DE1946735A1 - Fluessigkeitsgekuehlter Tiegel - Google Patents

Description

Deutsche ITT Industries GrnlM '■ H.R.George - 6

78 Freiburg,Hans-Bunte-Str%19 11. Sept. 1969 Pat.Ho/Wi

DEUTSCHE ITT INDUSTRIES GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG, FREIBURG i.Br.

Flüssigkeitsgekühlter Tiegel

Zusatz zu Patentanmeldung P 17 58 858.8

Die Priorität der Anmeldung Nr. W 728/68 vom 20. September 1968 in Großbritannien wird beansprucht.

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 ist, wobei nach Patentanmeldung P 17 58 858.8 die Tiegelwand aus parallel nebeneinander angeordneten Rohrabschnitten besteht, von denen einige ins Innere des Tiegels einspringende Teile aufweisen, welche den Tiegelboden bilden, und wobei der Abstand der Rohre so gering bemessen ist, daß das geschmolzene Schmelzgut die Tiegelwand nicht durchdringen kann.

Solche Tiegel dienen der Hitzebehandlung von elektrisch leitendem Material, insbesondere zum Schmelzen und Wärmebehandeln von solchen Materialien, die in heißem Zustand stark reaktionsfähig sind und daher während der Wärmebehandlung einer Verunreinigung durch das Tiegelmaterial unterworfen sind. Beispiele solcher Materialien, die in erhitztem, also geschmolzenen oder bei erhöhter Temperatur festen Zustand stark reaktionsfähig sind, sind die Metalle Nickel, Titan, Zirkon, Stahl, Chrom, Molybdän, Wolfram, Uran und einige Halbleiter, besonders Silicium.

Wenn ein Tiegel der eingangs erwähnten Bauweise Bestandteil einer Vorrichtung zum Hitzebehandeln elektrisch leitfähigen Materials ist, umgibt eine primäre Induktionsspule, die schmaler als die Länge des die Füllung enthaltenden Tiegel-

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Volumens ist, den Tiegel, um als Quelle hochfrequenten Stroms zu dienen, wenn sie mit einer geeigneten Stromquelle verbunden wird. Dadurch werden in jedem Rohrabschnitt der Tiegelwand und in der im Tiegel befindlichen Füllung aus leitfähigem Material Oberflächenströme induziert, so daß die Füllung in einer schmalen horizontalen Zone gegebenenfalls über deren Schmelzpunkt hinaus erhitzt wird, wobei durch die Rohrabschnitte eine Kühlflüssigkeit, beispielsweise Wasser fließt.

Die Öffnung am Tiegelboden erleichtert das Ablassen der Tiegelfüllung durch Lokalisieren der.Induktionsspule an der öffnung und durch Anlegen einer zum Erhitzen über den Schmelzpunkt der Füllung ausreichenden Hochfrequenzleistung.

Es wurde jedoch gefunden, daß aufgrund der Formgebung der den Tiegelboden bildenden Rohrabschnitte der Betrag der in die Füllung eingekoppelten Leistung nicht völlig ausreichend ist, so daß das Ablassen der Tiegelfüllung am Boden nur stoßweise vor sich geht. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, diesen Machteil zu beheben.

Der flussigkeitsgekühlte Tiegel der Hauptanmeldung P 17 58 858.8 wird daher zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß so ausgebildet, daß der Tiegelboden äne von den den Tiegelboden bildenden Rohrendabschnitten begrenzte Öffnung besitzt, die so eng ist, daß festes Schmelzgut nicht hindurchtreten kann, und daß ein Zentrierring die Öffnung umgibt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Zentrierring hohl ist und die den Tiegelboden bildenden Rohrendabschnitte im Zentrierring enden. '

Unter einem Metall mit hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit wird für die Zwecke dieser Beschreibung ein Metall mit einer Wärmeleitfähigkeit von

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nicht weniger als 0,49 ^r- und einem spezifischen elektrischen Wider- ,

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stand von nicht mehr als 2,665 · 10~ Ohm cm bei 0 C verstanden. Silber, Gold und Kupfer sind solche Metalle, wovon Silber bevorzugt wird, da es zur Verminderung des durch Strahlung aus dem Schmelzgut entstehenden Wärmeverlustes besonders gut poliert werden kann. Es können Legierungen dieser Metalle oder eine Oberflächenschicht des einen Metalls, wie z.B. Silber, auf aus einem

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anderen Metall, wie z.B. Kupfer, gefertigten Teilen verwendet werden.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun in Zusammenhang mit den in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert:

Fig. 1 zeigt die Seitenansicht eines Tiegels nach der Erfindung; Fig. 2 zeigt einen Querschnitt des Tiegels nach Fig. 1 entlang der Linie A-A; Fig. 3 zeigt die Unteransicht des Tiegels von Fig. 1

Fig. 4 zeigt die Seitenansicht einer Hitzebehandlungsvorrichtung, die den in den vorangehenden Figuren gezeigten Tiegel enthält.

