DE1758488A1 - Device for the heat treatment of electrically conductive materials - Google Patents
Device for the heat treatment of electrically conductive materialsInfo
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Description
DSUTSGHE ITT INDUSTRIES GESELLSCHAFT MIT BESCHRIFTETER HAPTTOiG, PRSIBURG i.Br.DSUTSGHE ITT INDUSTRIES SOCIETY WITH LABELED HAPTTOiG, PRSIBURG i.Br.
Vorrichtung zur Wärmebehandlung von elektrisch-leitfähigen MaterialienDevice for the heat treatment of electrically conductive materials
Die vorliegende Erfindung bezieht 3ich auf eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung von elektrisch-leitfähigen Materialien, insbesondere zum Schmelzen von Materialien, die erhitzt sehr reaktionsfähig sind, und daher während ihrer Bearbeitung durch das Tiegelmaterial leicht verunreinigt werden.The present invention relates to a device for the heat treatment of electrically conductive materials, in particular for melting materials that are very reactive when heated and therefore during their processing by the crucible material easily contaminated.
Erfindungsgemäß ist an einem Tiegel eine obere Öffnung zum Gießen einer Charge au3 elektrisch-leitfähigem Material und eino untere Öffnung zum Entweichen des elektrisch-leitfähigen Materials angeordnet, ein beweglicher Stöpsel erstreckt sich von der oberen Öffnung durch den Tiegel bis zur unteren Öffnung, die Tiegelwände und der Stöpsel sind hohl und bestehen aus einem Metall von hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit und sind mit Einlaß- und Auslaßöffnungen zum Durchfluß einer Kühlflüssigkeit versehen und Mittel zum Anschließen an eine Quelle eines Hochfreq.uenzstromes sind vorgesehen, um zirkulierende Ströme in den Tiegelwänden, in dem Stöpsel und in der Charge des leitfähigen Materials herzustellen. According to the invention, an upper opening for pouring a charge of electrically conductive material and a lower opening for the escape of the electrically conductive material are arranged on a crucible, a movable plug extends from the upper opening through the crucible to the lower opening, the crucible walls and the stoppers are hollow and made of a metal of high electrical and thermal conductivity and are provided with inlet and outlet openings for the passage of a cooling liquid and means for connection to a source of high frequency current are provided to prevent circulating currents in the crucible walls in which Plug and manufacture in the batch of conductive material.
Bei der Erfindung i3t ein Metall hoher elektrischer und thermischer leitfähigkeit dadurch definiert, daß die thermische Leitfähigkeit nicht weniger als 0,49 g/cal/sec/cm ( C/cm) und der spezifische elektrische Widerstand nicht mehr als 2,665 χ 10 " £· / cm bei O^betragen. Silber, QoId und Kupfer sind geeignete Metalle;In the invention, a metal with high electrical and thermal properties is used conductivity defined by the fact that the thermal conductivity is not less than 0.49 g / cal / sec / cm (C / cm) and the specific electrical resistance no more than 2.665 χ 10 "£ · / cm at O ^ amount. Silver, QoId, and copper are suitable metals;
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. Silber ist besonders günstig, da es hoch poliert werden kann, um den durch Strahlung entstehenden Wärmeverlust aus der Charge zu reduzieren. Es können legierungen dieser Metalle oder ein Oberflächenüberzug eines Metalles, wie Silber, auf einein anderen Metall,wie Kupfer,verwendet werden. Es ist natürlich möglich, innerhalb dieser Einschränkungen den Schmelztiegel und den Stöpsel aus verschiedenen Materialien herzustellen.. Silver is particularly cheap because it can be highly polished, the heat loss from the batch caused by radiation to reduce. There can be alloys of these metals or a surface coating of one metal, such as silver, on top of another Metal such as copper can be used. It is of course possible make the crucible and stopper from different materials within these constraints.
