DE2419373B2 - Verfahren zum giessen von straengen - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Gießen von Strängen aus einer Schmelze aus Metall, einer Metallegierung oder einer solchen anorganischen Verbindung, deren Eigenschaften im Schmelzenzustand denen einer Metallschmelze ähnlich sind, bei dem eine schmale Umfangsfläche einer rotierenden Scheibe in die Schmelze eintaucht und bei dem Schmelze an der Umfangsfläche verfestigt wird.

Es ist bereits bekannt, Fäden oder Drähte direkt aus der Schmelze herzustellen. Bei den meisten bekannten f>5 Verfahren wird hierbei eine formende Mündungsöffnung verwendet, um die Maße des Fadenmaterials :zu kontrollieren; vergleiche US-PS 28 25 108, gemäß der

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die Schmelze (ein Metall) in Fadenform gebracht wird, indem sie durch eine Düse gezwungen wird, um einen frei stehenden Strom geschmolzenen Materials zu bilden, der sich auf einem wärmeableitenden rotierenden Bauteil in Fadenform verfestigt Verfahren dieser Art haben den Nachteil daß die Ablaufkontrolle des Fadens oder des Drahtes von dem Bauteil relativ schwierig ist und daß es überhaupt nicht einfach ist, eine Schmelze durch kleine Mündungsöffnungen zu bringen. Die Mündungsöffnungen müssen aus außergewöhnlichem Material hergestellt sein, wenn die Schmelze einen relativ hohen Schmelzpunkt hat, und sie haben die Tendenz, entweder zu erodieren oder zu verstopfen.

Eine erfolgreiche Lösung des Problems der Mündungsöfraungen ist in DT-OS 22 25 684 beschrieben, wonach eine wärmeableitende Scheibe den fadenförmigen Strang bildet, indem Schmelze am Außenrand der Scheibe verfestigt wird, während diese in Berührung mit einer Schmelze rotiert Dieses Verfahren ist jedoch auf die Verwendung einer in einem offenen, wannenartigen Schmelzsnbehälter befindlichen Schmelze beschränkt Dabei ist es notwendig, erhebliche Mengen des Metalls zu schmelzen und flüssig zu halten, wozu ein vergleichsweise hoher Energieaufwand erforderlich ist Nachteilig ist auch noch die Wechselwirkung der Schmelze mit der Atmosphäre. Wenn die Schmelze nicht von der Atmosphäre isoliert wird, ist es schwierig, eine konstante chemische Zusammensetzung in der Schmelze aufrecht zu erhalten, da im Badspiegel der Schmelze Oxydation auftreten kann oder flüchtige Schmelzenbestandteile aus der Schmelze entweichen.

Die gleichen Überlegungen gelten hinsichtlich des Gegenstandes der US-PS 35 22 836. Auch dort wird eine vergleichsweise große Schmelzenmenge unter hohem Energieaufwand flüssig gehalten, und die Schmelze wird durch eine vergleichsweise enge Mündungsöffnung hindurchgepreßt

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem Stränge unter relativ geringem Energieaufwand sowie unter Vermeidung von Düsen oder Mündungsöffnungen hergestellt werden können.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst daß das Ende eines Stabes aufgeschmolzen wird und einen Tropfen bildet durch den die Kante der Umfangsfläche geführt wird.

Die Erfindung verringert sowohl das Problem der Oxydation als auch das der Verflüchtigung der Schmelzenbestandteile, da jeweils nur eine kleine Menge an Schmelze der Atmosphäre ausgesetzt wird. Da sich die Schmelze außerdem an einer genau definierten Stelle befindet kann sie relativ leicht örtlich durch Inertgas geschützt werden.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß der Ort der Strangbildung relativ zum Umfang der rotierenden Scheibe veränderlich ist womit Strangbahnen erzwungen werden können, die nicht erzielbar sind, wenn die Lage der Scheibe relativ zur Stelle der Fadenbildung durch die Verwendung eines offenen Schmelzenbehälters bestimmt ist. Mit der Erfindung werden schließlich fadenförmige Stränge ohne die Verwendung einer formenden Mündungsöffnung hergestellt wodurch die mit den Mündungen verbundenen Schwierigkeiten behoben sind.

