DE3033738C2

DE3033738C2 - Vorrichtung zum Erstellen und Vergießen von Schmelzen aus Mineralien oder Metallen

Info

Publication number: DE3033738C2
Application number: DE3033738A
Authority: DE
Inventors: Kalervo Johan Pori Lahtinen; Matti J. Nashwauk Minn. Saarivirta
Original assignee: KOPO KONE-POHJA OULU FI Oy
Current assignee: KOPO KONE-POHJA OULU FI Oy
Priority date: 1980-09-08
Filing date: 1980-09-08
Publication date: 1983-08-18
Also published as: FI812613L; IT8115204V0; GB2085134B; IT8112619A0; SU1243639A3; ATA380481A; FR2489948A1; DE3033738A1; AT380564B; IT1145931B; CH653433A5; FI66486B; FI66486C; GB2085134A; FR2489948B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erstellen und Vergießen von Schmelzen aus Mineralien oder Metallen und betrifft insbesondere eine solche Vorrichtung zum Erstellen und Vergießen von Schmelzen aus hochschmelzenden Metallen oder Metallegienngen mit einer Heizkammer mit Seitenwandungen, einer Deckelwandung und einer Bodenwandung, welche sämtlich eine Wärmeisolierung aus im wesentlichen aus Aluminiumoxyd und Siliziumoxyd bestehendem Material aufweisen und von einem Stahlmantel umgeben sind, einem innerhalb der Heizkammer angeordneten Ticgelständer und einem auf diesem angeordneten Tiegel sowie mindestens drei in der Heizkammer zwischen deren Wandungen und dem Tiegel und zu diesem berührungskontaktfrei angeordneten und mit elektrischen Zuleitungen versehenen Siliziumkarbid-Heizelementen.

time Schmelz- und Gießvorrichtung dieser Art. bei welcher die Wärmeisolierung aus im wesentlichen aus AliiminiiiiiHAvd und Siiiziumowd bestehendem l-'aserni;!terial gebildet ist. ist aus der DIi-OS 27 2"> NH-i bekannt. Diese hat sich ücizcnubcr lms- uder olbel'euer-

ten Schmelz-Gieß-Öfen ebenso wie gegenüber Induktionsöfen aua vielerlei Gründen bestens bewährt. Abgesehen von vergleichsweise geringeren Gestehungskosten erbringt nämlich eine solche bekannte Vorrichtung eine außerordentliche Wirtschaftlichkeit verbunden mit den weiteren Vorteilen der Verhinderung von Oxydation des flüssigen Schmelzgutes, da dieses keiner Bewegung svie beispielsweise in induktionsöfen und auch keiner chemischen Reaktionsmöglichkeil mit Brenngasen wie beispielsweise bei gas- oder ölbefeuerten Öfen ausgesetzt ist, sowie der Vermeidung jeglicher Umweltverschmutzung bei praktisch geräuschlosem Arbeiten und der Möglichkeit, die Heizkammertemperatur ebenso wie die Schmelzguttemperatur fortlaufend auf praktisch jedem beliebigen Wert halten zu können.

Bei dieser bekannten Ausföhmng einer gattungsgemäßen Vorrichtung müssen die Heizelemente beidseitig jeweils über Isolationsrohre aus keramischem Material im Bereich des Wärmespeichermaterials abgestützt sein. Dadurch unterliegen sie unvermeidlich gewissen Stoß- und Schockbeanspruchungen insbesondere dann, wenn eine solche bekannte Vorrichtung kippbar ausgeführt ist, die aus den Erschütterungen des Speichermaterials während des Gießvorganges herrühren. Im Verein mit der hohen thermischen Belastung der Heizelemente führen diese mechanischen Beanspruchungen erfahrungsgemäß sehr bald zu Ausfall des einen oder anderen Heizelementes infolge von einfachen Rißbildungen in diesem, die übergroße örtliche elektrische Belastungen mit nachfolgenden Ausfallerscheinungen zur Folge haben, oder gar zu völligem Bruch des gesamten betreffenden Heizelementes. Nach Meinung der Fachwelt ist aus Gründen einigermaßen brauchbarer Lebensdauer solcher Heizelemente für die Einsatztemperatur solcher Heizelemente eine nicht zu überschreitende Grenze bei 1350°C gesetzt.

Hierdurch aber werden die Einsatzmöglichkeiten für eine solche bekannte Verrichtung auf Einsatzfälle mit Dauerbetriebstemperaturen von maximal 1350⁰C beschränkt, wenn man nicht vorzeitigen Ausfall der Heizelemente mit dom damit verbundenen erhöhten Zeit- und Kostenaufwand für Wartung und Keizelementenaustausch und den rtoch erheblich schwerer ins Gewicht fallenden Produktionsausfall einer solchen Vorrichtung in Kauf nehmen will. Jedenfalls ist hierdurch die Wirtschaftlichkeit derselben nicht unerheblich eingeengt.

Dem kann nach Meinung der Fachwelt auch nicht durch eine Vergrößerung der Tiegelcharge, d. h. des Aufnahmevolumens des Tiegels, abgeholfen werden. Abgesehen davon, daß diesem durch die Handhabbarkeit der gesamten Vorrichtung eine gewisse Grenze gesetzt ist, würde dies bedingen, daß bei Einhaltung vorgegebener Auß.enabmessungen der gesamten Vorrichtung der Abstand der Heizelemente einerseits von der Tiegelaußenoberfläche und/oder andererseits von der Innenoberfläche des Wärmespeichermaterials verringert werden müßte. Ersteres würde aber zu den gefürchteten Überhitzungen der die Heizkammer frei durchragenden Heizelemente aufgrund unvermeidlicher Wärmerückslrahlung vom Tiegel her führen, und letzercs hätte zur Folge, daß ohne zusiit/lichc Wärmeisolierungsmaßnahmen, welche sich wieder ungünstig auf sowohl das Gewicht und Volumen und damit die Handhabbarkeit der Vorrichtung sowie auf die Gestehungskosten derselben auswirken wurden, die Oberflächentemneratiir ;in der Außenoberfläche des Stahlmantels der Vorrichtung nicht unerheblich ansteigen würde. Auch aus diesem Grunde wurde eine an sich erwünschte Leistungssteigerung nicht für möglich erachtet

