Das Kaltwandtiegel-Verfahren

Das Kaltwandtiegel-Verfahren (Cold-Wall-Crucible) wurde in den 60ern in Sella­field entwi­ckelt. Der klas­sische Kalt­wand­tiegel be­steht aus einer ring­förmigen Pali­saden­wand aus wasser­gekühl­ten Kupfer­ele­menten. Diese stehen sehr eng neben­ein­ander, be­rüh­ren sich aber gegen­seitig nicht.

Der Boden besteht entweder aus einer wassergekühlten Kupfer­platte oder er ist eben­falls seg­men­tiert und mit den dane­ben befind­li­chen Pali­saden­seg­menten verbunden.

Bei einem Tiegel mit wasser­gekühltem Boden kann man nicht mehr von einem Schwebe­schmelz-Verfah­ren sprechen, da die Schmelze nicht von einem elek­tro­magne­ti­schen Feld getra­gen wird. Es handelt sich hier viel­mehr um ein Misch­ver­fahren aus elektro­magne­ti­schem Heizen und einem auf dem Boden des Tiegels statt­finden­den Skull­mel­ting, d.h. die Schmelze liegt in einer nicht flüssi­gen Haut aus dem Schmel­zen­werk­stoff, welcher nach dem Prozess chemisch oder mecha­nisch ent­fernt werden muss. Skull­mel­ting ist in der Wolfram­verar­beitung üblich. Geschmol­zen wird hier mit einem Elek­tro­nen­strahl.

Die ringförmig um die Palisadenwand ange­brachte Induk­tions­spule indu­ziert in den ein­zel­nen Seg­men­ten der Wand einen Strom, welcher hori­zon­tal um jedes Seg­ment der Wand kreist. Die von den Ein­zel­strö­men der Seg­mente erzeug­ten elektro­mag­neti­schen Felder addieren sich auf den Innen- und Aussen­seiten der Palisade und er­mög­li­chen so eine Durch­drin­gung des anson­sten ab­schir­men­den Tiegels durch diese Felder. Das elektro­magne­tische Feld ist der Wand­geo­me­trie des Kalt­wand­tie­gels ange­passt und formt damit einen elektro­magne­ti­schen Tiegel. Der Kalt­wand­tie­gel dient also als mecha­nische Stütze des elektro­mag­neti­schen Feldes. Weiter­hin wird durch die Geo­me­trie des Kalt­wand­tie­gels eine Trans­forma­tion des in der Schmelze zu indu­zieren­den Stromes erreicht, was zu einer Ver­besse­rung der ener­geti­schen An­pas­sung Schmelze / Gene­rator führt.

Der wesentliche Vorteil dieser Methode ist die sehr grosse pro­zes­sier­bare Werk­stoff­masse. Nach­tei­lig ist der rela­tiv geringe Wir­kungs­grad von maximal 40% der Gene­rator­leis­tung, was rela­tiv hohe Inves­ti­tions- und En­ergie­kosten nach sich zieht. Weiter­hin ist der Werk­stoff- / Tiegel­kon­takt beim Auf­schmel­zen und Er­star­ren sowie an den Seg­ment­fu­gen des Tie­gels leider nicht ganz aus­zu­schliessen.

Das Kalt­wand­tiegel-Ver­fahren ist die erste Wahl, wenn es um das Pro­zes­sie­ren von Mas­sen geht, welche grös­ser als Labor­pro­ben sind.

Die von STS vertriebenen Tiegel sind aussen zylin­der­för­mig und haben innen einen kalotten­förmigen Schmelz­raum. Die Tiegel sind voll­stän­dig seg­men­tiert, d.h. jedes Wand- und Boden­ele­ment besteht aus einem homo­genen, jeweils einzeln gekühl­ten Seg­ment, welches auf dünnen Roh­ren steht, um einen guten Feld­durch­griff zu er­mög­li­chen. Im Stand­fuss werden die ein­zel­nen Kühl­rohre zu­sammen­gefasst. Der Stand­fuss kann mit einem kun­den­spezi­fischen Flansch verbun­den werden, um den Schmelz­prozess unter einer spezi­ellen Atmo­sphäre oder Vakuum durch­führen zu können. Die induk­tive Erwär­mung des Tiegels wird dann durch ein Quarz­rohr vorgenommen, welches mit dem Flansch gas­dicht verbunden ist.

Es sind folgende Kaltwandtiegel-Typen lieferbar: