DE19743695A1

DE19743695A1 - Apparatus and method for melting and remelting of materials into blocks

Info

Publication number: DE19743695A1
Application number: DE1997143695
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr Schaub; Mathias Dr Blum; Alok Dr Choudhury; Harald Scholz
Original assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Current assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Priority date: 1997-10-02
Filing date: 1997-10-02
Publication date: 1999-06-10

Abstract

The solidification front between the solid block and liquid phase of a block being extracted from the mold is perpendicular to the direction of extraction. The sense of motion of the solidification front is opposite to that of the block extraction direction, so that it moves axially through the entire block and produces a uniform solidified structure. The melt (17) brought into a block casting mold (13) is supplied from a heat source (19) with heat energy over its surface surrounded by an annular zone. Proceeding from this zone, a temperature rise relative to the adjacent volume zone of the melt is adjustable. As a result, the solidification front being formed between the solidified block (14) and the molten phase is substantially perpendicular to the extraction direction (R) of the block. The sense of motion of the solidification front is opposite to that of the block extraction direction, so that it moves axially through the entire block and produces a uniform solidified structure.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor richtung zum Einschmelzen und Umschmelzen von Aus gangsmaterialien, die einer Schmelzzone zugeführt und durch Wärmeeinwirkung aufgeschmolzen werden, worauf die Schmelze einer Blockgießkokille zuge führt wird, aus der das Material in Form eines er starrten Stranges abgezogen wird. Das Ausgangsma terial liegt in Form eines Barrens oder als mehr oder weniger feines Granulat vor, welches aus ei nem vorgeschalteten Produktionsprozeß stammt. Die ses Material wird zunächst durch Wärmezufuhr in einem Aufschmelztrog ein- oder umgeschmolzen. Aus dem Aufschmelztrog tropft die Schmelze in eine im Fallweg der Tropfen angeordnete Blockgießkokille aus der ein erstarrter Metallstrang kontinuierlich nach unten abgezogen wird. Die Schmelze erstarrt in der Blockgießkokille kontinuierlich entlang ei ner Erstarrungszone, welche im wesentlichen durch die räumliche Temperaturverteilung innerhalb des in der Blockgießkokille befindlichen Schmelzgutes bestimmt ist.The invention relates to a method and a direction for melting and remelting Aus transition materials fed to a melting zone and are melted by exposure to heat, whereupon the melt is supplied to a block casting mold leads from which the material in the form of a he staring strand is being pulled off. The initial measure material is in the form of an ingot or more or less fine granules from egg nem upstream production process. The ses material is first in by heat melted or remelted in a melting trough. Out the melt drips into the melting trough Fall of the drops arranged block casting mold from which a solidified metal strand continuously is pulled down. The melt solidifies in the ingot mold continuously along egg ner solidification zone, which essentially by the spatial temperature distribution within the melting material located in the ingot mold is determined.

Zur Herstellung von gerichtet erstarrten Blöcken, wie sie z. B. bei der Herstellung von Silizium für den Einsatz bei der Solarenergiegewinnung ange strebt wird, ist es wünschenswert, daß der Silizi umblock über seine gesamte Länge parallel zu des sen axialer Erstreckung gerichtet erstarrt. Zur Festlegung der anfänglichen Erstarrungsrichtung, wird, z. B. in herkömmlichen Blockgießöfen ein vorzugsweise einheitlich gerichtet erstarrter Si liziumblock auf dem Abzugsboden angeordnet, wel cher als Keimkristall für das erstarrende Schmelz gut dient.For the production of directionally solidified blocks, as they e.g. B. in the manufacture of silicon for use in solar energy generation strives, it is desirable that the silicon block over its entire length parallel to the sen axial extension solidified directionally. For Definition of the initial solidification direction, will, e.g. B. in conventional block casting furnaces preferably solidified Si in a uniform direction silicon block arranged on the fume cupboard, wel cher as seed crystal for the solidifying enamel serves well.