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung gattungsgemäßer Art mit einfachen und kostengünstigen Mitteln so zu verbessern, daß sich ohne die geschilderten nachteiligen Folgen doch eine nicht unbeträchtliche Leistungssteigerung insoweit erzielen läßt, als einerseits Schmelzvorgänge durchgeführt werden können, welche eine wesentlich höhere Dauerbetriebstemperatur in der Heizkammer bis zu 1650⁰C und erforderlichenfalls kurzzeitig sogar darüber erfordern, und andererseits ohne Notwendigkeit der Vergrößerung der Außenabmessungen der Vorrichtung sich doch eine Vergrößerung der Tiegelchargengröße erreichen läßt, ohne daß unangemessene Erhöhungen der Temperatur der Außenoberfläche des Stahlmantels der Vorrichtung in Kauf zu nehmen sind, wobei stets die Lebensdauer der Heizelemente auch unter Berücksichtigung rauher Arbeitsbedingungen vriim Gießvorgang nicht nur gewahrt, sondern noch verbessert werden kann und sich somit insgesamt eine beträchtliche Steigerung der Wirtschaftlichkeit einer solchen Vorrichtung sowohl aus dem Gesichtspunkt der Verbesserung de·· Gestehungskosten über einfacheren konstruktiven Aufbau und Wahl geeigneter Konstruktionsmaterialien als auch im Hinblick auf eine Senkung der Betriebskosten ergeben soll.

Dies wird durch die Erfindung entgegen der Meinung der Fachwelt in überraschend einfacher und kostengünstiger Weise dadurch erreicht, daß bei einer Vorrichtung gattungsgemäßer Art die Siliziumkarbid-Heizelemente gegenüber mindestens einer Heizkammerwandung stoßgedämpft abgestützt jeweils mit einem Abstand ihrer Mittelachse zur Außenoberfläche des Tiegels in der Heizkammer angeordnet sind, der dem Zwei- bis Vierfachen des Außendurchmessers des Heizelementes entspricht.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ist es gelungen, die Vorteile einer bekannten Vorrichtung gatlungsgemäßer Ausführung beibehalten und doch deren Wirtschaftlichkeit noch wesentlich verbessern zu können. Einerseits nämlich nutzt die Ei findung die überraschende Erkenntnis, daß es für die Wirtschaftlichkeit einer solchen Vorrichtung weit weniger auf das Vorhandensein ausreichender Wärmespeichermasse größerer Dichte, durch welche die von den Heizelementen in Richtung Heizkammerwandung abgestrahlte Wärmeenergie gespeichert und besonders gleichmäßig auf den Tiegel zurückgestrahlt wird, ankommt, als bisher für erforderlich gehalten. Es wurde nämlich erkannt, daß eine ausreichende Verg'eichmäßigung der Wärmerückst ^rah' ι rig von den Heizkammerwandungen zum Tiegel auch durch die Heizkammer bildendes Material verhältnismäßig geringer Wärmespeicherkspazität erbracht werden kann, was insbesondere im Hinblick auf eine ausreichend tragfähige Heizkammerkonstruktion ausreichender Wärmeisolierungseigenschaften kombiniert mit geringem Raumbedarf und tunlichst auch möglichst niedriger gewichtsmäßiger Belastung der Stützkonstruktion bzw. des Untergrundes besonders wünschenswert ist. sofern nach neuester ürkennmis der Erfindung wesentlich wichtigere Gefahrenquellen für die Lebensdauer von Tiegel und/oder Heizelementen wirksam ausgeschaltet werden. Diese Gefahrenquellen liegen in der besonderen mechanischen Bruchempfindlichkcit der Siliziumkarbid-Heizelemente und der mit in

Hochtemperaturbereiche steigender Temperatur gesteigerten Neigung des Tiegelmaterials, bereits bei verhältnismäßig geringfügigen örtlichen Unterschieden thermischer Belastung der AuQenoberfläehe des Tiegels ungeachtet der beim eigentlichen Gießvorgang zusätzlich noch hinzukommenden mechanischen Beanspruchungen bereits beim Schmelzvorgang allein durch diese örtlichen thermischen Urigleiehförmigkeiten es zu Rißbildungen kommen zu liisscn, durch welche es erfahrungsgemäß bereits nach kurzer Betriebsdauer zu Leckagen des Schmelzgutes in die Heizkammer hinein kommt, welche eine die Wirtschaftlichkeit des gesamten Produktionsprozesses einer solchen Vorrichtung rapide senkende Unterbrechung des Betriebes mit entsprechendem Herunterkühlen der gesamten Vorrichtung zum Zwecke des Entleerens des Leckagegutes aus der Heizkammer erforderlich machen. Und hier liegt ein weiterer Ansatzpunkt der Erfindung, indem diese nämlich erkannt hat. daß es durchaus möglich ist. eine üpünlülc Anordnung dcf ί iciZcicFncnic in bc/üg «Uli UCt!

Tiegel zu finden, welche thermische Überbelastungen dor Tiegelwandung ebenso wie der Heizelemente vermeidet und doch optimale Wärmeenergie-Einleitung in den Tiegel ermöglicht. Um auch höheren Betriebsanforderungen bezüglich der Betriebsdauertemperatur bis zu !650⁰C genügen zu können, sieht die Erfindung schließlich auch eine spezifische Abstützung der Heizelemente vor. welche die Übertragung der insbesondere beim Gießvorgang unvermeidlichen Stoß- und Schockbeanspruchungen der Heizkammer auf die Heizelemente vermeidet und daher den Einsatz von solchen Siliziumkarbid-Heizelementen ermöglicht, die bis jedenfalls 1650⁰C hochtemperatur-dauerbelastbar sind.

