DE1729190B2 - Stranggiessduese fuer faeden aus metallen, ihren legierungen und anorganischen verbindungen - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Stranggießdüse für Fäden aus Metallen, ihren Legierungen, intermetallischen Verbindungen und anorganischen Werkstoffen, die erst in einer der Düse nachgeschalteten gasartigen Atmosphäre erstarren, durch deren chemische Reaktion mit der Schmelze auf der Oberfläche des Schmelzstrahls eine ihn bis zur Erstarrung formstabil stützende Haut erzeugt wird.

In der älteren DT-OS 15 08 895 wurde bereits vorgeschlagen. Fäden aus Metallen, deren Legierungen, nichtmetallischen Verbindungen oder Metalloiden, die in der Schmelze eine geringe Viskosität haben, so daß der aus der Stranggießdüse austretende Schmelzstrahl unter Wirkung seiner Oberflächenspannung vor dem Erstarren instabil wird und zertropft, dadurch im Strang zu gießen, daß auf dem Schmelzstrah! vor seiner Erstarrung durch chemische Reaktion mit der Gasatmosphäre, in welche die Schmelze austritt, eine dünne Haut erzeugt wird, welcher einen höheren Schmelzpunkt als der Fadenwerkstoff oder eine Viskosität am Schmelzpunkt des Fadenwerkstoffs von wenigstens 1000 Poise hat. Durch ein solches Verfahren kann das Zertropfen des Schmelzstrahles vor seiner Erstarrung wirksam vermieden werden. Denn die den Schmelzstrahl formstabil stützende Haut kann schneller erzeugt werden, als der Strahl vom Austritt aus der Düse bis zum Instabilwerden braucht.

Jedoch ist innerhalb der Stranggießdüse zwischen der Düsenwandung und dem Schmelzstrahl eine Reibung vorhanden, welche bewirkt, daß die Schmelze im Randbereich des schmelzflüssigen Strahles langsamer strömt als im Inneren des Strahles. Sobald jedoch der Schmelzstrahl die öffnung verlassen hat, bewirkt die Zähigkeit der Schmelze, auch wenn diese nur gering ist, einen Ausgleich der unterschiedlichen Geschwindigkeiten, wodurch sich die Randbereiche des Schmelzstrahles gegenüber der Mitte des Schmelzstrahles verschieben bzw. Störungen an der Oberfläche des Schmelzstrahles auftreten. Diese Störungen oder Verschiebungen können schließlich dazu führen, daß die Bildung der Haut, welche den Strahl bis zu seiner Erstarrung formstabil stützen soll, beeinträchtigt wird oder daß die bereits gebildete Haut unregelmäßig verformt wird oder Risse erhält. Hierdurch wiederum wird der stranggegossene Faden über seine Länge hin ungleichförmig oder er zerlegt sich in verhältnismäßig kurze Stücke.

Demgegenüber wird durch die Erfindung die Aufgabe gelöst, für derartige Verfahren, bei welchen zur Stabilisierung des Schmelzstrahles bis zur Erstarrung auf dessen Oberfläche eine Haut erzeugt wird, die Stranggießdüse so auszubilden, daß wesentliche, die Hautbildung beeinträchtigende Flüssigkeitsverschiebungen an der Oberfläche des Schmelzstrahles nach seineni Austritt aus der Stranggießdüse nicht auftreten.

Dies wird erfindungsgemäß durch ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Düsenöffnung von weniger als 5:1, insbesondere weniger als 2 :1, erreicht.

Durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Stranggießdüse ist das Geschwindigkeitsprofil des daraus austretenden dünnen Schmelzstrahls verhältnismäßig gleichmäßig, so daß es nicht mehr zu wesentlichen Flüssigkeitsverschiebungen an der Oberfläche des Strahls kommt Dadurch entfallen entsprechende Beeinträchtigungen für die Bildung mad Wirksamkeit der um die Oberfläche des Strahls gebildeten stützenden Haut, so daß Fäden hoher Gleichförmigkeit über die Fadenlänge und großer Längen auch dann noch erhalten werden können, wenn eine Beschleunigung der Hautbildung durch Wahl einer entsprechend schnell mit dem Schmelzstrahl chemisch reagierenden Atmosphäre nicht mehr möglich ist. Durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Düse ist somit dafür gesorgt, daß die Haut während der Verfestigung des Schmelzstrahls im wesentlichen intakt gehalten wird.