^ In der Vorrichtung gemäß der Erfindung, wird zum Schmelzen eine Charge aus leitfähigem Material verwendet. Die magnetischen Felder, die auf Grund der zirkulierenden Ströme in den Wänden des Tiegels und in der Charge, sowie in dem Stöpsel induziert sind, rufen eine gegenseitige Abstoßung zwischen Charge und den angrenzenden Oberflächen des Schmelztiegels und des Stöpsels hervor. V/enn die Stromdichte genügend hoch ist, wird die Charge von den Oberflächen de3 Schmelztiegels und des Stöpsels abgestoßen. Da sich somit Charge und Tiegel nicht berühren, wird der Wärmeverlust aus der Charge beträchtlich vermindert und praktisch die Möglichkeit einer Verunreinigung der Charge durch das Tiegelmateriäl ausgeschaltet. Dieser Effekt erlaubt also eine höchst bequeme Form der Koustruktion für den Tiegel oder den Stöpsel oder Beide, bei der die Tiegel-^ In the device according to the invention, for melting a Batch of conductive material used. The magnetic fields induced by the circulating currents in the walls of the crucible and in the charge, as well as in the plug, call a mutual repulsion between the charge and the adjacent surfaces of the crucible and the stopper. V / enn the current density is sufficiently high, the charge will be repelled from the surfaces of the crucible and stopper. Since Batch and do not touch the crucible, heat loss from the batch is significantly reduced and, practically, the possibility of contamination the batch is switched off by the crucible material. This effect allows a very convenient form of construction for the crucible or the stopper or both, in which the crucible
™ oder Stöpselwand aus einer Anzahl von parallelen Rohren gebildet wird, die genügend dicht angeordnet sind, um den Durchfluß des geschmolzenen Materials zu verhindern.™ or plug wall formed from a number of parallel tubes which are sufficiently densely arranged to prevent the passage of the molten material.
So gestattet die Erfindung die Konstruktion von einem Schmelztiegel für solche Anwendungen, wie das Schmelzen von hochreaktionsfähigen Legierungen, wie Nickel- oder Titanlegierungen, bei der die Charge aus dem Tiegel durch eine Entleerungsöffnung im Boden entfernt werden kann, ohne das Risiko der Chargenverunreinigungen zu vergrößern. Eine solche Vorrichtung wird im einzelnen näher unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben:Thus, the invention allows the construction of a crucible for applications such as melting highly reactive alloys such as nickel or titanium alloys in which the charge can be removed from the crucible through an emptying opening in the bottom without increasing the risk of batch contamination. Such a device is described in more detail with reference to the drawings:
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Figur 1 zeit einen Längsschnitt der Vorrichtung und Figur 2 einen QuerschnitT der Vorrichtung, auf der Zeichnung gekennzeichnet als II - II in Figur 1FIG. 1 shows a longitudinal section of the device and FIG. 2 shows a cross section of the device, marked on the drawing as II - II in Figure 1
Die Vorrichtung in den Zeichnungen stellt einen Schmelztiegel von ungefähr 101,6 mm Innendurchmesser dar, der zum Schmelzen einer Charge von 908 g einer Nickel-Legierung geeignet ist. Die ¥änae des Schmelztiegels (der mit 10 bezeichnet ist) bestehen aus einer Reihe von parallelen Rohren 11, die nebeneinander mit ihren Achsen vertikal zum Tiegelumfang angeordnet sind. Die oberenThe apparatus in the drawings represents a crucible of approximately 101.6 mm inside diameter, which is used for melting a batch of 908 g of a nickel alloy is suitable. The ¥ änae of the crucible (which is labeled 10) exist from a series of parallel tubes 11, which are arranged side by side with their axes vertical to the crucible circumference. The top
",d en und unteren Enden dieser Rohre sind mirVoberen und unteren Stücken 12 bzw. 13 verbunden und die Einlaß- und Auslaßrohre 14 bzw. 15 sind mit dem oberen Kopfstücke·«· verbunden, um den Umlauf der Kühlflüssigkeit durch die Rohre 11 zu ermöglichen, und einerseits um für den Flüssigkeitsstromfluß einen liebenschluß mit niedrem Widerstand und andererseits auch einen geschlossenen elektrischen Stromkreis in Feld der Induktionsspule zu vermeiden, besteht das obere Kopfstück 12 aus zwei Hälften, die durch schmale Schlitze 16 getrennt sind, dabei ist eine Hälfte mit der Hälfte der Rohre 11 und dei." liinlaSrohr 14 verbunden und die andere Hälfte mit den übrigen Rohren 11 und dem Auslaßrohr 15. Die Flüssigkeit fließt von de:a Einlaßrohr 14 in die eine Hälfte des oberen Kopfstückes 