Insgesamt wird durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen eine erhebliche Verbesserung einer gattungsgemäßer. Vorrichtung im Hinblick auf die gleichzeitige lösung aller zugrunde liegenden Teilaufgaben ohne Einbuße an den bereits durch die gattungsgemäße Konzeption erbrachten Vorteilen erreicht. Es wurde gefunden, daß sich eine weitere Verbesserung bezüglich einer im Hinblick auf die Möglichkeit der Vergrößerung der Tiegelcharge optimalen raum- und wärmewirt schaftwirkungsgradmäßigen Auslegung dadurch erreichen läßt, daß gemäß einer erfinderischen Fortbildung die Heizelemente jeweils mit einem Abstand ihrer Mittelachse zur Innenoberfläche der benachbarten Heizkammerwandung angeordnet sind, der dem Zweibis Vierfachen des Außendurchmessers des Heizelementes entspricht.

Weiterhin hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn die Heizelemente an zwei gegenüberliegenden Wandungen der Heizkammer abgestützt sind. Dabei können zweckmäßig die Heizelemente in an sich bekannter Weise parallel zu einer benachbarten Heizkammerwandung horizontal angeordnet sein. Andererseits ist es aber im Rahmen der Erfindung durchaus möglich, die Heizelemente auch in an sich bekannter Weise vertikal um den Tiegel herum zu gruppieren.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ■ kennzeichnet sich dadurch, daß die Heizkammer im wesentlichen die Form eines länglichen Parallelepipeds ha:, in dem der Tiegel im wesentlichen rnittig angeordnet ist. daß die Heizelemente die einander gegenüberliegenden längeren Seitenwandungen der ~ V{p-l~7\cΛγτ-ιΓτιργ ir. 7Π (jpn *^0^Γ2^ρΓ£Π S^^enWSnduri^wn ^^O1" Heizkammer paralleler horizontaler Lage durchdringen und in zwei jeweils auf gegenüberliegenden Seiten des Tiegels /wischen diesem und den kürzeren Seitenwandungen der lleizkammer angeordneten vertikalen Reihen übereinander angeordnet sind, wobei der Abstand ihrer Mittelachsen /iir Außenobcriläche des

■ Tiegels dem 2.}- bis i.5fachen des Außendiirchmesser.s der Heizelemente entspricht. Dabei hat es sich als zu bevorzugen erwiesen, wenn die Heizelemente jeweils mit eii cm Abstand ihrer Mittelachse von den kürzeren Seitenwandungen der lleizkammer angeordnet sind.

^: der dem Zwei- bis Dreifachen ihres Außendurchmessers entspricht. Eine hierzu alternative Ausführungsform kennzeichnet sich dadurch. 'JaIJ die Hcizkammer im wesentlichen die Form eines Hexagonepipeds hat. in dem der Tiegel im wesentlichen mittig angeordnet ist.

und daß die Heizelemente in vertikalen Reihen von jeweils mindestens zwei Heizelementen parallel zu jeder den sechseckigen Querschnitt des Hexagonepipeds begrenzenden Seilenwandung die beiden benachbarten .Seitenwandungen jeweils schräg durchdringend in Muii/.uniaicr Luge angeordnet sind, wubei entsprechende Heizelemente der auf gegenüberliegenden Seiten des Tiegels liegenden zueinander parallelen Reihen jeweils gleichen Abstand ihrer Mittelachse vom Boden der Heizkammer haben, der jedoch von einer

• Reihe zur benachbarten und von dieser zur dieser benachbarten folgenden Reihe größer ist.

Für diese beiden speziellen Ausführungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn das unterste Heizelement mit einem Abstand seiner Mittelachse vom Boden der Heizkammer angeordnet ist. der dem Drei- bis Fünffachen seines Außendurchmessers entspricht. Dies ermöglicht nämlich einen ausreichend großen Leckageaufnahmeraum unterhalb des Heizelementes, in dem

' sich erforderlichenfalls eine ausreichende Leckagemenge ansammeln kann, ohne daß Gefahr für Beschädigungen der untersten Heizelemente durch diese bestünde.

Im iiHriorpn umfilftl HlP Frfinrtiinty »jliM/^hi»rm'.illi>n ati/^h .... *~_v. ._o~" — ....—— — ._c p--.w..... ...„_... _u *.,...

die vertikale Anordnung von Siliziumkarbid-Heizelementen beschriebener Art und deren entsprechende abstandsmäßige Zuordnung zueinander und zur Außenoberfläche des Tiegels sowie zur Innenoberfläche der Heizkammerwandung.

Nach einem weiteren untergeordneten Erfindungsgedanken können zweckmäßig die Heizelemente mit einem Abstand der Mittelachsen zweier benachbarter Heizelemente zueinander angeordnet sein, der dem Zwei- bis Vierfachen des Außendurchmessers der Heizelemente entspricht. Hierdurch wird die Wärmeabstrahlung an den Tiegel nicht nur hinsichtlich ihrer Größe, sondern auch hinsichtlich der Gleichmäßigkeit ihrer örtlichen Verteilung optimiert. Eine noch weitergehende Verbesserung in dieser Hinsicht im Verein mit einer weiteren Steigerung der Lebensdauer der Heizelemente und damit der störungsfreien Betriebsdauer der Vorrichtung selbst bei Dauerbetrieb im Höchsttemperatur-Bereich ergibt sich überraschend, wenn als Heizelemente an sich bekannte gewendelte Siliziumkarbid-Heizelemente eingesetzt werden.

Zweckmäßig kann die stoßgedämpfte Abstützung eines jeden Heizelementes durch eine elastische Lagenjngseinrichtung gebildet sein, die im die Heizkammerwandung durchdringenden Bereich des Heizelementes dieses gegenüber der Heizkammerwandung abstützt. Eine konstruktive besonders einfache und gleichzeitig extrem kostengünstige Ausfüh.pjng ergibt sich dadurch, daß die stoßgedämpfte Abstützung eines jeden Heizelementes durch direkte Auflage seines die

Hei/kammerwandiing durchdringenden Bereichs auf dem elastischen Wärmcisolicrungsmaicrial derselben erbracht werden kann. Zweckmäßiger« eise können dabei die Heizelemente in ihren die I lei/kammerwandung durchdringenden Hereichen jeweils von einer Isolierhülse umgeben sein.