Die Erfindung ist besonders nützlich bei der Bildung von fadenförmigen Strängen aus Werkstoffen, die mechanisch schwer zu formen sind, insbesondere mit hohem Schmelzpunkt wobei auch Fäden in Größen bis

hinunter zu 15 Mikron effektivem Durchmesser hergestellt werden. Da die Erfindung also fadenförmige Stränge liefert, die bisher nur durch teure und schwierige mechanische Bildung erhältlich waren, wird der mögliche Anwendungsbereich von faserverstärkten Materialien stark erweitert

Überraschend bei der Erfindung ist die Tatsache, daß der Rand der rotierenden Scheibe, der eine beträchtliche Geschwindigkeit aufweist, eine kleine, nicht begrenzte Menge Schmelze berühren und daraus einen erstarrenden Strang ziehen kann, ohne die Stabilität des Schmelztropfens wesentlich zu stören.

Die Erfindung wird im folgenden anhand mehrerer Ausführungsbeispiele sowie der schematischen Zeichnung näher erläutert Es zeigt: ,₅

Fig. 1 eine Seitenansicht einer rotierenden wärmeableitenden Scheibe, die aus einem an einem Stab hängenden Tropfen einen Faden formt;

Fig.2 entspricht Fig. 1 nach Drehung um 90°, wodurch die Form der Schmelze im Verhältnis zur Scheibe sichtbar wird;

F i g. 3 ist ein vergrößerter Querschnitt des Ausführungsbeispiels nach F i g. 1 und 2, der die Schmelze und die Form ac: Außenrandes des rotierenden wärmeableitenden Bautei's zeigt;

Fig.4 ist eine Seitenansicht einer rotierenden Scheibe, mit der abgelängte Fadenstücke erzeugt werden.

Eine erste Ausführungsform der Erfindung ist in Fi g. 1 bis 3 dagestellt Hierbei weist eine rotierende wärmeableitende Scheibe 30 einen entlang ihres Umfangs verlaufenden Vorsprung 31 mit einem V-förmigen Rand 32 auf. Die Scheibe 30 rotiert in einer Richtung, die durch den Pfeil in F i g. 1 angegeben ist wobei sie einen geschmolzenen Teil eines Stabes 20 berührt. Der Bereich 51 des Stabes 20 wird durch Einrichtungen zur lokalen Erwärmung an der Stelle 50 geschmolzen. Der sich bildende Schmelzentropfen hängt an dem Stab 20 und steht in Kontakt mit dem sich bewegenden Rand 32. Überraschenderweise ist die Oberflächenspannung der Schmelze im Bereich 51 hinreichend groß, um die Stabilität des Schmelzentropfens aufrechtzuerhalten, selbst wenn der Rand 32 eindringt und innerhalb des flüssigen Bereiches 51 eine Scherströmung erzeugt Wenn der umlaufende Rand 32 durch den hängenden Tropfen 5t läuft so verfestigt sich auf dem Rand 32 eine Menge 10' der Schmelze. Die weitere Drehung der Scheibe 30 zieht diese verfestigte fadenförmige Menge 10' aus dem hängenden Tropfen 51 Zunächst klebt die Menge 10'noch am Rand 32, doch löst sie sich schließlich spontan an der Stelle 12 von diesem Rand und wird ein fadenartiger Strang 10, der entnommen werden kann.

F i g. 4 zeigt eine rotierende, wärmeableitende Scheibe 30, die mit halbkreisförmigen Einkerbungen 33 entlang ihres Randes 32 versehen ist Die Einkerbungen 33 am Rand 32 zerteilen den Faden 10 in Einzelstücke 11, deren Länge dem Abstand zwischen den Einkerbungen entspricht. Die Form der Einkerbungen ist nicht kritisch, und eine halbkreisförmige Einkerbung, deren Tiefe die Dicke des zu erzeugenden Fadens übersteigt, erzeugt Fäden kontrollierter Länge.