In der Praxis hat sich allerdings erwiesen, daß auch die derartig, herkömmlich hergestellten Sili ziumblöcke, insbesondere bei der Herstellung von längeren Blöcken nicht wie gewünscht entlang einer einheitlichen Richtung erstarren, sondern mehrere Erstarrungsrichtungen ausbilden, welche jeweils einen zunehmend gekrümmten Verlauf aufweisen, und welche nachteilig auch in entgegengesetzte Rich tungen verlaufen können. Ein durch diese herkömm lichen Blockgießverfahren hergestellter Silizium block weist dann in seiner Verwendung als sogenanntes Solarsilizium nachteilig schlechtere Eigenschaften, z. B. in seinem Wirkungsgrad auf.In practice, however, it has been shown that also the such, conventionally produced sili zium blocks, especially in the manufacture of longer blocks not along a desired length solidify uniform direction, but several Form solidification directions, which each have an increasingly curved course, and which is also disadvantageous in opposite directions can run. A through this conventional block molding process made silicon block then assigns its use as so-called solar silicon disadvantageously worse Properties, e.g. B. in its efficiency.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art zur Direktverarbeitung von Ausgangsmaterial anzugeben, bei dem die erstarrten Blöcke eine einheitliche und vorzugsweise zu deren Axialrichtung parallele Erstarrungsrichtung aufweisen. Weiterhin besteht die Aufgabe in der Schaffung einer Ofenumschmelz- bzw. Einschmelzvorrichtung, mittels welcher Blöcke im Blockgießverfahren herstellbar sind, welche ei ne im wesentlichen blockaxial ausgerichtete Er starrungsrichtung aufweisen.The invention is therefore based on the object a method of the type described above for Specify direct processing of raw material, where the solidified blocks are uniform and preferably parallel to their axial direction Show direction of solidification. Still exists the task in creating a remelting furnace or melting device, by means of which blocks can be produced in the block casting process, which egg ne essentially blockaxially aligned Er have direction of rigidity.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs beschriebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch, daß das Ausgangsmaterial zunächst durch Wärmezufuhr in einem Aufschmelztrog auf- bzw. um geschmolzen wird, und aus dem Aufschmelztrog in eine Blockgießkokille eingebracht wird, wobei der erstarrenden Schmelze zeitgleich über deren Ober fläche von einer Wärmeenergiequelle innerhalb ei nes Oberflächenringbereichs derartig Wärme zuge führt wird, daß die räumliche Temperaturverteilung innerhalb des Schmelzgutes derartig ausgebildet wird, daß die Erstarrungsfront über den gesamten Querschnitt des Blocks im wesentlichen senkrecht zur Abzugsrichtung des Blocks verläuft.The task is solved at The method described above according to the invention in that the starting material is first through Heat supply up or around in a melting trough is melted, and from the melting trough in a block casting mold is introduced, the solidifying melt simultaneously over their upper area from a heat energy source within egg nes surface ring area such heat leads to the spatial temperature distribution formed in this way within the melting material is that the solidification front over the entire Cross section of the block substantially perpendicular to the withdrawal direction of the block.