Rir manche F.insalzfälle kann es sieh ferner als vorteilhaft erweisen, wenn /wischen den I lei/elementen und der I leizkammerwandiing ein Wärmestrahlungsreflcktor angeordnet ist. mittels dessen die in Richtung auf n die Hei/kammerwandung abgestrahlte Warme in RiehiungTiegel /tirückstrahlbar ist.

Im folgenden wird die F.ifindimg anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele. welche in den Zeichnungen dargestellt sind, rein beispielsweise näher . · beschrieben. Dabei zeigt

f-'ig. I von der Vorderseite her gesehen einen Vertikalschnitt durch die Heizkammer einer kippbaren Schmelz- und Gießvorrichtung nach der Erfindung.

F'ig. 2 von der Seite her gesehen einen Vertikal- -"> schnitt durch dieselbe Heizkammer gemäß Fig. I.

F i g. 3 eine Seilenansicht der gesamten Schmelz- und Gießvorrichtung gemäß Fig. I und 2 einschließlich deren Kippmechanismus.

Fig. 4 einen von der Seite her gesehenen Vertikal- :'· schnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 5 eine Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß Fig.4 bei abgehobenem Deckel mit teilweise weggebrochenen Bereichen, und '>"

Figo einen von der Seite her gesehenen Vertikalschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die in F i g. I bis 6 wiedergegebenen Ausführungsbeispiele von Schmelz- und Gießvorrichtungen nach der r> Erfindung weisen jeweils eine Heizkammer 20 auf, die durch Seitenwandungen I₁ Deckelwandung 2 und Bodenwandung 3 in seitlicher und höheninäßiger Richtung begrenzt ist. Die Wandungen sind von einem Stahlmantel umschlossen. In der Heizkammer 20 ist ein "' Tiegelständerboden 6 angeordnet, auf dem ein Tiegel 7 festgelegt isi, und ferner sind in der Heizkammer 20 mindestens drei Heizelemente 8 mit elektrischen Zuleitungen 19 angeordnet, wobei diese Heizelemente 8 in der Heizkammer 20 zwischen zwei gegenüberliegen- '"■ den Seitenwandungen derselben und dem Tiegel so angeordnet sind, daß jeder Berührungskontakt zwischen ihnen und dem Tiegel ausgeschlossen ist.

Nach der Konzeption der Erfindung sind die Heizelemente 8 hochtemperatur-dauerbelastbare Silizi- "■ umcarbid-Heizelemente, welche dafür vorgesehen sind, die Temperatur des Tiegels 7 auf zwischen 1100 und 1650°C zu halten, um Kupfer und Kupferlegierungen schmelzen und vergießen zu können. Weiterhin sind nach der Erfindung die Wandungen der Heizkammer 20 ⁵ im wesentlichen aus Wärmeisolierungsmaterial 4 erstellt, das seinerseits in der Hauptsache aus Aiuminiumoxyd- und Siliziumoxyd-Fasern besteht. Weiterhin: ist die Anordnung der Heizelemente 8 in der Heizkammer 20 nach der Erfindung so getroffen, daß der Abstand zwischen der Mittelachse des Heizelementes 8 und der Außenoberfläche 9 des Tiegels 7 dem Doppelten bis Vierfachen der Dimension 1 entspricht, welche den Außendurchmesser des Heizelementes wiedergibt. Und schließlich sind die Heizelemente 8 in den Bereichen ihrer beiden Enden, in denen sie die sie tragende bzw. abstütztende Heizkammerwandung 1 durchdringen, elastisch so abgestützt, daß die Übertragung der Stoß-

60 und Schockbelastiingen. denen insbesondere beim Vergießen die Hei/kammerwandung 1 unvermeidlich aiisgesei/t ist. auf die Heizelemente 8 zuverlässig ausgeschaltet ist. Für diese sioßgcdümpfie Abstützung der Hndcn der Heizelemente gegenüber der Hcizkammcrwandung 1 ist deren elastisches Wärmeisolierungsmaterial 4 herangezogen. Zweckmäßig lagern dabei die Heizelemente 8 jeweils in ihre die Heizkammerwandung I durchdringenden Bereiche umgebenden Isolierhülsen.

Die in F i g. 1 bis j wiedergegebene Schmelz- und Gießvorrichtung hat im wesentlichen die Form eines Parallelepipeds, wobei die Außenoberfläche der Dekkelwandung 2 sich teilweise konvex nach oben vorstreckt und auf den über dem Tiegel 7 gelegenen Bereich derselben der Deckel 15 aufgesetzt ist. Die Seilenwandungen 1 definieren zwischen sich einen gleichermaßen im wesentlichen die Form eines Parallelepipeds aufweisenden länglichen Raum, in dem der Tiegel 7 auf einem Tiegelsländer 6 angeordnet ist. Der Tiegel 7 ragt teilweise in die Deckelwandung 2 hinein, wodurch eine dichte Verbindung zwischen Tiegel und Deckelwandung gebildet ist und Metalldämpfe nicht in die Heizkammer 20 eindringen können. Eine Dichtungspackung 21 ist zwischen dem sich nach oben hin öffnenden Tiegelmund und der Deckelwandung 2 angeordnet. Dabei kann diese Dichtungspackung 21 aus beispielsweise demselben elastischen Fasermaterial erstellt sein wie das Wärmeisolierungsmaterial 4.

Das Verhältnis von Länge zu Breite der die Form eines Parallelepipeds aufweisenden Heizkammer 20 beträgt angenähert 1,6 bis 1,7. Der Abstand der Mittelachsen der vier obersten Heizelemente 8 von der Außenoberfläche 9 des Tiegels 7 beträgt auf beiden Seiten desselben das 1,7- bis 2,8fache des Außendurchmessers der Heizelemente, und der gleiche Abstand der untersten Heizelemente 8 entspricht dem J.l fachen ihres Außendurchmessers. Alle zwölf Heizelemente 8. und zwar auf jeder Seile des Tiegels 7 jeweils sechs, besitzen einen Abstand ihrer Mittelachsen von den benachbarten kürzeren Seitenwandungen der Heizkammer 20. welcher ziemlich genau dem 2.8fachen des Außendurchmessers der Heizelemente entspricht.

