DE1596334C3

DE1596334C3 -

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Publication number: DE1596334C3
Application number: DE19671596334
Authority: DE
Priority date: 1966-11-22
Filing date: 1967-11-22
Publication date: 1977-09-29

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stranggießen eines Fadens aus einer Schmelze mit einer Viskosität bis zu 1000 Poise, die aus einer Stranggießdüse in eine Gasatmospähre ausgetragen und in der Gasatmosphäre gekühlt wird, zur Verwendung bei Fäden, an denen sich in ihrem erstarrten Bereich eine durch die Zähigkeitskräfte der Gasatmosphäre bewirkte Ablenkung aus der Austragsrichtung relativ zum Faden entgegen der Austragsrichtung fortpflanzt.

Derartige Verfahren, bei weichen ein Schmelzstrahl aus der Stranggießdüse in eine Gasatmosphäre austritt und erst dort erstarrt, sind bekannt. Bei einem dieser bekannten Verfahren (GB-PS 8 14 490), wird der schmelzflüssige Strahl auf einen horizontalen Gasstrahl aufgebracht, der ein Polster für den Schmelzstrahl in seinem schmelzflüssigen Bereich bilden und ihn auf diese Weise abstützen soll. Gleichzeitig soll durch den im Gleichstrom mit dem Schmelzstrahl strömenden Gasstrahl eine Zugkraft auf den Schmelzstrahl ausgeübt werden, so daß dieser unter Verringerung seines Durchmessers gestreckt, oder in vorbestimmte Fadenlänge unterteilt wird. Der Gasstrahl soll dabei den Schmelzstrahl im wesentlichen nur so weit abstützen, wie der noch nicht erstarrte Bereich reicht. Bei einem anderen derartigen Verfahren (GB-PS 8 28 547) wird die den Schmelzstrahl bis zur Erstarrung kühlende Gasatmosphäre derart zum Zirkulieren gebracht, daß in .der Nachbarschaft des Schmelzstrahls die Gasatmosphäre in nicht turbulentem Zustand vorliegt. Die Zirkulation der kühlenden Gasatmosphäre wird im übrigen so eingestellt, daß der Abkühlungsvorgang bzw. der Wärmeübergang vom Schmelzstrahl auf das Kühlmedium günstig gestaltet wird.

Es wurde auch bereits vorgeschlagen (DT-OS 15 08 895), den Schmelzstrahl in eine derartige Atmosphäre auszubringen, daß diese mit seiner Oberfläch unter Ausbildung einer festen Haut chemisch reagiert kann, welche den Schmelzstrahl bis zur Erstarrur formstabil stützt. Auf diese Weise kann durch die Hai verhindert werden, daß der Schmelzstrahl in gewisse! Abstand von der Düse unter der Wechselwirkung vo Oberflächenspannung und Viskosität für geringe Fader durchmesser unstabil wird, bevor er erstarrt. In diese Weise ist es somit möglich, sehr dünne kontinuierlich Fäden auch aus solchen Fadenwerkstoffen zu erhalte: weiche in der Schmelze eine sehr geringe Viskosita haben, wie dies bei den meisten Metallen, Metalloider anorganischen Verbindungen oder Metallegierunge der Fall ist. Damit die stützende Haut wirksan ausgebildet werden kann, können die Austragsbedin gungen, wie die Geschwindigkeit des Schmelzstrahle' die Gasdichte und Zähigkeit durch Auswahl eine bestimmten Gases die Gastemperatur und der Gas druck in Abhängigkeit vom Durchmesser und de; Dichte des Schmelzstrahles eingestellt werden. Auch dieser ältere Vorschlag gibt somit Maßnahmen an welche zur Beeinflussung des Gießstrahls in seinen· schmelzflüssigen Bereich dienen.

Zur Erzielung eines einwandfreien Fadens durch Stranggießen sind jedoch noch andere Einflußgrößen zu berücksichtigen. Beim Austragen eines Fadens in eine Gasatmosphäre sind auf die Zähigkeit der Gasatmosphäre zurückzuführende Reibungskräfte am Faden wirksam, welche auf diesen entgegengesetzt zu seiner Austragsrichtung einwirken. Den Reibungskräften wirkt die kinetische Energie des Fadens und gegebenenfalls die Schwerkraft des Fadens entgegen. Außerdem können noch andere auf den im Strang gegossenen Faden in seiner Austragsrichtung einwirkende Zugkräfte vorhanden sein. Je nach dem, welche dieser Kräfte überwiegen, ergibt sich eine Resultierende in Austragsrichtung oder entgegengesetzt dazu. Unter der Wirkung der Reibungskräfte treten am stranggegossenen Faden Störungen auf, die sich je nach Dicke und Steifigkeit des Fadens mehr oder weniger stark auswirken können. Diese Störungen können zu einer Ablenkung des Fadens aus der Austragsrichtung führen und sich entgegengesetzt zur Austragsrichtung entlang des erstarrten Fadens fortpflanzen und diesen etwa schraubenlinienförmig verformen. Diese Störungen pflanzen sich ungehindert so lange fort, bis sie dort, wo der Faden ausreichend weich ist, in einem Knick enden oder den Faden abreißen, insbesondere wenn sie sich bis in den schmelzflüssigen Bereich des Fadens hin fortsetzen.