Durch die örtliche, lokal induzierte Temperatu rüberhöhung der Schmelze an deren Oberfläche hat sich in der Praxis gezeigt, daß die Temperaturver teilung innerhalb des erstarrenden Schmelzgutes derartig ausgebildet wird, daß während des gesam ten Blockabzuges die Erstarrungsfront vorteilhaft über den gesamten Blockquerschnitt im wesentlichen parallel zur Schmelzenoberfläche verläuft. Beim Blockabzug wandert die Erstarrungsgrenze in Bezug zum erstarrten Block dadurch flächeneben und in horizontaler Ausrichtung in blockaxialer Rich tung, wodurch das Ausgangsmaterial als einheitlich gerichtet erstarrter Block herstellbar ist.Due to the local, locally induced temperatu excess of the melt on its surface has shown in practice that the Temperaturver division within the solidifying melt is designed such that during the whole ten block deduction the solidification front advantageous over the entire block cross section essentially runs parallel to the melt surface. At the Block deduction moves the solidification limit in relation to the solidified block, thereby flush and in horizontal alignment in blockaxial direction tion, which makes the starting material as uniform directionally solidified block can be produced.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, die Wärmeenergie in das Schmelzbad über die Ober fläche der Schmelze innerhalb einer radial ausge dehnten Heizzone von 0,5 r≦r_K zuzuführen, wobei r_K den Öffnungsradius und r den Radius in Bezug zur axialen Rotationsachse des Blockgießkörpers be zeichnet. Die ringlokale Energiezufuhr, wie sie insbesondere bei Blockgießkokillen mit kreisförmi gem Querschnitt vorteilhaft ist, führt überra schenderweise zur Ausbildung von auch im Randbe reich, d. h. bis r = r_K horizontal verlaufenden Erstarrungsflächen, die sich bis zur Mittenachse A-A' der Blockgießkokille erstrecken.It has proven to be particularly advantageous to supply the thermal energy into the weld pool via the upper surface of the melt within a radially extended heating zone of 0.5 r ≦ r _K , where r _{K is} the opening radius and r the radius in relation to the axial axis of rotation of the Block casting body be designated. The ring-local energy supply, as is particularly advantageous for ingot molds with a circular cross section, surprisingly leads to the formation of rich in the edge area, ie up to r = r _K horizontal solidification surfaces which extend to the central axis AA 'of the ingot mold.

Um einen in Ihrer Ausdehnung über den Ringbereich definierten Energieeintrag in das Schmelzbad zu gewährleisten, wird vorgeschlagen, die Wärmeener gie mittels einer oberhalb der Abgießkokille ange ordneten Elektronenstrahlquelle durch Elektronen beschuß der Schmelzbadoberfläche zuzuführen. Der Elektronenstrahl wird dann entsprechend der ge wünschten Strahlverteilung ausschließlich inner halb des gewünschten Ringbereichs auf die Schmelz badoberfläche gelenkt, wodurch die nachteilige Aufheizung und dadurch verursachte Beschädigung der Blockgießkokille in diesen Randbereich vermie den sind. Alternativ kann als Wärmeenergiequelle auch eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas verwendet werden, welches ebenfalls ausschließlich innerhalb eines vorgewählten Flächenbereichs auf die Schmelzbadoberfläche einwirkt.To your extent over the ring area defined energy input into the weld pool ensure, it is suggested the heat gie by means of a above the casting mold ordered electron beam source by electrons shelling the melt pool surface. Of the The electron beam is then ge only wanted beam distribution inside half of the desired ring area on the enamel steered the bathroom surface, thereby reducing the disadvantage Heating and damage caused thereby the block casting mold is missing in this edge area they are. Alternatively, as a heat energy source also a device for generating a plasma are used, which is also exclusively within a preselected area the melt bath surface acts.

Zum Aufschmelzen des Ausgangsmaterials wird die Verwendung einer weiteren Elektronenstrahlquelle vorgeschlagen, mittels welcher bei Einsatz einer geeigneten Elektronenstrahlsteuerung ein Elektro nenstrahl auf das oberhalb des Aufschmelztrogs zu geführte Material zum Abschmelzen und zum Abtrop fen der Schmelze in die Schmelzpfanne lenkbar ist.To melt the starting material, the Use of another electron beam source proposed by means of which when using a suitable electron beam control an electro towards the above the melting trough guided material for melting and draining fen the melt is steerable into the melting pan.

Mit der erfindungsgemäßen Schmelzvorrichtung kön nen in einfacher Weise auch hochschmelzende Super legierungen, wie z. B. Nickelbasis- Superlegierungen mit Legierungsbestandteilen aus Nickel, Molybdän oder Niob zu einheitlich gerich tet erstarrten Blöcken umgeschmolzen werden.With the melting device according to the invention high-melting super alloys such as B. Nickel-based Super alloys with alloy components Nickel, molybdenum or niobium are too uniform solidified blocks can be remelted.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Erfin dungsgegenstandes wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 4b näher erläutert.A preferred embodiment of the inven tion object is explained below with reference to FIGS . 1 to 4b.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 Einen Vertikalschnitt durch eine Schmelz vorrichtung während der Aufschmelzphase, Fig. 1 is a vertical section of a melting apparatus during the melting,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die mit Schmelzgut ge füllte Blockgießkokille, Fig. 2 is a plan view of the ge with melting filled Blockgießkokille,