Die Heizelemente 8 haben runde Querschnittsform und sind in zueinander paralleler Lage in zwei zueinander parallelen Reihen unterhalb einander angeordnet, wobei diese Reihen jeweils längs einer benachbarten kürzeren Seitenwandung 1 der Heizkammer 20 und in rechtem Winkel zu den längeren Seitenwandungen der Heizkammer 20 liegen. Die maximale Leistungsaufnahme der Heizelemente 8 betrugt etwa 8,4 kW, wodurch eine maximale Leistung der gesamten Vorrichtung von etwa 100 kW erbracht wird. Die Aufnahmekapazität dieser Vorrichtung beträgt 500 kg Kupfer oder 150 kg Aluminium.

Die in Fig. 1 bis 3 gezeigte Heizkammer, welche durch die Wandungen 1 bis 3 begrenzt wird, ist mit ihrem Tiegel und ihren Heizelementen an der sie tragenden Stützrahmenkonstruktion 11 mit Hilfe der zur längeren Seitenwandung der Heizkammer parallelen horizontalen Achse 13 schwenkbar angelenkt. Die Vorrichtung weist ferner einen Hydraulikzylinder 14 auf, welcher sowohl am Rahmen 11 als auch an der Heizkammer 20 jeweils schwenkbar angelenkt ist, um die Heizkammer 20 und den zu ihr gehörigen Tiegel 7. weiche beide vom Rahmen 11 getragen werden, zur Gießöffnung 16 hin kippen bzw. verschwenken zu können.

Zum Gebrauch bzw. Betrieb der Vorrichtung nach der Erfindung wird der Deckel 15 geöffnet und der Tiegel 7 teilweise mit dem zu schmelzenden Metall gefüllt, worauf dann der Deckel 15 wieder geschlossen und der elektrische Strom für die Widerstands-1 leizelemente 8 eingeschaltet wird, um das Aufheizen der Heizelemente einzuleiten. Von diesen hochtemperaturdiiucrbclastbarf.il ^'li/iumearbid-Heizelementen wird die Wärme in der Hauptsache durch Strahlung und lediglich teilweise durch Konvektion auf den Tiegel 7 und das in diesem angeordnete Metall und teilweise an die Innenoberfläche der Seitenwandungen 1 der Heizkammer 20 übertragen. Aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung der Heizelemente 8 in einem bestimmten Abstand vom Tiegel 7 und vorzugsweise auch einem bestimmten Abstand von den Seitenwandungen 1 wird die Wärme gleichmäßig und ohne Temperaturspitzen und/oder -minima, welche hohe ihermi.sc'iie Spannungen im Ticgc'rnaic";;'.! hervorrufe!! können, auf den Tiegel 7 übertragen. Nachdem das schmelzende Metall die erwünschte Temperatur erreicht hat, wird dem Hydraulikzylinder 14 Druckmittelflüssigkeit zugeführt, und dies bewirkt, daß der gesamte Apparat zur Gießöffnung 16 hin gekippt bzw. verschwenkt wird, um das geschmolzene Metall beispielsweise in eine Form zu gießen. Nach Beendigung des Gießvorganges wird der Druck im Hydraulikzylinder 14 mit Hilfe eines (nicht dargestellten) Regelorgans reduziert, wodurch die Heizkammer 20 mit ihrem Tiegel 7 in ihre aufrechte Ursprungsstellung zurückkehrt.

Da die Heizelemente 8 die einander gegenüberliegenden längeren Seitenwandungen der Heizkammer 20 durchdringen und in sei umgebenden und durch die Wandungen hindurchgeführten Lagerhülsen abgestützt sind (wobei diese Lagerhülsen in Fig. 1 als durchgezogene Kreise um die schrägschraffierten runden Heizelementenquerschnitte sichtbar sind), können Stöße und Schocks, die auf den Apparat wirken, dank der zusätzlichen Maßnahme der Abstützung der Heizelemente in ihren beiden Endbereichen allenfalls minimale mechanische Beanspruchungen der Heizelemente 8 verursachen. Darüber hinaus dämpft auch das fasrige Wärmeisolierungsmaterial 4 sämtliche Stöße und dergleichen ab, denen die Heizelemente während des Gießvorganges ausgesetzt sein könnten, weil die Gießvorrichtung in Verbindung mit den Gießbewegungen zu vibrieren pflegt.

Bei der in F i g. 1 bis 3 gezeigten Vorrichtung sind die Heizelemente 8 horizontal und mit einem vorgegebenen Abstand vom Boden der Heizkammer 20 angeordnet, wobei der Abstand der Mittelachse der untersten Heizelemente etwa dem Fünffachen des Außendurchmessers 1 derselben entspricht. Hierdurch wird sichergestellt, daß aus einem teilweise gebrochenen Tiegel 7 auf den Boden der Heizkammer 20 rinnendes Metall zum Beispiel nicht die Heizelemente beschädigen kann, und zwar nicht einmal die am weitesten unten angeordneten.

Das Verhältnis von Länge zu Breite der Heizkammer 20 der in F i g. 4 und 5 gezeigten Vorrichtung nach der Erfindung beträgt etwa 1,6. In der Heizkammer 20 sind in jeweils einer Reihe auf jeder Seite des Tiegels jeweils drei Heizelemente in horizontaler Lage und parallel zur kürzeren Seitenwandung der Heizkammer angeordnet. Die Mittelachsen der obersten Heizelemente haben einen Abstand von der Außenoberfläche des Tiegels von etwa dem 2,7fachen ihres Außendurchmessers. und die entsprechenden Abslande der mittleren Heizelemente betragen etwa das 2»fache ihrer Außendiirchinesser und die gleichen Abstande der untersten Heizelemente entsprechen etwa dem 3.4fachen ihrer Aullcndurchmesser. Der Abstand der Mittelachsen der Heizelemente von der Innenoberfläche der ihnen benachbarten kürzeren Seilenwandungen der Heizkam· nier entspricht etwa dem 1.ifachen ihres Außendurchmessers.