Der in den Fig. 1,2 und 3 gezeigte Tiegel ist aus einem kreisförmigen Bündel silberplattierter Kupferrohre gefertigt, die zur Verhütung des Entweichens von Schmelzgutnaterial genügend dicht nebeneinander, beispielsweise 1,6 mm voneinander getrennt, angeordnet sind. Die Achsen der Rohre sind senkrecht am Umfang des Tiegels angeordnet. Der Tiegel hat einen solchen inneren Durchmesser und eine solche Länge, daß er eine Füllung von ungefähr 1 kg aufnehmen kann.

Ein ringförmiger Kühlflüssigkeitverteilungskopf 1 besitzt einen Einlaß 2 und einen Auslaß 3. Einander gegenüberliegend im Verteilungskopf angeordnete Platten (nicht gezeichnet) begrenzen eine Einlaß- und eine Auslaßkammer. Der innere Durchmesser d des ringförmigen Verteilungskopfes ist größer als der innere Durchmesser des Tiegels, damit der Tiegel von oben gefüllt werden kann.

Der Unterfläche des Verteilungskopfes sind 12 Rohrabschnitte *» A von kreisförmigen Querschnitt symmetrisch zugeordnet, wovon die Hälfte mit der Einlaßkanmer und die andere Hälfte mit der Auslaßkammer in Verbindung steht. Die Rohrabschnitte sind am Anfang des die Füllung enthaltenden Tiegelabschnitts einwärts gebogen und bilden so, dicht nebeneinander mit geringem Abstand verlaufend, die Tiegelwand. Die Rohrabschnitte »*B sind vorzugsweise auf der Innen- und Außenseite abgeflacht, wie in Fig. 2 gezeigt, und zwar über die Länge des die Füllung enthaltenden Tiegelabschnitts, um einen größeren Durchmesser des die Füllung enthaltenden Volumens für einen vorgegebenen Ausgangs-

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durchmesser der Rohrabschnitte zu erhalten.

Der Boden des Tiegels wird von den Endabschnitten 4 C der Rohrabschnitte gebildet, die ihrerseits wiederum so geformt sind, daß sie sich einwärts gegen- , einander erstrecken und so zusammen eine lichte öffnung 5 begrenzen, die genügend eng ist, um festes Füllmaterial am Hindurchtreten zu hindern. Die erforderliche Größe der Öffnung 5 wird von der Größe der festen Teilchen des Füllmaterials bestimmt· und ist eine Funktion des Durchmessers und der Anzahl der den Tiegel bildenden Rohrabschnitte.

Die Enden der Rohrendabschnitte 4 C sind an der oberen Oberfläche eines Zentrierrings 6 befestigt, der aus demselben Material wie die Rohre, wie z.B. silberplattiertes Kupfer, besteht· Der Zentrierring 6 besitz einen radialen Schlitz 7. Un die gewünschte Öffnungsgröße zu erhalten und auch um die Enden der Rohrendabschnitte 4 C so eng wie möglich mit dem inneren Umfang des Zentrierrings 6 zu verbinden, ist es nötig, wie in Fig. 2 gezeigt, die Seiten der Rohrendabschnitte 4 C abzuflachen. Jeder Rohrendabschnitt ** C steht mit dem Innenraum des Zentrierrings in Verbindung, so daß die Kühlflüssigkeit auch den Zentrierring kühlen kann. Die zentrale öffnung 8 des Zentrierrings ist vorzugsweise zugespitzt, wie es aus Fig. 1 klar ersichtlich ist.

Der an der bodenseitigen Ablaßöffnung angebrachte Zentrierring 6 ermöglicht es, in diese Zone zum Zweck ausreichenden Schmelzens der Füllung genügend Leistung einzukuppelnj zusammen mit der oberhalb des Zentrierrings angeordneten Induktionsspule "friert", der Zentrierring das Füllmaterial und verhindert somit das Ausfließen.

Bei Anlegen einer Hochfrequenzspannung an die Induktionsspule erzeugen die Magnetfelder, die aufgrund der umlaufenden Ströme in der Tiegelwand und somit in der Füllung induziert werden, eine Materiaiabstoßung zwischen der geschmolzenen Zone der Füllung und den benachbarten Oberflächen des Tiegels. Kenn die Stromdichte ausreichend hoch ist, wird die Füllung von den Jbenachbarten Tiegeloberflächen abgehoben. Das NichtVorhandensein einer Berührung zwischen der geschmolzenen "Füllung und dem Tiegel vermindert stark die Wärmeverluste der Füllung und schließt auch sehr wirksam die Möglichkeit von Verunreinigungen der Füllung durch das Tiegelmaterial aus.

