DE19629636A1 - Tiegel zum induktiven Schmelzen oder Überhitzen von Metallen, Legierungen oder anderen elektrisch leitfähigen Werkstoffen - Google Patents
Tiegel zum induktiven Schmelzen oder Überhitzen von Metallen, Legierungen oder anderen elektrisch leitfähigen WerkstoffenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Tiegel zum induktiven
Schmelzen oder Überhitzen von Metallen, Legierun
gen oder anderen elektrisch leitfähigen Werkstof
fen mit lotrecht und parallel zueinander und auf
einem Kreisbogen verteilt und im Abstand zueinan
der angeordneten, die Schmelze umschließende Pali
saden etwa gleicher Länge und mit einem im Bereich
der unteren Enden der Palisaden vorgesehenen,
platten- oder ringförmigen, die Palisaden Halten
den Teil, wobei die Palisaden zumindest teilweise
mit Hohlräumen oder Kanälen versehen sind, die von
einem Kühlmittel durchflossen sind und mit einer
die Palisaden mit Abstand von außen her umschlin
genden, von einem Wechselstrom durchflossenen In
duktionsspule.
Bekannt ist ein Verfahren zum Schmelzen schwer
schmelzbarer Metalle, insbesondere von Tantal,
Wolfram, Thorium oder Legierungen dieser Metalle
in einem wassergekühlten Behälter (DE 5 18 499),
wobei der Behälter aus Stoffen von niedrigerem
Schmelzpunkt als das Schmelzgut besteht, z. B. aus
Quarzglas, Kupfer oder Silber und die Zuführung
der zum Schmelzen erforderlichen Energie sowie die
Kühlung des Behälters derart erfolgt, daß ein
restloses Einschmelzen des Schmelzguts ohne Verun
reinigungen durch das Tiegelmaterial bewirkt wird.
Der Tiegel selbst ist mit Hilfe einer Indukti
onsspule beheizbar, wobei ein umlaufender Tiegel
strom dadurch verhindert wird, daß er aus einzel
nen Segmenten zusammengesetzt ist, die gegeneinan
der durch eine isolierende Schicht, z. B. aus Glim
mer, getrennt sind.
Bekannt ist auch ein Hochfrequenz-Induktions-
Tiegel, der aus einer Vielzahl von Palisaden ge
bildet ist, die alle auf einer kreisscheibenförmi
gen lotrecht und zusammen einen Hohlzylinder bil
denden Bodenplatte angeordnet sind (US 3,461,215).
Die strom- und wärmeleitenden Palisaden sind sämt
lich von Kühlwasser durchströmt und von einer In
duktionsspule umschlungen. Die Bodenplatte aus ei
nem keramischen Werkstoff ist mit einem Verschluß
versehen, über die die Schmelze abgezogen werden
kann. Zwischen den Palisaden sind Streifen aus
Isoliermaterial eingelegt.
Weiterhin ist auch ein Tiegel zum schlackelosen
Schmelzen hochreiner reaktiver Metalle in einer
Vakuumkammer bekannt (EP 0 276 544), bei dem die
zueinander von der Induktionsspule umschlungenen
Palisaden von Kühlwasser durchströmt sind und fest
mit einer kreisscheibenförmigen Bodenplatte ver
schraubt sind, wobei die rohrförmigen Palisaden
einerseits durch Schlitze voneinander getrennt
sind und andererseits sämtlich über die aus Metall
gebildete Bodenplatte in elektrisch leitender Ver
bindung miteinander stehen.
Die bekannten Tiegel haben den Nachteil, daß sie
einen vergleichsweise schlechten thermischen Wir
kungsgrad aufweisen. So wurde versucht, isolieren
des Material der Schmelze beizugeben, um den Wär
meverlust durch die gekühlten Palisaden zu redu
zieren, was aber wiederum zu einer, wenn auch ge
ringen Kontaminierung der Schmelze führte
(Schippereit, u. a.). Diese Verunreinigung des
Schmelzmaterials ist jedoch bei vielen modernen
Applikationen unerwünscht, so daß dieses Verfahren
von der Industrie nur bedingt angenommen wird.