12 nieder durch die Hälfte der Rohre 11 zu dem oberen Kopfstück 13, und von dem Kopfstück 13 aufwärts durch die übrigen Rohre 11 zu der unteren Hälfte des oberen Kopfstückes. Das untere Kopfstück 13 könnte aus einem kontinuierlichen Ring bestehen, insofern als die Belange in Bezug auf den Flüssigkextsdurchfluß betroffen sind, aber tatsächlich v/ird er durch einen einfachen Spalt 17 unterbrochen, um den Stromkreis zu unterbrechen. Der Zwischenraum zwischen den angrenzenden Rohren 11 ist nicht kritisch, vorausgesetzt,daß das geschmolzene Material nicht entweichen kann.", the ends and the bottom of these tubes are with the top and bottom pieces 12 and 13, respectively, and the inlet and outlet pipes 14 and 15, respectively, are connected to the upper head pieces to allow the circulation of the cooling liquid to allow through the tubes 11, and on the one hand to a love affair with low for the liquid flow flow There is a resistance and, on the other hand, to avoid a closed electrical circuit in the field of the induction coil Upper head piece 12 consists of two halves which are separated by narrow slots 16, one half with half of the tubes 11 and the. "liinlaSrohr 14 connected and the other half with the remaining tubes 11 and the outlet tube 15. The liquid flows from de: an inlet pipe 14 into one half of the upper head piece 12 down through half of the tubes 11 to the upper head piece 13, and from the head piece 13 upwards through the remaining tubes 11 to the lower half of the upper head piece. The lower head piece 13 could consist of a continuous ring in so far as liquid cexus flow concerns are concerned, however in fact, it is interrupted by a simple gap 17 to break the circuit. The space between the adjacent pipes 11 is not critical, provided that the molten material cannot escape.
Das untere Kopfstück 13 des Tiegels 10 ist mit einer zentralen Ausgießöffnung 18 versehen, die während des Schmelzens einer Charge durch einen Stöpsel geschlossen wird, der sich von der oberen Öff-The lower head piece 13 of the crucible 10 is provided with a central pouring opening 18 provided during the melting of a batch is closed by a plug that extends from the upper opening
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nung des Tiegels abwärts erstreckt, um mindestens durch die Ausgießöffnung 18 durchzugehen. In der Anordnung, gemäß der Zeichnungen, besteht der Stöpsel 19 aus einem dünnwandigen Kupferrohr 20, das an beiaen Enden geschlossen ist, und einem inneren Rohr 21 und Anschlüssen 22, um die Kühlflüssigkeit zirkulieren zu lassen. An seinem oberen Ende wird der Stöpsel 19 durch Hebemittel gestützt, (schematisch bei 23 dargestellt) wodurch der Stöpsel bewegt werden kann, um dia am Boden des Tiegels befindliche Ausgießöffnung zu öffnen. Der Beweglichkeitsgrad kann so sein, daß der Stöpsel vollständig aus dem Tiegel gezogen werden kann, obwohl dieses un<wesentlich ist. 'Extension of the crucible extends downward to pass through at least the pouring opening 18. In the arrangement, according to the drawings, the plug 19 consists of a thin-walled copper tube 20, which is closed at both ends, and an inner tube 21 and Connections 22 to circulate the cooling liquid. At At its upper end, the plug 19 is supported by lifting means (shown schematically at 23) whereby the plug is moved can to the pouring opening located at the bottom of the crucible to open. The degree of mobility can be such that the stopper can be pulled completely out of the crucible, although this is not essential is. '
Eine Primärinduktionsspule 24 umgibt den Tiegel und ihre unteren Enden breiten sich genügend unter dem Tiegel aus, um das herausragende Ende des Stöpsels 19 zu umfassen. Die Spule 24 besteht aus einem Kupferrohr und ist mit Anschlüssen für eine Wechselgtromquelle und für Kühlwasser in bekannter Weise versehen.A primary induction coil 24 surrounds the crucible and its lower ones Ends spread out enough under the crucible to make the protruding one To include the end of the plug 19. The coil 24 consists of a copper tube and has connections for an alternating current source and provided for cooling water in a known manner.
Die Einschaltung der Spule 24 mit dem Hochfrequenzwechselstrom läßt zirkulierende Ströme in den Rohren 11, die die Tiegelwände bilden, und auch in den Kopfstücken 12 und 13 und in der äußeren Wand 20 des Stöpsele 19 zu.The activation of the coil 24 with the high frequency alternating current lets circulating currents in the tubes 11 which form the crucible walls, and also in the headers 12 and 13 and in the outer one Wall 20 of plug 19 to.