Damit somit ein unbeschädigter gestreckter Faden erhalten werden kann und auch die Erstarrung des Fadens durch die Störungen nicht negativ beeinflußt wird, müssen diese Störungen beseitigt werden.

Andernfalls ist es nicht möglich, Fäden, bei denen derartige Störungen zur Wirkung kommen können, in zufriedenstellender Länge und Qualität zu erhalten. Die angesprochenen Störungen wirken sich besonders nachteilig aus, wenn es sich um einen Faden sehr geringen Durchmesser und aus einer Schmelze geringer Viskosität, d.h. einer Viskosität bis etwa 1000 Poise, handelt.

Demgegenüber wird durch die Erfindung die Aufgabe gelöst, bei einem Verfahren der vorliegenden Art schädliche Ablenkungen des erstarrten Fadens unter Wirkung der Zähigkeitskräfte der Gasatmosphäre zu vermeiden.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die

Ähnlich ist die kritische Strang-Austragsgeschwindigkeit bei Schmelzen von geringer Dichte, beispielsweise Bor und Aluminium, klein, so daß hier gegebenenfalls das Gas ebenfalls im Gleichstrom mit dem Faden geführt werden muß. Hingegen liegt die kritische Strang-Austragsgeschwindigkeit für Schmelzen höherer Dichte, beispielsweise von rostfreiem Stahl und Blei/Zinn, innerhalb des praktikablen Bereichs für die Strang-Austragsgeschwindigkeit, so daß sich die Strang-Austragsgeschwindigkeit hier entsprechend einstellen läßt.

Es hat sich gezeigt, daß der Elastizitätsmodul des Fadenwerkstoffs im Gegensatz zu dem, was man erwarten konnte, nur einen geringen Einfluß auf die kritische Strang-Austragsgeschwindigkeit hat.

Hingegen ist die Dichte der Gasatmosphäre von hohem Einfluß auf die kritische Strang-Austragsgeschwindigkeit, welche bei zunehmender Gasdichte stark abfällt, wobei vorausgesetzt wird, daß die Gasviskosität konstant bleibt. Diese Voraussetzung wird von verschiedenen, jedoch nicht von allen Gasen gewährleistet. Beispielsweise haben Helium und Sauerstoff etwa die gleiche Viskosität, jedoch liegt die kritische Strang-Austragsgeschwindigkeit für eine Heliumatmosphäre wesentlich höher, als für eine Atmosphäre mit der Dichte von Sauerstoff.

Auch mit zunehmender Gasviskosität nimmt die kritische Strang-Austragsgeschwindigkeit stark ab, und zwar um so mehr, je geringer die Dichte und/oder der Durchmesser des Fadens sind. jd

Gewöhnlich am leichtesten kann unabhängig von dem Fadendurchmesser und von der Zusammensetzung des Fadenwerkstoffs und der Gasatmosphäre das Strömungsmuster der Gasatmosphäre eingestellt werden. Bei geringen Strang-Austragsgeschwindigkeiten 35-kann eine Gegenstromführung des Gases zum Faden verwendet werden. Bei höheren Austragsgeschwindigkeiten ist hingegen eine Gasführung im Gleichstrom mit dem Faden erforderlich, wobei die Gasgeschwindigkeit jedoch beträchtlich geringer sein kann, als die Strang-Austragsgeschwindigkeit.

Für eine gegebene Schmelze bei einem gegebenen Fadendurchmesser ist es somit möglich, nur die Eigenschaften der Gasatmosphäre und deren Strömung relativ zum Faden einzustellen. In vielen Fällen kann eine beachtliche Verbesserung durch Änderung der Gaszusammensetzung erzielt werden. Ist dies wegen der sonstigen Stranggießbedingungen nicht möglich, läßt sich die geforderte Einstellung der Austragsbedingungen durch entsprechende Einstellung der Gasströmung relativ zum Faden erreichen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand zweier Beispiele unter Bezug auf die Zeichnung erläutert, weiche graphische Nachbildungen von fotografischen Aufnahmen zeigt.