Fig. 3 eine Temperaturverteilung innerhalb des Schmelzgutes im Axialhalbschnitt nach dem Stand der Technik, Fig. 3 is a temperature distribution inside of the molten material in the axial half of the prior art,

Fig. 4a eine Temperaturverteilung eines aus Sili zium bestehenden Schmelzgutes im Axial halbschnitt gemäß der Erfindung bei einer Abzugsgeschwindigkeit von v = 2,5 mm/min. und Fig. 4a shows a temperature distribution of a melting material made of silicon in axial half-section according to the invention at a take-off speed of v = 2.5 mm / min. and

Fig. 4b eine Temperaturverteilung eines aus Sili zium bestehenden Schmelzgutes im Axial halbschnitt gemäß der Erfindung bei einer Abzugsgeschwindikeit von v = 3,0 mm/min. Fig. 4b shows a temperature distribution of a silicon fusible material in axial half-section according to the invention with a withdrawal speed of v = 3.0 mm / min.

In Fig. 1 ist eine Vakuumkammer 2 dargestellt, die über nicht gezeigte Vakuumpumpen und eine nicht gezeigte Eva kuierungsleitung unter das für solche Prozesse übliche Betriebsvakuum < 10² mbar oder einer Schutzgasatmosphäre gesetzt werden kann.In Fig. 1, a vacuum chamber 2 is shown, the kuierungsleitung on vacuum pumps, not shown, and a Eva, not shown, can be placed under the usual operating vacuum for such processes <10 ² mbar or a protective gas atmosphere.

Unter dem Ausdruck Schutzgasatmosphäre wird auch eine solche Atmosphäre verstanden, bei der eine Reaktion des aufzuschmelzenden Ausgangsmaterials vermieden wird, wel che alternativ zu einem entsprechenden unterdruck durch ein Inertgas oder ein reduziertes Gas gebildet werden kann.Under the term protective gas atmosphere is also a understood such an atmosphere in which a reaction of the raw material to be melted is avoided, wel alternatively to a corresponding negative pressure an inert gas or a reduced gas are formed can.

In der Vakuumkammer 2 befindet sich ein Aufschmelztrog 4 und eine zugeordnete Blockgießkokille 13. Der Aufschmelz trog 4 besteht aus einem langgestreckten wassergekühlten Hohlkörper 5 mit hochstehenden Seitenwänden und einer Ab gießlippe 8. Bevorzugt wird als Aufschmelztrogmaterial Kupfer verwendet. Der Aufschmelztrog 4 ist ortsfest in Bezug zur Blockgießkokille 13 angeordnet, wobei die Ab gießlippe 8 oberhalb der Blockgießkokille 13 angeordnet ist.In the vacuum chamber 2 there is a melting trough 4 and an associated block casting mold 13. The melting trough 4 consists of an elongated water-cooled hollow body 5 with upstanding side walls and a pouring lip 8. Preferably, copper is used as the melting trough material. The melting trough 4 is fixed in relation to the ingot mold 13 , the pouring lip 8 being arranged above the ingot mold 13 .

In der Blockgießkokille 13 befindet sich ein Block 14, der den unteren Verschluß der Blockgießkokille 13 dar stellt sowie - am oberen Ende des Blockes - ein Schmelz see 17, der aus dem Aufschmelztrog 4 kontinuierlich ge speist wird. Dadurch entsteht ein Material- und Energie- bzw. Wärmegleichgewicht, das für die gesamte Dauer des Umschmelzprozesses beibehalten wird.In the block casting mold 13 there is a block 14 , which represents the lower closure of the block casting mold 13 and - at the upper end of the block - a melting lake 17 , which is fed continuously from the melting trough 4 ge. This creates a material and energy or heat balance that is maintained for the entire duration of the remelting process.

Für die Beheizung der gesamten Vorrichtung sind zwei oberhalb der Blockgießkokille 13 und dem Aufschmelztrog 4 angeordnete Elektronenstrahlquellen 18 und 19 vorgesehen, von denen die Elektronenstrahlquelle 18 dem Aufschmelz trog 4 zugeordnet ist. Die Elektronenstrahlen sind durch gestrichelte Linien angedeutet; es versteht sich jedoch, daß die Elektronenstrahlen fokussiert sind und nicht gleichzeitig den dargestellten Bereich bestreichen, son dern nach Maßgabe der Ablenk- und Wiederholungsfrequenz über ihre Zielflächen geleitet werden. Einzelheiten be züglich der Ablenk- und Wiederholungsfrequenz der Elek tronenstrahlen werden anhand der übrigen Figuren noch nä her erläutert. For the heating of the entire device are above the two Blockgießkokille 13 and arranged the Aufschmelztrog 4 electron beam sources 18 and 19 are provided, of which the electron beam source 18 trough the reflow is assigned. 4 The electron beams are indicated by dashed lines; however, it goes without saying that the electron beams are focused and do not simultaneously sweep the area shown, but are guided over their target areas in accordance with the deflection and repetition frequency. Details regarding the deflection and repetition frequency of the electron beams are explained in more detail with reference to the remaining figures.

Zum Füllen des Aufschmelztrogs 4 wird das Umschmelzmate rial 10 in Form von stabförmigen Abschmelzelektroden in den Elektronenstrahlbereich der Elektronenkanone 18 ober halb des Trichters des Aufschmelztroges 4, vorzugsweise horizontal, vorgeschoben. Der Elektronenstrahl der Elek tronenstrahlkanone 18 überstreicht den Trog der Auf schmelzpfanne 4 und das Abschmelzende 11 des Umschmelzma terials 10 abwechselnd mit unterschiedlichen Verweilzei ten bei unterschiedlichen Energieverteilungen. Durch die Energiebeaufschlagung wird das Umschmelzmaterial 10 end seitig verflüssigt und tropft in den Aufschmelztrog 4, in welcher sich ein Schmelzreservoir ansammelt, welches durch die Energieeinbringung des Elektronenstrahls der Elektronenstrahlkanone 18 flüssig gehalten wird. Sobald eine ausreichend große Menge von Schmelze in dem Auf schmelztrog 4 angesammelt ist, fließt diese über die Ab gießlippe 8 in die im Fallweg der Tropfen angeordnete Blockgießkokille 13. Um ein ungestörtes Fließen und Ab laufen der Schmelze aus dem Aufschmelztrog 4 in die Blockgießkokille 13 zu gewährleisten, überstreicht der Elektronenstrahl der Elektronenkanone 19 den vorderen Be reich des Aufschmelztrogs 4 und die Gießlippe 8.To fill the melting trough 4 , the Umschmelzmate rial 10 in the form of rod-shaped melting electrodes in the electron beam region of the electron gun 18 above half the funnel of the melting trough 4 , preferably horizontally, advanced. The electron beam of the electron beam gun 18 sweeps over the trough of the melting pan 4 and the melting end 11 of the material 10 Umschmelzma alternately with different dwell times with different energy distributions. Due to the application of energy, the remelting material 10 is liquefied at the end and drips into the melting trough 4 , in which a melting reservoir collects, which is kept liquid by the energy input of the electron beam from the electron beam gun 18 . As soon as a sufficiently large amount of melt has accumulated in the melting trough 4 , it flows from the pouring lip 8 into the block casting mold 13 arranged in the drop path of the drops 13. In order to ensure undisturbed flow and flow of the melt from the melting trough 4 into the block casting mold 13 ensure, sweeps the electron beam of the electron gun 19 the front loading area of the melting trough 4 and the pouring lip 8th

Weiterhin wird von dem Elektronenstrahl der Elektronen strahlkanone 19 die Oberfläche des in der Blockgießkokil le 13 befindlichen Schmelzbads 17 beaufschlagt. Die Ziel fläche des Elektronenstrahls auf der Schmelzenoberfläche ist in Fig. 2 schematisch als Ringbereich 22 dargestellt.Furthermore, the electron beam of the electron beam gun 19 acts on the surface of the molten bath 17 located in the block casting mold 13 . The target area of the electron beam on the melt surface is shown schematically in FIG. 2 as a ring region 22 .

Bei einer, einen kreisförmigen Querschnitt aufweisenden Blockgießkokille 13 wie in Fig. 2 dargestellt wird die Blockschmelze 15 über ein bevorzugt ringförmig ausgebil detes Gebiet, der Heizzone 22 auf eine Temperatur er wärmt, welche deutlich oberhalb dem benachbarten Mitten bereich liegt. So beträgt die Oberflächentemperatur der Schmelze im Bereich der Heizzone 22 für eine Silizium enthaltende Schmelze zwischen 1590 Grad und 1660 Grad Celsius welche zur Schmelzbadmitte auf Temperaturwerte zwischen 1400 Grad und 1500 Grad Celsius abnimmt. Für den inneren Radius r_I und für den äußeren Radius r_A dieser Heizzone 22 gilt 0,5 r_K≦r_I≦r_A≦0,8r_K, und bevorzugt gilt r_A=r_K mit r_I≦r_K (siehe Fig. 2).In a block casting mold 13 having a circular cross section, as shown in FIG. 2, the block melt 15 is heated over a preferably ring-shaped area, the heating zone 22 to a temperature which is clearly above the adjacent central area. For example, the surface temperature of the melt in the area of the heating zone 22 for a silicon-containing melt is between 1590 degrees and 1660 degrees Celsius, which decreases to temperatures between 1400 degrees and 1500 degrees Celsius in the middle of the melt pool. For the inner radius r _I and for the outer radius r _{A of} this heating zone 22 , 0.5 r _K ≦ r _I ≦ r _A ≦ 0.8r _K applies, and preferably r _A = r _K with r _I ≦ r _K (see Fig. 2).

In Fig. 4a und Fig. 4b ist die Temperaturverteilung eines erstarrenden Schmelzbades 17 aus Silizium als Funktion des Radiuswertes r und der Axialkoordinate h dargestellt. Aus Symmetriegründen ist die Temperaturverteilung nur in einem Halbquerschnitt dargestellt, da die in Fig. 4a und Fig. 4b dargestellten Temperaturverteilungen jeweils ro tationssymmetrisch zur Rotationsachse A-A' sind. Der Be reich I. bezeichnet die feste, bereits erstarrte Phase, und der Bereich II. die noch flüssige Phase des Schmelz bades 17. Beide Phasen I., II. werden durch die Erstar rungsfront 30, die sich über den gesamten horizonzalen Querschnitt des Schmelzbades 17 als Erstarrungsfläche ausdehnt voneinander getrennt. Bei einer Silizium- Blockschmelze beträgt die Temperatur im Bereich I. zwi schen 1350 und 1450°C und im Bereich II. ca. zwischen 1400 und 1500°C, wobei der Temperaturübergang zwischen diesen Phasen natürlich stetig und kontinuierlich ver läuft. Wie der Fig. 4a zu entnehmen ist, verläuft die Er starrungsfront 30 ausgehend von der Mitte des Blocks 14, durch welche die Achse A-A' festgelegt ist, zum Block gießkokillenrand nahezu horizontal. Die senkrecht zur Er starrungsfront 30 verlaufende Erstarrungsrichtung ver läuft somit, wie gewünscht, parallel zur Blockachse A-A'.In Fig. 4a and Fig. 4b shows the temperature distribution of a solidifying molten bath 17 shown from silicon as a function of the radius value r and the axial coordinate h. For reasons of symmetry, the temperature distribution is shown only in a half cross section, since the temperature distributions shown in Fig. 4a and Fig. 4b are each ro tationssymmetrisch to the rotation axis AA '. The loading area I. denotes the solid, already solidified phase, and the area II. The still liquid phase of the melting bath 17. Both phases I., II. Are through the solidification front 30 , which extends over the entire horizontal cross section of the melting bath 17 expanded as a solidification surface separated from each other. In the case of a silicon block melt, the temperature in region I. is between 1350 and 1450 ° C. and in region II. Approximately between 1400 and 1500 ° C., the temperature transition between these phases of course running continuously and continuously. As can be seen in FIG. 4a, the rigid front 30 extends from the center of the block 14 , through which the axis AA 'is fixed, to the block of the mold mold edge almost horizontally. The direction of solidification running perpendicular to the solidification front 30 thus runs, as desired, parallel to the block axis A-A '.