Die besten Ergebnisse im Sinne der Erfindung können erzielt werden, wenn die Düsenöffnung messerkantenartig begrenzt wird, so daß ein infinitesimal kleines Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Düsenöffnung vorliegt. Jedoch ist eine derartige scharfkantig begrenzte Düsenöffnung nur aufwendig herzustellen und sie unterliegt überdies erhöhter Abnutzung. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene kapillare Düsenöffnung mit gleichförmigem Querschnitt und einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser von höchstens 5 :1 ermöglicht jedoch noch gute Stranggießergebnisse, wobei sich ein gegebenenfalls auftretendes parabolisches Strömungsgeschwindigkeitsprofil über den Schmelzstrahl hin, welches zu den erwähnten Flüssigkeitsverschiebungen an der Oberfläche des Strahls nach dem Austritt aus der Düse führen kann, durch Einstellung der Stranggießgeschwindigkeit und/oder der Viskosität der Schmelze auf einen geringeren Wert und/oder der Dichte der Schmelze auf einen höheren Wert in Grenzen reduzieren läßt.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Gestaltung besteht darin, daß durch eine Annäherung an die ideale scharfkantig begrenzte Düsenöffnung eine beträchtliche Verringerung des Durchmessers des ausgetretenen Schmelzstrahls im Vergleich mit dem Durchmesser der Düsenbohrung erreicht werden kann. Es ist daher möglich, Fäden zu gießen, deren Durchmesser kleiner als der Durchmesser der Düsenbohrung ist und ohne großen Aufwand für die Herstellung sehr feiner Düsenbohrungen können daher Fäden mit einem außerordentlich kleinen Durchmesser erzeugt werden.

Die erfindungsgemäße Stranggießdüse ist somit insbesondere geeignet für die Herstellung von Fäden mit einem Durchmesser im Bereich von 1 bis 10 Mikron aus Werkstoffen, deren Schmelze eine geringe Viskosität von weniger als 500 Poise hat, wie Metalle, ihre Legierungen und intermetallischen Verbindungen, die meisten Oxide, Sulfide, Nitride und anderer Salze und die meisten sonstigen anorganischen Substanzen und Gemische von ihnen.

3ie Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung in Beispielen näher erläutert In der Zeichnung

Fig-1 eine teilweise im Schnitt gehaltene senkrechte Ansicht der bei den Beispielen verwendeten Stranggießvörrichtung in vereinfachter Form und

Fig.2a bis 2f Teilschnittansichten verwendeter Stranggießdüsen.

Wie in Fig. 1 dargestellt, wurde zur Durchführung der Versuche, die zur Erläuterung der Erfindung dienen, eine sehr einfache Stranggießvorrichtung verwendet Diese Vorrichtung weist ein Behälterrohr 10 auf, welches auf einer Düsenplatte 12 aufliegt so daß ein gasdichter Abschluß zwischen dem Rohr 10, der Düsenplatte 12 und einem Plattenhalter 14 gebildet ist Der Plattenhalter 14 ist zur Aufnahme des Rohres 10 mit Innengewinde versehen und mit eir.jm mittig angeordneten divergierenden Austritt zur Verbindung der Düsenöffnung 16 mit der gasartigen Atmosphäre versehen. Wenngleich nur eine Düsenöffnung dargestellt ist, können auch andere Anzahlen verwendet werden. Da die in den Beispielen angesprochenen Werkstoffe geringen Schmelzpunkt haben, war es möglich, eine elektrische Widerstandserhitzung in Form eines isolierten Mantels 18 zu verwenden, in welchem elektrische Widerstandsheizelemente 20 eingebettet sind. Das Rohr 10 kann mit unter Druck stehendem, inertem Gas in Verbindung stehen, damit die Behältjrkammer 22 durch zyklisches Auspumpen gespült und ein positiver Anspreßdruck auf die Schmelze aufgebracht werden kann. Zum Austauschen der Düsenöffnung gegen eine Düsenöffnung anderer Gestalt brauchte lediglich das Rohr 10 von dem Halter 14 gelöst und eine Düsenplatte eingesetzt zu werden, welche eine Düsenöffnung mit der gewünschten Gestalt aufweist

Mögliche Änderungen der Gestalt einer solchen Düsenöffnung innerhalb der oberen Grenze des Verhältnisses von Länge zu Durchmesser der kapillaren Düsenöffnung von 5:1 sind in den Fig.2a bis 2f angegeben. Die Gestaltung der Düsenbohrung gemäß F i g 2f erläutert das begrenzende Verhältnis zwischen Düsenlänge in der Strömungsrichtung, über welche hin sich der minimale Querschnitt erstrecken kann, bevor das Ausmaß der durch die Zähigkeit der Schmelze angetriebenen Flüssigkeitsverschiebungen im Schmelzstrahl zum Ausgleichen des durch die Stranggießdüse erzeugten Strömungsgeschwindigkeitsprofils so groß wird, daß eine gebildete, den Schmelzs\rahl formstabil stützende Haut aufreißt