Auch die Anordnung und Gestaltung der Pallisaden
selbst sowie deren elektrische Verbindung mitein
ander oder deren Isolation voneinander, waren be
reits Gegenstand zahlreicher Untersuchungen. Die
US 3,223,519 beschreibt beispielsweise voneinander
isolierte Tiegelsegmente, wohingegen beim Tiegel
nach dem EP 0 276 544 die Palisaden in einem ge
wissen Abstand voneinander angeordnet und mitein
ander elektrisch leitend verbunden sind.
Bekannt ist schließlich ein geschlitzter Tiegel
(EP-A-0 169 765), bei dem die einzelne Palisaden
vom Kühlmittel durchflossen sind, wobei ihr Quer
schnitt rechteckig ausgebildet ist. Die einzelnen
Palisaden sind gleichmäßig verteilt auf einem
Kreisbogen angeordnet, wobei zwischen den Palisa
den Schlitze vorgesehen sind und der Innenraum des
Tiegels von einem vielflächigen, regelmäßigen, ge
raden Prisma gebildet ist.
Charakteristisch beim geschlitzten Tiegel
(Kaltwandtiegel) ist der Umstand, daß durch die
notwendigen hohen Schmelzleistungen/Leistungs
dichten und die daraus resultierenden Kräfte sich
ausgeprägte Badkuppen ausbilden. Da auf Grund des
Wirkprinzips des Kaltwandtiegels eine Schlitzung
des mehr oder weniger zylindrischen Tiegels not
wendig ist, ergeben sich an der Stelle der Schlit
ze starke Störungen des Magnetfeldes, die zu Ein
schnürungen bis hin zu Instabilitäten der Schmelz
säule führen. Alle bekannten Ausführungsformen
müssen deshalb mit hohem Aufwand eine große Pali
sadenanzahl realisieren, um die Störung in den
Schlitzbereichen möglichst zu vergleichmäßigen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu
grunde, einen Tiegel des in Frage stehenden Typs
zu schaffen, der ohne isolierendes Schlackemateri
al auskommt und bei dem der Energieeintrag in die
Schmelze dem aufzuschmelzenden Material anpaßbar
ist. Außerdem sollen die Herstellkosten verringert
und die Lichtbogenbildung ausgeschlossen werden.
Schließlich soll dieser die Bildung einer beson
ders stabilen Schmelzsäule ermöglichen und dabei
Störungen des Magnetfeldes ausschließen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst,
daß die Palisaden des Tiegels sich lotrecht vom
die Palisaden haltenden Teil aus bis nahe an ihren
oberen Randbereich erstreckende Schlitze aufwei
sen, die sich jeweils von der Außenfläche aus ra
dial bis zur vielflächigen Innenwand des Tiegels
erstrecken, wobei die einzelnen Palisaden mit Ab
stand zueinander und gleichmäßig verteilt auf dem
die Palisaden haltenden Teil angeordnet sind und
die von allen Palisaden zusammen gebildete Innen
wand ein gerades, regelmäßiges Prisma mit gleichen
Parallelogrammflächen und zwei kongruenten Deck
flächen bildet.
Weitere Merkmale und Einzelheiten sind in den Pa
tentansprüche näher gekennzeichnet und beschrie
ben.
Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausfüh
rungsmöglichkeiten zu; eine davon ist in den an
hängenden Zeichnungen rein schematisch darge
stellt; und zwar zeigen:
Fig. 1 einen geschlitzten Tiegel mit einer po
lygonalen Innenwand, in perspektivi
scher Darstellung und teilweise im
Schnitt,
Fig. 2 die perspektivische Abbildung einer
einzigen Palisade des Tiegels gemäß Fig. 1,
vergrößert und in Teilstücken
dargestellt,
Fig. 3 die Draufsicht auf einen aus insgesamt
sechs Palisaden bestehenden Tiegel, und
zwar in stark schematisierter Darstel
lung und
Fig. 4 die perspektivische Ansicht zweier be
nachbarter, in Teilstücken dargestell
ter Palisaden ähnlich denjenigen nach
Fig. 2.
Der Tiegel gemäß Fig. 1 besteht aus insgesamt
sechzehn Palisaden 3, 3′, . . . , die als prismatische
Hohlkörper ausgebildet sind und die jeweils von in
Längsrichtung der Palisaden verlaufenden Kanälen
5, 5′, . . . durchzogen sind, derart, daß das im Hohl
raum jeder Palisade 3, 3′, . . . vorhandene Kühlwasser
in Pfeilrichtung durch diese Kanäle strömen kann.