Ein Vergleich mit dem in Fig. 3, einem nach dem Stand der Technik sich ausbildenden Temperaturverlauf in einer gat tungsgemäßen Blockschmelze aus Silizium zeigt, daß die Phasen I. und II. durch eine mit wachsendem Radius r sich krümmende Erstarrungsfront 30 voneinander getrennt sind. Hierdurch verläuft die Erstarrungsrichtung eines herkömm lich hergestellten Siliziumblockes nicht parallel zur Blockachse A-A'. Die Phase I. weist eine Temperatur zwi schen 1200 Grad und 1300 Grad Celsius und die Phase II. eine Temperatur von 1100 Grad bis 1200 Grad Celsius auf.A comparison with the in Fig. 3, a state of the art forming temperature profile in a gat device block molten silicon shows that phases I and II are separated by a curvature with increasing radius r solidification front 30 . As a result, the solidification direction of a conventionally manufactured silicon block does not run parallel to the block axis A-A '. Phase I has a temperature between 1200 degrees and 1300 degrees Celsius and Phase II has a temperature of 1100 degrees to 1200 degrees Celsius.

Die Abziehgeschwindigkeit der in Fig. 3 und in Fig. 4a dargestellten Temperaturverläufe wurde identisch zu 2,5 mm/min. gewählt. The removal speed of the temperature profiles shown in FIG. 3 and in FIG. 4a became identical to 2.5 mm / min. chosen.

Fig. 4b zeigt einen analog zur in Fig. 4a dargestellten Temperaturverlauf einer Silizium-Schmelze, welche mit ei ner Abziehgeschwindigkeit von V = 3 mm/min. hergestellt ist. Hier ist deutlich zu sehen, daß die Erstarrungsfront 30, welche die feste Phase I. und die flüssige Phase II. voneinander trennt, einen dem Querschnitt eines Troges ähnlichen Verlauf annimmt, mit einem Trogtiefpunkt bei r = 3r_S, wobei r_S den in den Fig. 3, 4a und 4b gleichen Ra dialabschnitt von 15mm bedeutet. Der Wert des in den Dia grammen der Fig. 3, 4a und 4b eingezeichneten Axialab schnitts h_S beträgt einheitlich 5 mm. Dieser Verlauf der Erstarrungsfront wird bedingt durch die im Vergleich zu dem in Fig. 4a dargestellten Beispiel höhere Abziehge schwindigkeit. Der durch Elektronenbeschuß definierte Heizbereich 22 weist sowohl für das in Fig. 4a als auch für das in Fig. 4b gezeigte Ausführungsbeispiel einen in neren Radius von r = r₁ = 60 mm und einen äußeren Ringra dius von r = r_A =75 mm auf. Fig. 4b shows an analog to the temperature curve of a silicon melt shown in Fig. 4a, which with a peeling speed of V = 3 mm / min. is made. It can clearly be seen here that the solidification front 30 , which separates the solid phase I and the liquid phase II. From one another, assumes a course similar to the cross section of a trough, with a trough bottom at r = 3r _S , where r _S corresponds to that in FIGS Fig. 3, 4a and 4b same Ra dial section of 15mm means. The value of the Axialab section h _S shown in the diagrams of FIGS . 3, 4a and 4b is uniformly 5 mm. This course of the solidification front is caused by the higher pull-off speed compared to the example shown in FIG. 4a. The heating region 22 defined by electron bombardment has an inner radius of r = r ₁ = 60 mm and an outer ring radius of r = r _A = 75 mm both for the embodiment shown in FIG. 4a and for the embodiment shown in FIG. 4b .