Beim Einschalten der Spule werden die entsprechenden zirkulierenden Ströme in jeder Charge des Induktionsmaterials, das in dem Tiegel vorhanden ist, induziert, wodurch sich die Temperatur durch Wirbelstromerhitzung erhöht. Der Tiegel und der Stöpsel 19 bestehen aus einem Metall von hoher elektrischer !leitfähigkeit, sodaß der Widerstandsheizeffekt darin gering ist, aber von guter thermischer Leitfähigkeit, sodaß übermäßige Erhitzung des Tiegels und dee Stöpsels durch Hitzeverlust aus der Charge vermieden wird« Die beschränkte Wahl an geeigneten Metallen für die Herstellung des Tiegels und Stöpsels wurden bereits vorher erwähnt. Bei der gezeigten Konstruktion werden die Teile des Tiegels, d.h. die Kopfstücke 12 und 13 und die Rohre 11 zusammen mit der Außenwand des StöpselsWhen switching the coil, the corresponding circulating currents in each batch of inducing material is present in the crucible are induced, whereby the temperature increases due to eddy current heating. The crucible and the stopper 19 consist of a metal of high electrical conductivity, so that the resistance heating effect therein is low, but of good thermal conductivity, so that excessive heating of the crucible and the stopper due to heat loss from the batch is avoided. The limited choice of suitable Metals for making the crucible and stopper have been mentioned earlier. In the construction ge ZEIT the parts of the crucible, ie the head pieces 12 and 13 and the tubes 11 together with the outer wall of the plug
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vorzugsweise aus silber-plattiertem Kupfer hergestellt.preferably made of silver-plated copper.
Das Verhältnis zwischen den zirkulierenden Strömen in der Charge einerseits und in den Tiegelwänden und dem Stöpsel andererseits ist derartig, daß gegenseitig Abstoßung zwischen ihren magnetischen Feldern eintritt.The ratio between the circulating flows in the batch on the one hand and in the crucible walls and the stopper on the other hand is such that mutual repulsion between their magnetic Fields.
Wenn die Energiezufuhr ausreichend groß ist, tritt tatsächlich physikalische Trennung der Charge von den angrenzenden Oberflächen des Tiegels und des Stöpsels ein. Die Energiezufuhr wird von der Form des jeweiligen Tiegels sowie von der Art und Menge der Charge empirisch bestimmt. Mit der in der Zeichnung dargestellten Tiegelform kann eine Charge einer Nickel-Legierung von etwa 908 g, bei einer Leistung von 35 Kilowatt und einem Frequenzbereich von 250 400 Khz geschmolzen werden. Diese physikalische Trennung der Charge von den Tiegelteilen bedeutet 1., daß die gesamte Masse der Charge auf die Arbeitstemperatür erhöht wird, sodaß kein Häutchen zwischen der geschmolzenen Charge und dem Tiegel bleibt, und 2., daß die Verunreinigung der Charge durch das Material, aus dem der Tiegel und der Stöpsel hergestellt sind, beträchtlich reduziert wird. Bei dem Guß von Kügelchen aus einer bestimmten Nickel-Legierung, bei der ein extrem niedriger Verunreinigungsgehalt erforderlich ist, ergab Anwendung von Zirkontiegeln, bei 70 bis 80 io der Kügelchen einen untragbaren Gehalt der Verunreinigung durch das Tiegelmaterial. Wenn in der Vorrichtung nach der Erfindung gegossen wird, wird die Ausschußquote aus dem oben angeführten Grund auf Null reduziert, und es konnten keine Spuren von Tiegelverunreinigungen in den Kügelchen festgestellt werden.Indeed, if the energy input is sufficiently large, physical separation of the charge from the adjacent surfaces of the crucible and stopper occurs. The energy input is determined empirically by the shape of the crucible and the type and quantity of the batch. With the crucible shape shown in the drawing, a charge of a nickel alloy of around 908 g can be melted at a power of 35 kilowatts and a frequency range of 250 400 kHz. This physical separation of the charge from the crucible parts means 1. that the total mass of the charge is increased to the working temperature so that no membrane remains between the molten charge and the crucible, and 2. that the charge is contaminated by the material that the crucible and the stopper are made is considerably reduced. In the molding of beads of a specific nickel alloy wherein an extremely low impurity content is required, the application yielded by Zirkontiegeln, at 70 to 80 of the beads io an unacceptable content of the impurity through the crucible material. When casting in the apparatus according to the invention, the reject rate is reduced to zero for the reason given above, and no traces of crucible contamination could be found in the beads.