Jedes Heizelement ist von dem nächsten Heizelement über oder unter sich (und zwar gemessen von Mittelachse zu Mittelachse) auf einem etwa dem J.Jfachen des Außendurchmessers der Heizelemente entsprechenden Abstand gehalten. Der Abstand des untersten Heizelementes vom Kammerboden beträgt etwa das 4.5fachc seines Außendurchmessers.

Die maximale Leistungsaufnahme der Heizelemente in der in F i g. 4 und 5 wiedergegebenen Vorrichtung betrag! etwa K.ikW was bedeutet, daß der gesamte Apparat eine Maximalleistung von etwa 50 kW hat. Die Aufnahmekapazität dieser Vorrichtung beträgt etwa JOO kg Kupfer oder 90 kg Aluminium.

Die in F i g. 4 und 5 wiedergegebenc Schmelz- und Gießvorrichtung ist für horizontale Gießprozesse gedacht, wie beispielsweise Bodenguß. Die Gießöffnung 16 des Tiegels 7 ist nahe dem Tiegelboden angeordnet, und sie ist dafür gedacht, mit einer Gießschale und/oder einer Kühleinrichtung ausgerüstet zu werden. Weiterhin weist der Tiegel 7 der Schmelz- und Gießvorrichtung gemäß Fig. 4 und 5 noch eine Gießöffnung 16' zum Entleeren des Tiegels auf. Die Bodenwandung 3 und die Dcckelwandung 2 der Heizkammer sind teilweise unter Einsatz einer Vergußmassenverbindung erstellt, um ausreichende mechanische Festigkeit zu erzielen. Die Öffnung des Tiegels 7 ist gegenüber der Deckelwanduni-⁷ 2 mit Hilfe einer Dichtungspackung 21 abgedichtet.

In Fig.6 ist in einem von einer zur anderen Seite geführten und daher von vorn wahrzunehmenden Vertikalschnitt ein drittes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung gezeigt. Die Heizkammer 20 ist wiederum wie ein Parallelepiped ausgebildet, und das Verhältnis ihrer längeren Seite zu ihrer kürzeren Seite beträgt etwa 1.6. Diese Vorrichtung weist insgesamt sechs Heizelemente auf. welche in Horizontallage eines über dem anderen in zwei zu den kürzeren Seitenwandungen der Kammer parallelen Reihen angeordnet sind, welche jeweils auf gegenüberliegenden Seiten des Tiegels liegen, wie dargestellt. Der Abstand der Mittelachsen der Heizelemente von der Außenoberfläche des Tiegels beträgt etwa das 2.4fache des Außendurchmessers der Heizelemente, was die obersten Heizelemente anbetrifft, etwa das 2,8fache des Außendurchmessers der Heizelemente, was die mittleren Heizelemente anbetrifft, und etwa das 33fache des Außendurchmessers der Heizelemente, was die untersten Heizelemente anbetrifft. Der Abstand der Mittelachsen der Heizelemente von der Innenoberfläche der benachbarten kürzeren Heizkammerwandung beträgt ι jeweils etwa das 2,1 fache des Außendurchmessers der Heizelemente. Jedes Heizelement ist in einem solchen Abstand seiner Mittellinie von der des ihm benachbarten Heizelementes über oder unter sich gehalten, der etwa dem 2,8fachen des Außendurchmessers der ^; Heizelemente entspricht, und die untersten Heizelemente sind in einem solchen Abstand vom Kammerboden angeordnet, daß ihre Mittelachsen von diesem einen Abstand von etwa dem 3,2fachen ihres Außer.durchmes-

sers Mallen. Die maximale Leistungsaufnahme dieser llei/iingselemeiiie betrügt jeweils etwa 14 kW. und die (iesamtlei;.'.ung der gan/en Verrichtung ist somit etwa 85 kW. Die Aufnahmekapazität der Vorrichtung betrügt etwa 1000 kg Kupfer oder iOO kg Aluminium.

Der Betrieb der Vorrichtung gemäß I⁷ i g. b ist. was das Schmelzen von Metall und das Aufheizen der Vorrichtung betrifft, ähnlich dem in Verbindung mit der vorstehend bereits erläuterten Vorrichtung gemäß F-' i g. 1 bis 3 beschriebenen Betrieb. Weiterhin ist diese

Vorrichtung dafür konzipiert, meistens stationär gehalten zu verbleiben. Lediglich der Tiegel 7 soll im Zusammenhang mit dem Gießvorgang durch die kammerwandung 5 hindurch aus dem Inneren der Heizkammer 20 herausgehoben werden. Die I.ift-F.inrichtimg hierfür ist von herkömmlicher Art und nicht dargestellt.

Von der in F i g. 1 bis 3 gezeigten Vorrichtung sind die in Tabelle I wiedergegebenen Typen gefertigt worden.

Fabelle

{j.meiisionen in nun

T-50	505
T-200	380
T-500	445
T-IOOO	615
T-2000	670

2(>5

35?
385
560
650

400
5X0
940
945
120(1

Nr. der	.■\ul'nahmeka\|i;i/iliil in kg	\1	Gesamt
Heiz		20	leistung
elemente		6(1
	tu	150	kW
9	60	300	28
i)	200	600	45
12	500	100
12	1000	170
18	2000	250

Gewicht

950
1500
2600
3300
4000

/) = Tiegeldurchmesser im oberen Bereich,
ι/ = Tiegeldurchmesser im Hoclenhereich.
// = Tiegelhöhe.

Von den in Fig. 6 gezeigten Vorrichtungen sind die in Tabelle Il wiedergegebenen Typen gefertigt worden.

Tabelle Il	Dimensionen	in mm	H	Nr. der	Aulnahm	80	ekurui/itat in kg	Gesamt	Gewicht
Type			375	Heiz		200		leistung
			480	elemente		300
	D	d	540		Cu	500	Al	kW	kg
	305	205	650	9	1000	25	28	700
S-50	380	265	700	9		60	45	1^0
S-200	440	295		6	90	50	1400
S-300	510	325	9	150	75	1700
S-500	615	355	ti	300	85	2000
S-1000

D = Tiegeldurchmesser im oberen Bereich.
d = Tiegeldurchmesser im Bodenbereich.
H = Tiegelhöhe.

