounts of gaseous substance, which are released from the # melting material, are formed, have little influence on the shape of the electron beam, if according to the present Invention the double solenoid guide is used. The dense plasma is namely mostly in the space between the two coils, in which the trajectories of the electrons fairly vertical and nearly parallel to the magnetic lines of force, included. the Electrons fly along these straight trajectories at high speed and cannot easily be distracted or scattered, and therefore practice yourself a highly conductive plasma in this region has little effect on the shape of the electron beam the end.

Der Erregerstrom, der der Spule 13 zufließt, wird durch den Rheostat 18 beim Betrieb des Ofens so geregelt, daß die gewünschte Einengung des Elektronenstrahles, insbesondere die gewünschte Querschnittsfläche des Strahles, der durch die zentrale Öffnung der Spule 13 hindurchgeht, erhalten wird. Der Erregerstrom, der der Spule 6 zufließt, wird mit Hilfe des Rheostaten 12 geregelt, um die gewünschte Gestalt des Strahles auf der Oberfläche des schmelzflüssigen Sumpfes 3' einzustellen. Es besteht eine gewisse Unabhängigkeit zwischen diesen beiden Regelvorrichtungen, und in der Praxis können die Rheostate 12 und 18 im wesentlichen gleichzeitig für beide Zwecke eingestellt werden, doch sind die prinzipiellen Wirkungen der beiden Einstellungsarten so, wie diese beschrieben wurden.The excitation current flowing to the coil 13 is determined by the rheostat 18 during operation of the furnace regulated that the desired narrowing of the electron beam, in particular the desired cross-sectional area of the beam passing through the central opening of the coil 13 is obtained. The excitation current that flows to the coil 6 is regulated with the aid of the rheostat 12 to the desired Adjust the shape of the jet on the surface of the molten sump 3 '. There is a certain Independence between these two regulating devices, and in practice the rheostats can 12 and 18 can be adjusted essentially simultaneously for both purposes, but are the principal ones Effects of the two types of settings as described.

Es wurde gefunden, daß diese beiden unabhängigen Einstellungsmöglichkeiten der elektromagnetischen ■ Erregerströme eine große Vielseitigkeit und Genauigkeit in der Beherrschung der Gestalt des Strahles unter stark variierenden und manchmal entgegengesetzten Bedingungen erlauben. Diese Einstellungen ermöglichen z. B. die Aufrechterhaltung einer gewünschten Strahlenform trotz starker Änderungen in der Schmelzgeschwindigkeit, der Menge der aus dem schmelzenden Material entwickelten gasförmigen Substanz, Änderung in der Art des verarbeiteten Materials u.a. Weiter, wenn Vorsprünge oder andere Ecken in der Abschmelzebene erscheinen oder wenn eine Neigung zur Ausbildung von festen Brücken zwischen dem zu schmelzenden Material und dem Gußbarren auftritt oder wenn ein Teil des schmelzflüssigen Sumpfes zu stark abkühlt und zur Verfestigung neigt, können korrigierende Maßnahmen leicht durch Neueinstellung der Gestalt des Strahles mit Hilfe der beiden Rheostate getroffen werden. * It has been found that these two independent possibilities of setting the electromagnetic excitation currents allow great versatility and accuracy in controlling the shape of the beam under widely varying and sometimes opposite conditions. These settings enable z. B. Maintaining a desired beam shape despite large changes in the melting rate, the amount of gaseous substance evolved from the melting material, change in the type of material processed, etc. of solid bridges between the material to be melted and the cast ingot or if part of the molten sump cools down too much and tends to solidify, corrective measures can easily be taken by readjusting the shape of the beam using the two rheostats. *