Reference list

22nd

Vakuumkammer
Vacuum chamber

44th

Aufschmelztrog
Melting trough

55

Hohlkörper
Hollow body

66

Seitenwand
Side wall

88th

Abgußlippe
Cast lip

1010th

Umschmelzmaterial, Einsatzmaterial
Remelting material, feed material

1111

Abschmelzende
Melting end

1212th

Blockabzug
Block deduction

1313

Blockgießkokille
Block casting mold

1414

Block
block

1515

Blockschmelze, Schmelzbad
Block melt, melt pool

1616

Abzugsvorrichtung
Trigger device

1717th

Schmelzbad
Weld pool

1818th

Elektronenstrahlquelle, Wärmeenergiequelle
Electron beam source, heat energy source

1919th

2020th

Steuereinheit der Wärmenergiequellen
Control unit of the heat energy sources

2222

Heizzone, Ringbereich
Heating zone, ring area

2424th

RandbereichA-A' Rotationsachse
R Abzugsrichtung
h Axialrichtung
r Schmelzbadradius
h_S Border area A-A 'rotation axis
R deduction direction
h axial direction
r Melt pool radius
h _p

Axialabschnitt
r_S Axial section
r _p

Radialabschnitt
r_A Radial section
r _A

äußerer Ringradius
r_B outer ring radius
r _B

Blockradius
r_I Block radius
r _I

innerer Ringradius
r_K inner ring radius
r _K

Öffnungsradius der Blockgießkokille
Block casting mold opening radius

Claims

1.Melting device for producing ingot casting blocks with means for supplying starting material in a melting area and at least at least one heat energy source for producing melting energy and a melting pan in which the starting material can be melted and from which the melt can be fed to the ingot casting mold, from which cher the material is removable in the form of a solidified block, characterized in that the melt in the ingot mold ( 13 ) introduced melt over the surface thereof within a circumferential ring region ( 22 ) heat energy from a heat energy source ( 19 ) can be supplied, thereby starting from Ringbe rich ( 22 ) a temperature increase to the adjacent volume range of the melt ( 17 ) can be set, as a result of which the flat solidification front ( 30 ) which forms between the liquid melt phase and the solidified block ( 14 ) over its entire extent essentially perpendicular to A direction of pull R of the solidified block ( 14 ) is formed.

2. Melting device according to claim 1, characterized in that the ring region ( 22 ) is between r _I and r _A , with 0.5 r _K ≦ r _I ≦ 0.8 r _K and r _A , where r _{K is} the opening radius and r _I corresponds to the inner radius and r _{A to} the outer radius of the ingot mold.

3. Melting device according to claim 1 and / or claim 2, characterized in that the starting material ( 10 ) consists of silicon.

4. Melting device according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that the starting material ( 10 ) made of metal, preferably from titanium or from a mixture of alloy metals for the production of super alloys, preferably of a nickel-based super alloys.

5. Melting device according to at least one of claims 1 to 4, characterized in that the thermal energy sources ( 18 , 19 ) each consist of an electron beam source.

6. Melting device according to at least one of claims 1 to 5, characterized in that the heat energy source provided for introducing the thermal energy into the melt pool ( 17 ) consists of a device which acts on the melt pool surface and generates the plasma, the heat pool supplying the melt pool ( 17 ) Plasma can be generated on the molten bath surface within a ring area adjacent to the mold edge.

7. Process for the production of ingot blocks from a preferably metallic starting material which is melted by supplying heat from a heat energy source into a melting trough and from which it is introduced into a block casting mold and from which the metal in the form of a solidified block is continuously drawn off , characterized in that the molten bath ( 17 ) introduced into the block casting mold ( 13 ) is supplied with thermal energy within a ring region ( 22 ) over the surface of the molten bath ( 15 ), whereby the temperature distribution in the solidifying melt volume is adjusted such that the solidification surface ( 30 ) between the solid phase I. and the liquid phase II. Hori zonally flat and opposite direction of the block withdrawal direction R migrates axially through the melting material whereby the block ( 14 ) solidifies a uniformly directed.