Der Effekt der gegenseitigen Abstoßung, wie oben angeführt, trägt ebenfalls wie die Oberflächenspannung der geschmolzenen Charge dazu bei, daß das geschmolzene Material zwischen den Rohren 11, die die Tiegelwände bilden, sowie durch den ringförmigen Spalt zwischen The effect of mutual repulsion, as noted above, also contributes , as does the surface tension of the molten charge, to the molten material between the tubes 11 which form the crucible walls and through the annular gap between
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• dem Stöpsel 19 und der Tülle der am Boden des Tiegels befindlichen Ausgußöffnung 18 entweicht. Ein genaues Einfügen des Stöpsels 19 in die AuegußÖffnung ist daher nicht erforderlich, und tatsächlich, ist ein kleiner Spielraum notwendig, wenn der Stöpsel nicht den isolierenden Spalt in dem unteren Kopfstück kurzschließen soll.• the plug 19 and the nozzle located at the bottom of the crucible The pouring opening 18 escapes. A precise insertion of the plug 19 into the AuegussÖffnung is therefore not necessary, and In fact, a little margin is needed when the plug should not short-circuit the insulating gap in the lower header.
v Die Entleerung des Tiegels erfolgt durch Hochheben des Stöpsels 19, W wodurch sich die Ausgußöffnung öffnet. v The crucible is emptied by lifting the plug 19, W whereby the pouring opening opens.
Die Primärspule 24 bleibt während des Ausgießens eingeschaltet, um sicherzustellen, daß die Charge bis zur Leerung des Tiegels flüssig bleibt.The primary coil 24 remains switched on during pouring ensure that the batch remains liquid until the crucible is emptied.
Die Anordnung gemäß der Zeichnung stellt eine einfache Ausführungsform der Erfindung dar, in der der Stöpsel 19 aus einem einfachen rohrförmigen Körper besteht,der mit Mitteln für die innere Kühlung versehen ist.The arrangement according to the drawing represents a simple embodiment of the invention in which the plug 19 consists of a simple consists of a tubular body with means for internal cooling is provided.
In einer weiteren Konstruktionsform, die für Tiegel von größeren Dimensionen vorteilhafter sein kann, ist der Stöpsel 19. in derselben Art hergestellt wie der Tiegel 10, nämlich aus einer Reihe von dicht beieinandergelegten parallelen Rohren, die mittels Kopfstücken an ihren oberen und unteren Enden verbunden sind. Die Bedienung des Tiegels und de3 Stöpsels in dieser Anordnung ist dieselbe, wie die bereits Beschriebenen. Jedoch diese andere Konstruktionsform bietet die Möglichkeit, eine Erhöhung der Wärmegrade der Charge durch Einbau einer weiteren Priraär3pule innerhalb der durch die unterteilten Rohre gebildeten Ummantelung . Die Energiezufuhr zu dieser zweiten Spule kann unabhängig von derjenigen zu derIn another form of construction, which is used for larger crucibles Dimensions can be more advantageous, the plug 19 is made in the same way as the crucible 10, namely from a series of closely spaced parallel pipes, which are connected by head pieces at their upper and lower ends. The operation of the crucible and the 3 stopper in this arrangement is the same, like those already described. However, this other type of construction offers the possibility of increasing the degree of warmth of the Charge by installing another primary coil inside the casing formed by the subdivided tubes. The energy supply to this second coil can be independent of the one to the
außenliegenden Hauptspule 24 eingestellt werden, um den wirksamsten Wärmeeffekt zu gewährleisten.outboard main coil 24 can be adjusted to be the most effective To ensure warming effect.
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Die Angaoen dieser Ausführung zu dem Schmelzen von elektrischleitfähigen Materialien schließen nicht die Anwendung der Torrichtung nacii der Erfindung zum Schmelzen oder andere Y/ärmebehandlung von Materialien aus, die bemerkenswerte Leitfähigkeit nur bei hohen Temperaturen aufweisen, da diese Materialien durch geeignete Kittel vorerhitzt werden können auf Temperaturen, bei denen die V/irbelstroEierh.itzu.ngsvorgänge v/irksam v/erden.The advice of this embodiment to the melting of electrically conductive Materials do not include the use of the gate direction nacii of the invention for melting or other heat treatment from materials that show remarkable conductivity only at high temperatures, as these materials are covered by suitable gowns They can be preheated to temperatures at which the whirlwind egg heating processes v / effectively v / ground.
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