Es. ist sogar möglich, mit diesen Mitteln den Betrieb fortzusetzen, wenn ein Teil des Glühdrahtes der Elektronenkanone überbrückt ist, d. h. wenn sich Material von den kondensierenden Dämpfen abscheidet, so daß Teile des kegelförmigen Elektronenstrahles fehlen. Das magnetische Feld kann sehr oft so eingeregelt werden, daß der Rest des Elektronenstrahles über den schmelzflüssigen Sumpf ausgebreitet wird, so daß- der Betrieb ohne Unterbrechung fortgesetzt werden kann. Dies ist von ziemlicher Bedeutung, weil es das Gießen eines Barrens abzuschließen ermöglicht, selbst wenn eine Störung der beschriebenen Art während des Gießens eines Barrens auftritt. Das Unterbrechen des Betriebes zu einer solchen Zeit würde sehr unvorteilhaft sein nicht nur wegen des Zeitverlustes infolge der Unterbrechung, sondern wegen der Möglichkeit, daß der Barren eine Gußnarbe an der Stelle, *wo die Unterbrechung stattgefunden hat, enthalten kann.It. it is even possible to continue operation with these means if part of the filament of the Electron gun is bridged, d. H. when material separates from the condensing vapors, so that parts of the conical electron beam are missing. The magnetic field can be very often adjusted so that the remainder of the electron beam spreads over the molten sump so that operation can be continued without interruption. This is quite a bit Importance because it allows the ingot to be poured even if there is a fault of the type described occurs during the casting of an ingot. Interrupting operations such a time would be very disadvantageous not only because of the time lost as a result of the interruption, but because of the possibility that the ingot will have a casting scar at the point where the interruption occurs has taken place, may contain.

I Fi g. 2 ist der Raum, der von dem Elektronenstrahl erfüllt ist, durch die schraffierten Linien zwischen den Linien 39 und 40 und zwischen den Linien 41 und 42 dargestellt. Es kann festgestellt werden, daß der Strahl überall ziemlich parallel zu den magnetischen Kraftlinien, die den Strahl lenken, verläuft.I Fi g. 2 is the space occupied by the electron beam is satisfied by the hatched lines between lines 39 and 40 and between the Lines 41 and 42 shown. It can be seen that the beam is pretty much parallel to everywhere the lines of magnetic force that direct the beam.

In Fig. 1 ist schematisch ein Vakuumtank 43 dargestellt, der die Gießform, die Elektronenkanone und die zusätzlichen Teile enthält. Der Tank 43 wird kontinuierlich auf ein Hochvakuum evakuiert, vorzugsweise auf 1 Mikron Quecksilber absoluter Druck oder weniger, wozu der Tank über eine großflächige Leitung 44 mit Hochleitungsvakuumpumpen 45 in Verbindung steht. Geeignete Luftschleusen (nicht dargestellt) können, wenn dies gewünscht wird, für die Einführung des zu schmelzenden Materialvorrates, für die Entnahme der Gußbarren, "für die Auswechslung der Elektronenkanone usw. vorgesehen werden.A vacuum tank 43 is schematically shown in FIG. 1 which contains the mold, electron gun and additional parts. The tank 43 will continuously evacuated to a high vacuum, preferably to 1 micron mercury absolute pressure or less, for which the tank via a large-area line 44 with high-performance vacuum pumps 45 in Connection. Appropriate airlocks (not shown) can, if so desired, for the introduction of the material supply to be melted, for the removal of the cast ingots, "for the Replacement of the electron gun, etc. can be provided.

Es wird hervorgehoben, daß die beschriebene besondere Ausführungsform lediglich als ein Beispiel dafür, wie die vorliegende Erfindung ausgeführt werden kann, erläutert worden ist und daß zahlreicheIt is emphasized that the particular embodiment described is only given as an example how the present invention may be practiced has been illustrated and that numerous

Veränderungen und Modifikationen möglich sind, ohne daß von dem erfinderischen Prinzip, welches im vorstehenden geoffenbart wurde, abgewichen wird.Changes and modifications are possible without the inventive principle, which is in the has been disclosed above, is deviated from.