Beispiel 1

In eine ruhende Gasatmosphäre aus einer Mischung von 75 Vol.-% Helium und 25 Vol.-°/o Propan bei einem Druck von einer Atmosphäre wurde durch eine Düse mit einem Durchmesser von etwa 152,5 Mikron und einer Länge von etwa 50,8 Mikron ein Schmelzstrahl aus einer Schmelze mit 35 Gew.-% Calciumoxid und Ö3 65 Gew.-% Aluminiumoxid mit einem Molverhältnis von 1 :1 bei einer Austragstemperatur von etwa 1685° C ausgepreßt Zum Auspressen des Schmelzstrahls wurde Austragsbedingungen, wie Gasdichte, Gaszähigkeit und Gasgeschwindigkeit relativ zum Faden so eingestellt werden, daß die relativ zum Faden gemessene Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Ablenkung am Faden auf einen kleineren Wert als die Strang-Austragsgeschwindigkeit eingestellt wird.

Auf diese Weise gelingt es, eine Fortpflanzung von Störungen, die aufgrund von Zähigkeitseinflüssen der Gasatmosphäre am Faden in seinem erstarrten Bereich auftreten, in dessen stromauf der Störungsstelle liegenden Fadenbereich, insbesondere in den noch schmelzflüssigen Bereich, zu verhindern, so daß sich die Störungen in diesem festigkeitsmäßig schwachen Fadenbereich nicht nachteilig auswirken können.

Überdies gelingt es durch den erfindungsgemäßen Vorschlag, von solchen Störungen herrührende örtliche Abweichungen des Fadens aus seiner Austragsrichtung klein zu halten, so daß nachteilige Verformungen des Fadens, insbesondere Knickstellen, nicht auftreten können.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders vorteilhaft, wenn zur formstabilen Abstützung des Fadens in seinem noch schmelzflüssigen Bereich entsprechend dem erwähnten älteren Vorschlag eine stützende Haut rings der Oberfläche des Schmelzstrahls gebildet wird. Das erfindungsgemäße Verfahren kann jedoch auch bei sonstigen Faden-Stranggießverfahren erfolgreich angewendet werden, bei welchen es durch die Wechselbeziehung von Viskosität, Oberflächenspannung und Dichte des Schmelzstrahlwerkstoffs bisher nicht möglich war, kontinuierliche Fäden insbesondere mit sehr kleinem Durchmesser herzustellen.

Erfindungsgemäß sollen diejenigen Austragsbedingungen, welche die Größe des Bewegungswiderstandes des Fadens in der Gasatmosphäre beeinflussen, wie Gadichte, Gaszähigkeit und Gasgeschwindigkeit relativ zum Faden, eingestellt werden, um die Bildung und Ausbreitung von auf diesen Bewegungswiderstand zurückgehenden Ablenkungen des Fadens in der erfindungsgemäßen Weise einzustellen. Die Auswahl der Einflußgröße, welche eingestellt werden soll, und der jeweils beste Einstellwert sind abhängig vom jeweiligen Fadenwerkstoff und Fadendurchmesser und können auf der Grundlage der folgenden Beeinflussungsmöglichkeiten experimentell herausgefunden werden, die bei der Herstellung eines Fadens aus rostfreiem Stahl durch Stranggießen in einer Gasatmosphäre aus 93% Helium und 7% Sauerstoff ermittelt wurden. Abgestellt wird im folgenden jeweils auf die kritische Maximalgeschwindigkeit des Fadens, oberhalb welcher die Geschwindigkeit für die Fortpflanzung von Fadenablenkungen entgegengesetzt zur Austragsrichtung die Austragsgeschwindigkeit übersteigt

Bei sehr kleinen Fadendurchmessern ist die kritische Strang-Austragsgeschwindigkeit sehr gering, so daß bei der Herstellung solcher feinen Fäden das Gas der Gasatmosphäre im Gleichstrom mit dem Faden geführt werden muß. Bei mittleren Fadendurchmessern liegt die kritische Strang-Austragsgeschwindigkeit in dem für Verfahren der vorliegenden Art praktikablen Bereich, so daß das Stranggießen gewünschtenfalls auch in ruhender Gasatmosphäre ausgeführt werden kann. Bei größeren Fadendurchmessern nimmt die kritische Strang-Austragsgeschwindigkeit rasch zu, so daß verhältnismäßig große Werte des Bewegungswiderstandes des Fadens in der Gasatmosphäre vorhanden sein können und das Gas auch im Gegenstrom mit dem Faden geführt werden kann.