Die Hohlräume oder Kanäle 5, 5′, . . . jeder Palisade
3,3′, . . . korrespondieren entweder mit einer Kühl
mittelzulauf- 11, 11′, . . . . oder einer Kühlmittel
rücklauföffnung 12, 12′, . . . , die mit entsprechenden
Bohrungen 13, . . . im Bodenteil 4 korrespondieren,
die ihrerseits über Rohrstutzen 16, 16′, . . . bzw.
17, 17′, . . . mit (zeichnerisch nur angedeuteten)
Verteilerleitungen 14 bzw. 15 verbunden sind. Wie
die Fig. 1 und 2 zeigen, strömt beispielsweise
bei der Palisade 3′′′ das Kühlwasser von der Ver
teilerleitung 14 aus über die Rohrstutzen 16,16′
und Bohrungen 13, . . . im Bodenteil 4 und über die
beiden äußeren Kühlmittelzulauföffnungen 11, 11′ in
die Kanäle 5, 5′ ein und über die Kühlmittelrück
lauföffnungen 12, 12′ über entsprechende Bohrungen
im Bodenteil und die Rohrstutzen 17, 17′ zurück in
die Verteilerleitung 15.
Jede Palisade 3, 3′, . . . ist mit beispielsweise drei
Schlitzen 7a, 7b, 7c, 7a′, 7b′, 7c′, . . . versehen, die
sich vom Bodenteil 4 aus bis fast zum oberen Ende
der Palisade 3, 3′, . . . erstrecken. Alle Palisaden
zusammen bilden einen Tiegel 10, dessen Innenwand
ein vielflächiges Prisma bildet. Im in Fig. 1
beispielhaft dargestellten Fall sind es insgesamt
sechzehn ebene Flächen, die die Schmelze im Tiegel
seitlich umschließen.
Fig. 3 zeigt einen Tiegel in der Draufsicht, der
aus insgesamt nur sechs Palisaden 3, 3′, . . . zusam
mengefügt ist. Zweckmäßigerweise sind die schmalen
Längsseiten der Palisaden 3, 3′, . . mit Fasen oder
Abschrägungen 18′ . . . bzw. 19, . . versehen, so daß
sich die Spalte 20, 20′, . . . zwischen jeweils zwei
einander benachbarten Palisaden 3, 3′, . . so ausbil
den lassen, daß die Spalte 20, 20′, . . . jeweils ei
nen bestimmten Bereich aufweisen, in dem die Fasen
der benachbarten Palisaden 3, 3′, . . . parallel zu
einander verlaufen. Es ist klar, daß die Länge der
Schlitze 7, 7a, 7b, . . . auch unterschiedlich bemessen
sein kann′ um die Wirkung der Induktionsspule 6
auf die Schmelze im Inneren des Tiegels 10 örtlich
zu begrenzen.
Nach der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe
sollen insbesondere die Störstellen zwischen den
Palisaden 3, 3′, . . . reduziert werden, was dadurch
erreicht wird, daß die Störstelle jeweils in den
Bereich einer Seitenkante des prismatischen bzw.
polygonalen Innenraumes verlegt wurden, so daß sie
einen größeren Abstand zur sich ausbildenden
Schmelzsäule aufweisen. Dies führt dazu, daß sich
während des Schmelzvorganges ein besonders gleich
mäßiger Meniskus ausbildet, welcher keine bzw. ei
ne sehr geringe Einschnürung aufweist.
Der beschriebene Tiegel kann besonders einfach und
kostengünstig hergestellt werden, indem man die
einzelnen Palisaden 3, 3′, . . . aus Blechen fertigt
und zu einem polygonalen Tiegel zusammenfügt. Bei
der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist ein Zu
schnitt aus einem soliden, starkwandigen Metall
blech mit vier Längsbohrungen 5a′ bis 5d′ verse
hen, die dann mittels Querbohrung 21 miteinander
verbunden sind, wobei die Querbohrung 21 ab
schnittsweise mit Hilfe von in die Querbohrung 21
eingelöteten Stopfen 22, 23, 24 in zwei Hohlräume
oder Kammern 25, 26 aufgeteilt ist, in die die Boh
rungen 5a bis 5d paarweise einmünden. Die Abbil
dung zeigt im übrigen den von zwei benachbarten
Palisaden 3, 3′ gebildeten Spalt oder Schlitz 20′
in vergrößerter Darstellung. Der Tiegel 10 kann
eine gewisse Konizität aufweisen, damit ein Skull
z. B. bei Legierungswechsel einfach gezogen werden
kann. Besonders vorteilhaft ist es, wenn diese Ko
nizität über die Höhe des Tiegels nicht einheit
lich ist.