Claims (4)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Elektronenstrahlofen mit einem Behälter für geschmolzenes Material mit Offenem oberen Ende, mit einer oberhalb, entfernt vom Behälter angeordneten Elektronenkanone, die einen konvergierenden Elektronenstrahl in diese obere Öffnung des Behälters zum Beschüß und zur Erhitzung des darin befindlichen geschmolzenen Materials sendet, mit einem kontinuierlich evakuierten Tank, der zumindest den Raum zwischen der Elektronenkanone und dem Behälter umschließt, in welchem ein absoluter Druck von etwa 1 Mikron Hg oder weniger aufrechterhalten wird, und mit einer um den Behälter in der Nähe seiner oberen Öffnung angeordneten elektromagnetischen Spule nach Patentanmeldung St 17796 VIIId/21h, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere elektromagnetische Spule etwas oberhalb des Behälters in koaxialer Fluchtung mit der um den Behälter angeordneten Spule vorgesehen und .zwischen den beiden Spulen eine an sich bekannte Zuführungsvorrichtung für durch Elektronenbombardement einzuschmelzendes Material angeordnet ist.1. Electron beam furnace with a container for molten material with an open top End, with an electron gun located above, remote from the container, the one converging electron beam into this upper opening of the container for bombardment and heating of the molten material in it sends, with a continuously evacuated tank, at least the space between the electron gun and the container encloses in which an absolute pressure of about 1 micron Hg or less is maintained and with an electromagnetic disposed around the container near its top opening Coil according to patent application St 17796 VIIId / 21h, characterized in that a further electromagnetic Coil slightly above the container in coaxial alignment with that around the container Coil provided and .between the two coils a feed device known per se for electron bombardment material to be melted is arranged. 2. Elektronenstrahlofen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden vertikal angeordneten elektromagnetischen Spulen (6, 13) mit einer Gleichstromquelle zum Zwecke der Erzeugung einer additiven Magnetflußbeziehung verbunden werden, so daß die Kraftlinien (19) der kombinierten Magnetfelder nach unten durch die obere Spule hindurch konvergieren und sich angenähert vertikal in das offene Ende des Behälters hinein erstrecken.2. Electron beam furnace according to claim 1, characterized in that the two are vertical arranged electromagnetic coils (6, 13) with a direct current source for the purpose of Generating an additive magnetic flux relationship are connected, so that the lines of force (19) of the combined magnetic fields converge downward through the upper coil and approach each other extend vertically into the open end of the container. 3. Elektronenstrahlofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der einzuschmelzende Materialvorrat zwischen den vertikal angeordneten Spulen (6, 13) durch eine an sich bekannte Zuführungsvorrichtung (32, 35, 36) dem Elektronenstrahl von einer Seite her zugeführt wird.3. Electron beam furnace according to claim 1 or 2, characterized in that the to be melted down Material supply between the vertically arranged coils (6, 13) through a feed device (32, 35, 36) known per se is fed to the electron beam from one side will. 4. Elektronenstrahlofen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß getrennt regelbare Mittel (12, 18) für die Zufuhr von Erregerströmen zu den beiden Spulen (6, 13) für die getrennte Einstellung der magnetisierenden Kräfte der beiden Spulen und zur Einstellung der Gestalt des Elektronenstrahles, insbesondere in dem Raum zwischen den beiden Spulen, vorgesehen sind.4. Electron beam furnace according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that that separately controllable means (12, 18) for the supply of excitation currents to the two Coils (6, 13) for the separate adjustment of the magnetizing forces of the two coils and to adjust the shape of the electron beam, especially in the space between the two coils, are provided. In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 971018;
USA.-Patentschriften Nr. 2423729, 2727 936,
2 880483;Considered publications:
German Patent No. 971018;
U.S. Patents Nos. 2423729, 2727 936,
2,880,483; Zeitschrift »Funk und Turm«, 1952, I, S. 10;
Zeitschrift »Engeneering«, 1960, 22. April,
S. 556/557.Magazine "Funk und Turm", 1952, I, p. 10;
Engeneering magazine, 1960, April 22,
Pp. 556/557. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings 609 540ß18 3.66 © Bundesdruckerei Berlin609 540ß18 3.66 © Bundesdruckerei Berlin