Beispiel 2

Eine Schmelze aus Zinn hoher Reinheit wurde bei einer Temperatur von etwa 300⁰C mittels Argon unter Drücken von 1,76 atü, 4,57 atü und 6,33 atü durch eine zylindrische Düse mit einem Durchmesser von 100 Mikron und einer Länge von 100 Mikron in eine ruhende Gasatmosphäre aus 67 Vol.-% Helium und 33 Vol-% Sauerstoff mit Raumtemperatur und unter einem Druck von einer Atmosphäre ausgepreßt, so daß ein Schmelzstrahl mit einem Durchmesser von 85 Mikron erhalten wurde.

Bei einem" Auspreßdruck von 1,76 atü entsprechend einer Strang-Austragsgeschwindigkeit von etwa 700 cm/sec wurden glatte lange Fäden (mit einer Länge von mehr als 3,04 m) erhalten. Bei dem Auspreßdruck von 4,57 atü entsprechend einer Austragsgeschwindigkeit von 1130 cm/sec wurden verformte Fäden kürzerer Länge (etwa 1,52 m) erhalten. Bei dem Auspreßdruck von 6,33 atü entsprechend einer Strang-Austragsgeschwindigkeit von 1410 cm/sec wurden stark verformte Fäden wesentlich verringerter Länge (weniger als etwa 0,30 m) erhalten. Diese Beobachtungen zeigten eine gute Übereinstimmung mit einer berechneten kritischen Strang-Austragsgeschwindigkeit von 1350 cm/sec. Bei Strang-Austragsgeschwindigkeiten in diesem und oberhalb dieses Geschwindigkeitsbereichs können lange glatte Fadenabschnitte nicht erhalten werden, da durch die Reibungskräfte an der Gasatmosphäre erzeugte Fadenablenkungen sich stromaufwärts fortpflanzen.

Argon unter Drücken von etwa 7,03 kg/cm², 4,218 kg/cm² und 2,46 kg/cm² Überdruck verwendet, so daß Schmelzstrahlen mit einem Durchmesser von etwa 152,4 Mikron erhalten wurden.

Unter dem Auspreßdruck von 7,03 atü wurde eine etwa schraubenlinienförmige Verformung des Fadens beobachtet, welcher überdies unregelmäßig entlang dem Faden verteilte Bereiche mit schleifenförmigem und geknicktem Verlauf hatte. Ein derartiger Faden ist in F i g. 1 gezeigt, worin mehrere Knickstellen mit K bezeichnet sind. Der schraubenlinienförmige Fadenverlauf ergab sich dadurch, daß unter den gegebenen Bedingungen die am Faden angreifenden Reibungskräfte der Gasatmosphäre so groß waren, daß die dadurch erzeugten Fadenabweichungen sich mit größerer Geschwindigkeit stromaufwärts fortpflanzten als die Austragsgeschwindigkeit des Fadens betrug. Dies konnte durch entsprechende Einstellung des Auspreßdruckes und damit der zugehörigen Strang-Austragsgeschwindigkeit auf einen geringeren Wert verhindert werden, wie aus den F i g. 2 und 3 ersichtlich. Bei einem Auspreßdruck von 4,218 atü (F i g. 2) war die schraubenlinienförmige Fadenverformung auf ein Mittelmaß herabgesetzt. Bei einem Auspreßdruck von 2,46 atü schließlich wurden die geradlinigen, glasartigen keramischen Fäden gemäß F i g. 3 erhalten. Ähnliche Ergebnisse sind zu erwarten, wenn anstelle der Austragsgeschwindigkeit die anderen den Bewegungswiderstand des Fadens in der Gasatmosphäre beeinflussenden Größen entsprechend eingeregelt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Stranggießen eines Fadens aus einer Schmelze mit einer Viskosität bis zu 1000 Poise, die aus einer Stranggießdüse in eine Gasatmosphäre ausgetragen und in der Gasatmosphäre gekühlt wird, zur Verwendung bei Fäden, an denen sich in ihrem erstarrten Bereich eine durch die Zähigkeitskräfte der Gasatmosphäre bewirkte Ablenkung aus der Austragsrichtung relativ zum Faden entgegen der Austragsrichtung fortpflanzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Austragsbedingungen, wie Gasdichte, Gaszähigkeit und Gasgeschwindigkeit relativ zum Faden so eingestellt werden, daß die relativ zum Faden gemessene Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Ablenkung am Faden auf einen kleineren Wert als die Strang-Austragsgeschwindigkeit eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas oberhalb einer vom Fadenwerkstoff und -durchmesser und der Gasdichte bestimmten Strang-Austragsgeschwindigkeit im Gleichstrom mit dem Faden, jedoch mit einer geringeren Geschwindigkeit als die Strang-Austragsgeschwindigkeit geführt wird.