Der gegenseitige ALstand der Heizelemente untereinander, also der Abstand der Mittelachsen jedes horizontalen Heizelementes von der des über oder unter ihm angeordneten parallelen Heizelementes beträgt beispielsweise 2 bis 4mal Heizelementen-Außendurchmesser. In dem in Fig. i bis 3 dargestellten Fall beträgt dieser Abstand 2,6ma! Heizelementen-Außendurchmesser, bei dem in F i g. 4 und 5 wiedergegebenen Apparat hingegen beträgt er 3,4mal Heizelementen-Außendurchmesser, und bei dem in F i g. 6 gezeigten Ausführungsbeispiel beläuft er sich auf das 2,8fache des Heizelementen-Außendurchmessers, und bei der Type T-2000 gemäß Tabelle I entspricht er dem 2,2fachen des Heizelementen-Außendurchmessers. Hierdurch und ferner aufgrund des erfindungsgemäß vorgegebenen Abstandes der Heizelemente von der y-> Außenoberfläche des Tiegels und von der Innenoberfläche der kürzeren Seitenwandung der Heizkammer wird entsprechend der erfindungsgemäßen Konzeption bewirkt, daß die Wärme gleichmäßig von den Heizelementen auf die Tiegeloberfläche abstrahlt, d. h.. daß die en Oberflächentemperatur des Tiegels praktisch gleichmäßig ist. Weiterhin hat auch die von den Heizelementen auf die Innenoberfläche der kürzeren Seitenwandungen der Heizkammer abgestrahlte Wärme gleichermaßen eine in der Hauptsache gleichmäßige Verteilung über dieser Seitenwandungsoberfläche. Dadurch werden die Temperaturdifferenzen zwischen unterschiedlichen Punkten auf der Außenoberfläche des Tiegels und gleichermaßen auch zwischen unterschiedlichen Punk-

ten auf der Innenoberflache der betreffenden Heizkammerwandung auf einem geringstmöglichen Wert gehalten und die diesen Oberflächen aufgeprägten thermischen Belastungen minimiert.

Wenn die Abstärde der Heizelemente vom Tiegel geringer wären als durch die Erfindung spezifiziert und vorstehend erläutert, würde die Oberflächentemperatur des Tiegels aufgrund der denn stärkeren Konvektion und Strahlung höher werden, und dies würde dem Tiegel eine höhere thermische Beanspruchung aufprägen. Die unerwünschte Konsequenz wäre dann eine verringerte Lebensdauer eines solchen Tiegels. Ein größerer Abstand der Heizelemente von der Außenoberfläche des Tiegels würde geringere Wärmekonvektion und -strahlung zur Folge haben, wodurch der Wärmewirtschafts-Wirkungsgrad einer solchen Vorrichtung beeinträchtigt werden würde.

Im Falle, daß der Abstand der Heizelemente von der jeweils benachbarten kürzeren Seitenwandung der Heizkammer kürzer gewählt wäre als nach der erfindungsgemäüen Konzeption zugelassen und vorstehend erläutert, würde sich der durch Konvektion und Strahiung auf diese Kammerwandungs-Oberflächen übertragene Wärmebetrag steigern, wodurch die Temperatur dieser Wandungsoberflächen ansteigen würde. Die unerwünschte Folge hiervon würden eine beeinträchtigte Wärmewirtschaftlichkeit und höhere themische und mechanische Beanspruchungen der Seitenwadnungen sein, welche hohe Betriebskosten und eine kürzere Lebensdauer der Heizkammerwandungen bedingen würden. Falls der Abstand der Heizelemente von diesen Seitenwandungen größer wäre als erfindungsgemäß vorgesehen, würde dies eine unsinnige Größe der Heizkammer zur Folge haben und würde insbesondere der Abstand der Heizelemente von den kürzeren Seitenwandungen und dadurch vom Tiegel ansteigen. Dies wiederum würde sich in einer gesteigerten Größe und Oberfläche der Außenwandung der Vorrichtung ausdrücken, was wiederum mit steigender Wärmeübertragungsfläche die Wärmeübertragung an den Umgebungsraum steigern und damit die Wärmeverluste vergrößern würde. Die Folge hiervon wären wiederum eine beeinträchtigte Wärmewirtschaftlichkeit der Vorrichtung und höhere Kosten.

Die anteilsmäßige Menge der Bestandteile in dem mineralischen Fasermaterial, das zur Erstellung der wärmedämmenden Heizkammerwandungen verwandt wird, können beträchtlich schwanken. Die Gesamtmenge von AI₂O₃ und SiO₂ beträgt 50 bis 100 Gew.-%; die Menge von Al₂O₃ kann zwischen O und 100 Gew.-% liegen, beispielsweise über 40 Gew.-%, wie vorzugsweise 40 bis 60 Gew.-%; die Menge an SiO₂ kann zwischen 0 und 100 Gew.-% liegen, beispielsweise über 40 Gew.-%. wie beispielsweise zwischen 40 und 60 Gew.-%; andere Zusätze und Verunreinigungen können in den Fasern vorhanden sein, vorausgesetzt, diese Verunreinigungen bewirken keine Korrosion oder sonstige Beschädigung des Tiegels, der Heizelemente oder der Konstruktion^^ elemente der Vorrichtung, wobei daran zu denken ist. daß Eisenverbindungen beispielsweise häufig für die Heizelemente und die Konstruktionselemente des Ofens schädlich sind.

Die Wärmeleitfähigkeit des Wärmeisolierungsmaterials 4 beträgt beispielsweise 0.1 kcal/m h°C bei 400⁰C in seiner Außenlage und 0.3 kcal/m h°C bei 1200⁰C in seiner dem Tiegel am nächsten gelegenen Innenfage.