Es ist weiter überraschend, daß auch der Durchgang eines Randes 32, der mit Einkerbungen versehen ist, durch einen nicht begrenzten Tropfen 51 aus geschmolzenem Material die Stabilität des Tropfens nicht wesentlich stört. Der Rand 32 dringt dabei in der Regel umniopr als 0.25 mm in den Tropfen ein. Fadenstücke mit einer Länge im Bereich von 0,45 bis 61 cm, und einem effektiven Durchmesser im Bereich zwischen 0,025 und 0,25 nun wurden am wirksamsten hergestellt wenn die linearen Umfangsgeschwindigkeiten in der Größenordnung von XJS bis 18 m/sec lagen.

Die Schmelze muß gewisse Eigenschaften aufweisen, um zusammen mit der wärmeableitenden Scheibe zur Bildung eines Stranges verwendbar zu sein. In einem Temperaturbereich innerhalb 25% seines Gleichgewichtsschmelzpunktes in ⁰K sollte die Schmelze folgende Eigenschaften aufweisen:

Eine Oberflächenspannung im Bereich von 10 bis 2500dyn/cm, eine Viskosität im Bereich von 10-³ bis 1 Poise und einen einigermaßen ausgeprägten Schmelzpunkt (also eine unstetige Temperatur/Viskositätskurve).

Da die Schmelze nur in geringem Ausmaße der umgebenden Atmosphäre ausgesetzt ist und es sehr einfach ist, den hängenden Tropfen mit Schutzgas zu umgeben, wird die Verwendung vieler Metalle und Legierungen im Rahmen der Erfindung durch deren Oxydationseigenschaften nicht Deschränkt. Werkstoffe, die ohne vollständigen Oxydationsschutz behandelt werden können, sind unter anderem Eisen, Aluminium, Kupfer, Nickel, Zinn und Zink. Wo es notwendig ist den Prozeß vollständig von der umgebenden Atmosphäre abzuschließen, kann die gesamte Einrichtung innerhalb eines gasdichten, abgeschlossenen Schutzraumes angeordnet werden. Metalle, die unter Oxydationsschutz behandelt werden können, sind unter anderem Chrom, Titan, Niob, Tantal, Zirkon, Magnesium und Molybdän.

Als Heizquelle kann beispielsweise für viele Materialien eine Sauerstoff-Acetylenflamme verwendet werden. Bei einer acetylenreichen Flamme hat das den Vorteil, daß für den hängenden Tropfen eine Atmosphäre entsteht welche die Oxydation der Schmelze reduziert Andere Heizeinrichtungen sind z. B. Widerstandsheizung, Induktionsheizung und Elektronenstrahlheizung.

Bei den gezeigten zwei Ausführungsbeispielen weist der Querschnitt des äußeren Randes der Scheibe V-Form auf, so daß die Fläche des Außenrandes, die mit dem hängenden Tropfen in Berührung steht, beschränkt ist. Diese Fläche kann auch beschränkt werden, indem ein Rand mit kreisförmigem Querschnitt verwendet wird, sofern der Radius dieses Querschnittes weniger als 13 cm beträgt Um einen in den Abmessungen möglichst gleichbleibenden Strang zu erzeugen, soll der hängende Tropfen während des Verfahrens möglichst ungeändert bleiben. Die Stabilität des hängenden Tropfens beruht darauf, daß der Rand der rotierenden Scheibe, die durch den Tropfen hindurchgeht irn Vergleich zur Breite des Tropfens extrem schmal ist. Dadurch bleibt die Strömung der Oberfläche des Tropfens, welche aufgrund der Oberflächenspannung für die Stabilität der Tropfenform verantwortlich ist, möglichst gering.

Die im Bereich ihres Umfangs im Querschnitt V-förmige Scheibe stellt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dar. Bei einer solchen Ausführungsform liegt der Krümmungsradius an der Spitze des V im Bereich von 0,0012 bis 0,25 cm. Eine solche Scheibe erzeugt Fäden gleichbleibender Abmessungen mit einem Querschnitt von weniger als 0,018 cm².