In Fig.2a ist eine aus rostfreiem Stahl gebildete Düsenbohrung dargestellt, die einen minimalen Halsdurchmesser von 192 Mikron aufweist Die Düsenbohrung in F i g. 2b wurde in einer Tantalscheibe mit einer Dicke von etwa 0,103 mm durch Lochen und Ausbohren des Loches auf einen Durchmesser von 137 Mikron gebildet Die Abschrägung der Düsenbohrung an der stromaufwärts liegenden Seite der Scheibe ergab sich aus dem Lochvorgang und es wurde kein Versuch unternommen den Grat auf der Austrittsseite zu entfernen. Die Düs^nbohrungen aus F i g. 2c und 2e wurden in einer Tantalscheibe mit einer Dicke von etwa 1,103 mm hergestellt, wobei die gezeigten Abschrägungen durch maschinelle Bearbeitungen erhalten wurden und jede Gratbildung wurde durch Schleifen mit feinem Karborund entfernt

Die kapillare Düsenbohrung aus F i g. 2d hatte einen Durchmesser von 135 Mikron und eine Länge von etwa 5 mm, so daß ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Düse von 37 erhalten wurde. Als Düsenwerkstoff wurde ein Standard-Pyrex-Material verwendet Mit Ausnahme der in Fig.2d dargestellten Düsenbohrung liegt somit jede der dargestellten öffnungen innerhalb des Bereichs, in welchem der minimale Querschnitt sich in Strömungsrichtung dieser minimalen Querschnittsfläche erstreckt

In einer Versuchsreihe wurde Blei geschmolzen und senkrecht nach unten mit unterschiedlichen Stranggießdrücken in eine oxidierende Atmosphäre ausgetragen, so daß eine Haut aus Bleioxid auf den Schmelzstrahlen bei ihrem Austritt aus der jeweiligen Stranggießdüse gebildet wurden. Die Versuchsbedingungen und Versuchsergebnisse sind aus der folgenden Tabelle ersichtlich.

Temperatur	Druck	Faden durchmesser	Fadenlänge	Durchmesser verhältnis Faden/Düse	Düse
(0C)	(kg/cm*)	(μ)	(cm)
350	0,703	160	10-15	0,83
360	3,515	176	14,6	0,91
360 490	3,515 0,703	181 99	15,2 20,8	0,94 0.51	F i g. 2a
350	0,703	116	23,4	0,85
350	0,703	83	37,2	0,61
350 350 350 350	1,406 1,406 3,515 0,703	96 73 109 109	32,2 59,6 23,8 23,8	0,70 0,53 0,80 0,80	F i g. 2b
350 365 380	0,703 1,406 0,351	111 114 90	20,b 22,4 17,8	0,89 0,91 0,72	F i g. 2c
350 350 350	0,703 1,406 2,812	118 120 121	7,9 4,1 2,5	0,87 039 0,90	F i g. 2d
335 450	0,703 1,406 2.812	83 65 80	31,8 51,3 42,5	0,665 0,52 0,64	F i g. 2e

Aus den obigen Ergebnissen ist ersichtlich, daß eine Düsenbohrung kurzer Länge zu einer beträchtlichen Vergrößerung der Stabilität eines durch eine Haut gestützten Schmelzstrahles führt im Vergleich zu Kapillardüsenöffnungen, deren Verhältnis von Länge zu Durchmesser 5 :1 überschreitet. Wie ersichtlich, wurde • die Länge des Fadens mit zunehmendem Durchmesser für die in den F i g. 2a bis 2e dargestellten Düsenbohrungen kürzer. Dies ist dem Einfluß der Schwerkraft zuzuschreiben, der mit größerem Durchmesser und damit größerem Fadengewicht zunimmt und dadurch zum Abreißen des Fadens führen kann, wenn er nicht durch die Stranggießbedingungen und durch die Art des Sammelns des fertigen Fadens kompensiert wird.

Die in der Tabelle angegebenen Ergebnisse zeigen deutlich, daß die kurzen Düsenbohrungen aus den F i g. 2a bis 2c und 2e zu größeren Fadenlängen führten, als die Düsenbohrung aus 2d Die größte Fadenlänge, die mit der Düse aus Fig.2d erhalten wurde, wird für die anderen Düsenbohrungen um einen Faktor von wenigstens 2 überschritten. Auch ist ersichtlich, daß im Mittel eine höhere Strahlkontraktion in den Düsenbohrungen aus den F i g. 2a bis 2c und 2e im Vergleich zu der Düsenbohrung aus F i g. 2d erhalten wurde.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Stranggießdüse für Fäden aus Metallen, ihren Legierungen und intermetallischen Verbindungen und anorganischen Werkstoffen, die erst in einer der Düse nachgeschalteten gasartigen Atmosphäre erstarren, durch deren chemische Reaktion mit der Schmelze auf der Oberfläche des Schmelzstrahles eine ihn bis zur Erstarrung formstabil stützende ι ο Haut erzeugt wird, gekennzeichnet durch ein Verhältnis., von Länge zu Durchmesser der Düsenöffnuhg von weniger als 5 :1.

2. Stranggießdüse nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Verhältnis von 2 :1.