Um eine hohe mechanische Stabilität zu erreichen,
werden die Palisaden auf dem Bodenteil 4 von einem
metallischen, die Fußteile der Palisaden umschlie
ßenden Ring gehalten (nicht näher dargestellt).
Um einen besonders hohen elektromagnetischen Tie
gelwirkungsgrad zu realisieren, sind die Tiegelpa
lisaden 3, 3′, . . . über die Höhe teilweise ge
schlitzt. Für die erfindungsgemäße Tiegelausfüh
rung muß jedoch darauf geachtet werden, daß die
elektromagnetische Wirksamkeit dieser Zusatz
schlitze 7, 7a, . . . geringer ist als die der Schlit
ze 20, 20′, . . . zwischen den eigentlichen Palisaden
3, 3′, . . . Denn diese Zusatzschlitze 7, 7a, . . . liegen
räumlich näher am Schmelzenmeniskus und sollen
diesen nicht lokal einschnüren.
Die Höhe und Breite dieser Zusatzschlitze
7a, 7b, 7c, . . . in den Palisaden 3, 3′, . . . ist gegen
über den Palisaden 20, 20′, . . . derart reduziert,
daß der magnetische Widerstand größer ist, damit
ein direkter Felddurchgriff von der Induktionsspu
le 6 zur Schmelze weitgehend reduziert wird.
Bezugszeichenliste
3, 3′, . . . Palisade
4 Palisadenhalter, Bodenteil
5, 5′, . . . , Hohlraum, Kanal
5a, 5b, 6 Induktionsspule
7, 7a, 7b, 7c; Schlitze
7a′, 7b′, 7c′, . . .
8, 8′, . . . Außenfläche
9,9′, . . . Innenfläche
10 Tiegel
11, 11′ Kühlmittelzulauföffnung
12, 12′ Kühlmittelrücklauföffnung
13, . . . Bohrung
14 Verteilerleitung
15 Verteilerleitung
16, 16′, . . . Rohrstutzen
17, 17′, . . . Rohrstutzen
18, 18′, . . . Abschrägung, Fase
19, 19′, . . . Abschrägung, Fase
20, 20′, . . . Schlitz, Spalt
21 Querbohrung
22 Stopfen
23 Stopfen
24 Stopfen
25 Kammer
26 Kammer
4 Palisadenhalter, Bodenteil
5, 5′, . . . , Hohlraum, Kanal
5a, 5b, 6 Induktionsspule
7, 7a, 7b, 7c; Schlitze
7a′, 7b′, 7c′, . . .