Der Durchmesser und der Werkstoff der rotierenden Scheibe ist für die Erfindung nicht kritisch. Für die Scheibe wird ein Durchmesser im Bereich von 24 bis

75 cm bevorzugt Der Scheibenwerkstoff muß die Wärme aus der Schmelze so ableiten, daß diese sich in Form eines Stranges entlang des Umfanges verfestigt Ihr Werkstoff sollte entweder eine hohe Wärmekapazität oder eine gute Wärmeleitfähigkeit haben, oder er _s muß von innen her gekühlt werden. Die Erfindung ist mit wärmeableitenden Scheiben durchgeführt worden, die aus Kupfer, Aluminium, Nickel, Molybdän und Eisen bestanden. Auch nichtmetallische Scheiben, z.B. aus Graphit, können verwendet werden. Die Scheibe kann auch aus verschiedenen Materialien zusammengesetzt sein, um die Eigenschaften eines jeden im Sinne einer Optimierung zu kombinieren.

Die Erzeugung kurzer Fäden ist grundsätzlich dadurch möglich, daß die rotierende Scheibe gemäß F i g. 1 bis 3 diskontinuierlich mit dem Tropfen 51 in Berührung gebracht wird. Ein praktisches Ausführungsbeispiel ist in der F i g. 4 gezeigt, wo die Scheibe 30 mit Einkerbungen 33 im Bereich ihres Randes versehen ist, wodurch es zu der angestrebten Unterbrechung des Kontaktes von Scheibe zu Tropfen und mithin zur Bildung kurzer Fadenstücke kommt. Vorzugsweise ist der Stab 20 mit einer Zuführung derart versehen, daß der Tropfen 51 in einem Bereich der oberen 180° der Scheibe 30 mit dieser kontaktiert wird.

Bei der Verarbeitung von Werkstoffen insbesondere hohen Schmelzpunktes und/oder hoher Oxydationsfreudigkeit können die Scheibe 30 und der aufzuschmelzende Stab 20 in einer Vakuumkammer angeordnet werden.

Neben den bereits beschriebenen Strängen aus Metallen und Legierungen können gemäß der Erfindung auch anorganische Verbindungen, z. B. Al₂O₃, zu Fäden umgeformt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche: 24

1. Verfahren zum Gießen von Strängen aus einer Schmelze aus Metall, einer Metallegierung oder einer solchen anorganischen Verbindung, deren Eigenschaften im Schmelzenzustand denen einer Metallschmelze ähnlich sind, bei dem eine schmale Umfangsfläche einer rotierenden Scheibe in die Schmelze eintaucht und bei dem Schmelze an der Umfangsfiäche verfestigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende eines Stabes (20) aufgeschmolzen wird und einen Tropfen (51) bildet, durch den die Kante (32) der Umfangsfläche geführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die rotierende Scheibe (30) zur Erzeugung kurzer Fäden diskontinuierlich mit dem Tropfen (51) in Berührung gebracht wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Zuführung eines Stabes (20) relativ zur Kante (32) der Scheibe (30) und eine Einrichtung zum Schmelzen des Stabes (20) im Bereich der Kante (32) in Form des am Stab (20) hängenden Tropfens (51).

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Zuführung für den Tropfen (51) in einem Bereich der oberen 180° der Scheibe (30).

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Randes (32) der Scheibe (30) Einkerbungen (33) vorgesehen sind.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, bei der die Scheibe längs ihres Umfanges einen im Querschnitt V-förmigen Rand aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius an der Spitze des V 0,0012 bis 0,25 cm beträgt.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Anordnung der Scheibe (30) und des aufzuschmelzenden Stabes (20) in einer Vakuumkammer.

8. Anwendung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 bis 3 auf das Stranggießen von Fäden aus Eisen-, Aluminium-, Kupfer-, Nickel-, Zinn- oder Zinklegierungen.

9. Anwendung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 bis 3 auf das Stranggießen von Fäden aus Chrom-, Titan-, Niob-, Tantal-, Zirkon-, Molybdän- oder Magnesiumlegierungen.

10. Anwendung des Verfahrens nach Anspriichen 1 bis 3 auf das Stranggießen von Fäden aus AkO₅ als anorganischer Verbindung.