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• Die in Fig. 5 gezeigte Vorrichtung zur Festkörperreinigung von Chrom, der das Ablassen der gereinigten Füllung am Boden folgt, besteht aus einem Tiegel 10, der so aufgebaut ist, wie es schon in Zusammenhang mit der Erläuterung der Fig. 1, 2 und 3 beschrieben wurde. Der Tiegel wird an seinem oberen Ende in einer mit einer öffnung versehenen Plattform 11 gehaltert, von der aus sich eine Kammer 12 erstreckt, die ihrerseits eine zum Füllen des Tiegels entfernbare Deckplatte 13 besitzt. Es sind geeignete Gasdichtungen 14 und 15 zwischen der Kammer 12 und der Plattform 11 sowie zwischen der Kammer 12 und der Deckplatte 13 vorhanden.

Von der Kammer 12 geht ein Gaseinlaß-(oder -auslaß)-rohr 16 aus. Wasserleitungen 17 und 18 sind mit den Einlaß- und Auslaßkammern 19 und 20 des Kühlmittelverteilkopfs des Tiegels verbunden, so daß Wasser durch die Tiegelrohre und durch den Zentrierring zirkulieren kann.

Ein Quarzrohr 21 umgibt den Tiegel und erstreckt sich zwischen einer Gas— dichtung 22 an der Plattform 11 und einer Gasdichtung 23 an der Grundplatte oder dem Tisch 24. Das Gaseinlaß-(oder -auslaß)-rohr 25 erstreckt sich in das Quarzrohr hinein. Ferner ist ein Behälter 26 aus geeignetem Material zur Aufnahme des geschmolzenen Füllmaterials aus dem Tiegel vorhanden. Dieser Behälter 26 kann eine Form zum direkten Ablassen sein.

Das Quarzrohr wird von einer primären Induktionsspule 27 umgeben, die mit einer Hochfrequenzstromquelle 28 verbunden ist. Ferner sind nicht gezeigte Mittel vorhanden, um eine relative axiale Verschiebung zwischen dem Tiegel und der Induktionsspule 27 vornehmen zu können, entweder durch Bewegung der Spule 27 in Bezug auf den Tiegel oder durch Bewegung des Tiegels in Bezug auf die Spule. Im speziellen Beispiel wird der Tiegel mit einer Füllung aus teilweise gereinigtem Chrom in Form einer verdichteten Masse aus irregulär geformten Stücken gefüllt. Durch die Rohre 16 und 25 der zusammengesetzten und abgedichteten . Vorrichtung nach Fig. 4 wird Wasserstoff oder ein anderes geeignetes reduzierendes Gas bei geeignetem Druck hindurchgeleitet, um eine reduzierende Atmosphäre zu erhalten. Die Primärspule 27 wird so erregt, daß die Temperatur des Chroms in einer der Spule benachbarten Zone bis auf eine Temperatur von etwa 1400 C ansteigt, d.h. bis unter den Schmelzpunkt von Chrom.

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Durch relative Verschiebung der Spule bezüglich des Tiegels wird diese Hochtemperaturzone entlang der ganzen Länge der Chromfüllung verschoben, woraus sich ein Entfernen von jeglichen Spuren von Sauerstoff aus dem Chrom durch die reduzierende Atmosphäre .ergibt.

Nach dieser Behandlung wird die Spule 27 am Zentrierring 6 angeordnet und ausgerichtet , wodurch die· Temperatur der Füllung in dieser Zone bis oberhalb des Schmelzpunktes angehoben wird. Die geschmolzene Füllung läuft kontinuierlich aus dem Tiegelboden in den Behälter 26.

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Claims (1)

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1. Flüssigkeitsgekühlter Tiegel, dessen Wand von Metallrohren hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit gebildet und der zum Schmelzen des Schmelzgutes im Hochfrequenzfeld einer Induktionsspule angeordnet ist, wobei nach Patentanmeldung P 17 58 858.8 die Tiegelwand aus parallel nebeneinander angeordneten Rohrabschnitten besteht, von denen einige ins Innere des Tiegels einspringende Teile aufweisen, die den Tiegelboden bilden, und wobei der Abstand der Rohre so gering bemessen ist, daß das geschmolzene Schmelzgut die Tiegelwand nicht durchdringen kann, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegelboden eine von den den' Tiegelboden bildenden Rohrendabschnitten (UC) begrenzte öffnung CS) besitzt, die so eng ist, daß festes Schmelzgut nicht hindurchtreten kann, und daß ein Zentrierring die Öffnung umgibt.

2, Tiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentrierring (6) hohl ist mtd daß die den Tiegelboden bildenden Rohrendabschnitte im Zentrierring enden.

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