8, 8′, . . . Außenfläche
9,9′, . . . Innenfläche
10 Tiegel
11, 11′ Kühlmittelzulauföffnung
12, 12′ Kühlmittelrücklauföffnung
13, . . . Bohrung
14 Verteilerleitung
15 Verteilerleitung
16, 16′, . . . Rohrstutzen
17, 17′, . . . Rohrstutzen
18, 18′, . . . Abschrägung, Fase
19, 19′, . . . Abschrägung, Fase
20, 20′, . . . Schlitz, Spalt
21 Querbohrung
22 Stopfen
23 Stopfen
24 Stopfen
25 Kammer
26 Kammer
Claims (7)
1. Tiegel (10) zum induktiven Schmelzen oder
Überhitzen von Metallen, Legierungen oder an
deren elektrisch leitfähigen Werkstoffen mit
lotrecht und parallel zueinander und auf ei
nem Kreisbogen verteilt und im Abstand zuein
ander angeordneten, die Schmelze umschließen
den Palisaden (3, 3′, . . . ) etwa gleicher Länge
und mit einem im Bereich der unteren Enden
der Palisaden (3, 3′, . . . ) vorgesehenen, plat
ten- oder ringförmigen, die Palisaden
(3, 3′, . . . ) haltenden Teil (4), wobei die Pa
lisaden (3, 3′, . . . ) zumindest teilweise mit
Hohlräumen (5, 5′, . . . ) oder Kanälen versehen
sind, die von einem Kühlmittel durchflossen
sind und mit einer die Palisaden (3, 3′, . . . )
mit Abstand von außen her umschlingenden, von
einem Wechselstrom durchflossenen Indukti
onsspule (6), dadurch gekennzeichnet, daß die
Palisaden (3, 3′, . . . ) sich lotrecht vom die
Palisaden haltenden Teil (4) aus bis nahe an
ihren oberen Randbereich erstreckende Schlit
ze (7a, 7b, 7c; 7a′, 7b′, . . . ) aufweisen, die
sich jeweils von der Außenfläche (8, 8′, . . . )
aus bis zur vielflächigen Innenwand
(9, 9′, . . . ) des Tiegels (10) erstrecken, wobei
die einzelnen Palisaden (3, 3′, 3′′, . . . ) mit
Abstand zueinander und gleichmäßig verteilt
auf dem die Palisaden haltenden Teil (4) an
geordnet sind und die von allen Palisaden zu
sammen gebildete Innenwand (9, 9′, 9′′, . . . ) ein
gerades, regelmäßiges Prisma mit gleichen
Parallelogrammflächen und zwei kongruenten
Deckflächen umschreibt.
2. Tiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die im wesentlichen als parallele
pipede, mit Längsbohrungen (5a, . . . ) versehene
Metallzuschnitte ausgebildeten Palisaden
(3, 3′, . . . ) an ihren schmalen Längsseiten mit
Abschrägungen oder Fasen (18, . . . 19, . . . ) ver
sehen sind, wobei die Fasen jeweils zweier
benachbarter Palisaden einen Längsschlitz
(20, . . . ) bilden.
3. Tiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Palisaden als längliche, eben
flächige Körper ausgeformt sind, die jeweils
von zwei Stirnflächen (Grund- und Deckfläche)
begrenzt sind, die ähnlich, jedoch nicht kon
gruent sind und im wesentlichen schmale
Rechtecke bilden, und die als gleichschenkli
ge Trapezflächen ausgeformten Seitenflächen
begrenzen, wobei alle Palisaden zusammen ei
nen vieleckigen, pyramidenstumpfförmigen Tie
gelinnenraum einschließen.
4. Tiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Palisaden als flache, lange,
nach oben hin sich verjüngende Zuschnitte
ausgeformt sind und zusammen einen etwa re
gelmäßigen, pyramidenstumpfförmigen Tiegelin
nenraum ausbilden.
5. Tiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Palisaden als flache, lange,
nach oben hin sich verbreiternde Zuschnitte
ausgeformt sind und zusammen einen sich etwa
kelchförmigen, nach oben hin erweiternden
Tiegelinnenraum ausbilden.
6. Tiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Palisaden als im wesentlichen
flache, lange, sich nach beiden Enden zu ver
jüngende Zuschnitte ausgeformt sind und zu
sammen einen etwa faßförmigen Tiegelinnenraum
ausbilden.
7. Tiegel nach einem oder mehreren der vorherge
henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die Schlitze (20, 20′, . . . ) zwischen den ein
zelnen Palisaden (3, 3′, . . . ) breiter bemessen
sind als die Schlitze (7a, 7b, 7c, . . . ) in den
einzelnen Palisaden, wobei für den magneti
schen Fluß (Φ) sich etwa das Verhältnis
ΦSchlitz zwischen den Palisaden<ΦSchlitz<ΦSchlitz in Palisadenmitte
und für die Flußdichte (B) multipliziert mit
der Fläche (A) zwischen Schlitz und Palisade
B × A ergibt, wobei A proportional r² ist.
Priority Applications (2)
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DE19629636A DE19629636A1 (de) | 1996-07-23 | 1996-07-23 | Tiegel zum induktiven Schmelzen oder Überhitzen von Metallen, Legierungen oder anderen elektrisch leitfähigen Werkstoffen |
US08/898,169 US5991328A (en) | 1996-07-23 | 1997-07-22 | Crucible for the inductive melting or superheating of metals, alloys, or other electrically conductive materials |
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