Das Wärmeisolierungsmaterial 4 besteht aus handelsüblichen Mineralfasermaterial, welches die folgenden Bestandteile enthält:

AI₂O₃	43 bis 70 Gew.-°/o
SiO.	20bis54Gew.-%
Fe₁O₃	Spuren
TiO₂	Spuren
MgO	Spuren
CaO	O.aibisl.OGew.-%
Na₂O	0.1 bis2.0Gew.-%

Der Wirkungsgrad einer solchen Vorrichtung kann dadurch verbessert und die erforderliche Menge an Wärmeisolierungsmaterial dadurch reduziert werden, daß ein bei in den Zeichnungen wiedergegebenen

α Ausführungsbeispielen nicht dargestellter Wärmestrahlungsreflektor zwischen den kürzeren Seitenwandungen der Heizkammer und den zu dieser parallelen Heizelementen so angeordnet wird, daß er die Wärme in Richtung Tiegel reflektiert.

■*" Es ist möglich, die Vorrichtung nach der Erfindung mit zusätzlichen Ausrüstungsteilen zu vervollständigen, die ihrerseits in Verbindung mit einer Schmelz- und Gießvorrichtung an sich bekannt sind, wie beispielsweise einem Thermostat mit Temperatur-Pick-up (sichtbar

■»> in Fig.4 oberhalb der Öffnung 16 und des oberen Heizelementes), Gießeinrichtungen, Verschlußeinrichtungen für die Öffnungen etc.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Erstellen und Vergießen von Schmelzen aus Mineralien oder Metallen, insbesondere hochschmelzenden Metallen oder Metallegierungen, mit einer Heizkammer mit Seitenwandungen, einer Deckelwandung und einer Bodenwandung, welche sämtlich eine Wärmeisolierung aus im wesentlichen aus Aluminiumoxyd und Siliziumoxyd bestehendem Material aufweisen und von einem Stahlmantel umgeben sind, einem innerhalb aer Heizkammer angeordneten Tiegelständer und einem auf diesem angeordneten Tiegel sowie mindestens drei in der Heizkammer zwischen deren Wandungen und dem Tiegel und zu diesem berührungskontaktfrei angeordneten und mit elektrischen Zuleitungen versehenen Siliziumkarbid-Heizelementen, dadurch gekennzeichnet, daß die Sstiziumkarbid-Heizelemente (8) gegenüber mindestens einer Heizkammerwandung stoßgedämpft abgestützt jeweils mit einem Abstand ihrer Mittelachse zur Außenoberfläche (9) des Tiegels (7) in der Heizkammer (20) angeordnet sind, der dem Zwei- bis Vierfachen des Außendurchmessers (1) des Heizelementes (8) entspricht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente (8) jeweils mit einem Abstand ihrer Mittelachse zur Innenoberfläche (10) der benachbarten Heizkammerwandung (1) angeordnet sird, der dem Zwei- bis Vierfachen des Außendurchmessers (1) des Heizelementes (8) entspricht.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente (8) an zwei gegenüberliegenden Wandungen (1) der Heizkammer (20) abgestützt sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente (8) in an sich bekannter Weise parallel zu einer benachbarten Heizkammerwandung (1) horizontal angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche ! bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente (8) in an sich bekannter Weise vertikal um den Tiegel (7) herum gruppiert sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß die Heizkammer (20) im wesentlichen die Form eines länglichen Parallelepipeds hat, in dem der Tiegel (7) im wesentlichen mittig angeordnet ist, und daß die Heizelemente (8) die einander gegenüberliegenden längeren Seitenwandungen (1) der Heizkammer (20) in zu den kürzeren Seitenwandungen (l)der Heizkammer(20) paralleler horizontaler Lage durchdringen und in zwei jeweils auf gegenüberliegenden Seiten des Tiegels (7) zwischen diesem und den kürzeren Seitenwandungen (1) der Heizkammer (20) angeordneten vertikalen Reihen übereinander angeordnet sind, wobei der Abstand ihrer Mittelachsen zur Außenoberfläche (9) des Tiegels (7) dem 2.3- bis 3.5fachen des Außendurchmessers (1) der Heizelemente (8) entspricht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente (8) jeweils mit einem Abstand ihrer Mittelachse von der. kürzeren Seiicnwanclungen (I) tier Heizkammer (20) angeordnet Sinti, eier dem Zwei- his Dreifachen ihres

Außendurchmessers (1) entspricht.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizkammer im wesentlichen die Form eines Hexagonepipeds hat, in

■> dem der Tiegel im wesentlichen mittig angeordnet ist und daß die Heizelemente in vertikalen Reihen von jeweils mindestens zwei Heizelementen parallel zu jetler den sechseckigen Querschnitt des Hexagonepipeds begrenzenden Seitenwandung a-e beiden

i') benachbarten Seitenwandungen jeweils schräg durchdringend in horizontaler Lage angeordnet sind, wobei entsprechende Heizelemente der auf gegenüberliegenden Seiten des Tiegels liegenden zueinander parallelen Reihen jeweils gleichen

ι > Abstand ihrer Mittelachse vom Boden der Heizkammer haben, der jedoch von einer Reihe zur benachbarten und von dieser zur dieser benachbarten folgenden Reihe größer ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8. ■?< > dadurch gekennzeichnet, daß das unterste Heizelement (8) mit einem Abstand seiner Mittelachse vom Boden (3) der Heizkammer (20) angeordnet ist. der dem Drei- bis Fünffachen seines Außendurchmessers (1) entspricht.

->

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente (8) mit einem Abstand der Mittelachsen zweier benachbarter Heizelemente (8) zueinander angeordnet sind, der dem Zwei- bis Vierfachen des

in Außendurchmessers (1) der Heizelemente (8) entspricht.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet.daß als Heizelement (8) an sich bekannte gewendelte Siliziumkar-

*> bid-Heizelemente eingesetzt sind.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Heizelementen (8) und der Heizkammerwandung (1) ein Wärmestrahiungs;'enektor angeordnet ist. mittels dessen die in Richtung auf die Heizkammerwandung (4) abgestrahlte Wärme in Richtung Tiegel (7) zurückstrahlbar ist.