DE2906814A1

DE2906814A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von festen filamentartigen gegenstaenden

Info

Publication number: DE2906814A1
Application number: DE19792906814
Authority: DE
Inventors: Sen Robert Barrett Prof Pond; Bruce Steen Tibbetts; Jun John Mack Winter
Original assignee: National Standard Co
Current assignee: Marvalaud Inc
Priority date: 1978-03-03
Filing date: 1979-02-22
Publication date: 1979-09-06
Also published as: JPS54124833A; US4170257A; GB2015396B; DE2906814C2; CA1115479A; GB2015396A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von filamentartigen Gegenständen durch Extrahieren aus einer Schmelze, insbesondere zur Herstellung von kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Längen von Metalldrähten aus einer Metallschmelze mit Hilfe einer rotierenden Kühlscheibe.

Es sind bereits zahlreiche Systeme zur Herstellung von kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Längen von filamentartigen Gegenständen durch Extrahieren aus einer Schmelze unter Verwendung einer rotierenden Kühlscheibe bekannt. Dies erfolgt im wesentlichen dadurch, dass man die Oberfläche der Schmelze mit der gekühlten Umfangskante oder -fläche der Kühlscheibe in Berührung bringt, die aus dem in Kontakt stehenden geschmolzenen Material sofort die Wärme ableitet. Hierdurch verfestigt sich das Material auf der Scheibe und das verfestigte Material wird durch die Zentrifugalkraft kontinuierlich vom Scheibenumfang in Form von kontinuierlichen oder diskontinuier-

20 liehen Filamenten abgeworfen.

Die ümfangsflache der in derartigen Systemen verwendeten Kühlscheibe kann je nach der gewünschten Konfiguration des filamentartigen Produkts unterschiedliche Form haben.

zur Herstellung von Draht oder anderen filamentartigen Gegenständen mit kleiner Querschnittsfläche kann die Scheibe z.B. eine V-förmige Umfangskante aufweisen. Eine Kühlscheibe von zylindrischer Form besitzt eine breite Kühlfläche in Bezug auf die Schmelze, wobei flache filament-

30 artige Gegenstände erhalten werden, z.B. Bänder oder

Streifen. Wenn die Kühlkante der Kühlscheibe mit beabstandeten Kerben oder Vertiefungen versehen ist, erhält man diskontinuierliche filamentartige Gegenstände, deren Längen dem Umfangsabstand zwischen den Kerben entsprechen.

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Neben der Form des Kühlseheibenumfangs beeinflussen verschiedene andere Faktoren die Konfiguration der von der Kühlscheibe gebildeten Drähte bei der Durchführung der Schmelzextraktion. Derartige Faktoren sind z.B. die Drehgeschwindigkeit der Kühlseheibe, die Temperaturdifferenz zwischen der Kühlscheibe und der Schmelze und die Eintauchtiefe der Kühlscheibe in die Schmelze» Selbst eine sorgfältige Kontrolle dieser Verfahrensparameter ergibt oft nicht die gewünschten Ergebnisse, insbesondere dann, wenn ein Draht mit hoher Geschwindigkeit aus einer Schmelze eines hochschmelzenden Metalls, wie Stahl, kontinuierlich extrahiert werden soll.

Die Zentrifugalbewegung der Kühlscheibe übt eine Schleuderwirkung aus, die sowohl dazu dient, den verfestigten Draht von der Scheibe abzulösen,als auch eine Schwingung des Drahtes verursacht, die manchmal zu einem Bruch des Drahtes führt und die Herstellung kontinuierlicher Längen verhindert. Ein weiteres Problem bei der Schmelzextraktion besteht in der Bildung von Oxiden und anderen unerwünschten Reaktionsprodukten in dem Bereich der Schmelze, der direkt mit der Kühlscheibe in Berührung steht.

Das grösste Problem bei Schmelzextraktionssystemen ist jedoch in der unvermeidlichen Flüssigkeitsturbulenz bzw. Badinstabilität zu sehen, die durch die rotierende Kühlscheibe hervorgerufen wird. Diese Turbulenz ist direkt proportional zur Drehgeschwindigkeit der Kühlscheibe und bei ausreichend hohen Drehgeschwindigkeiten bildet sich in der Schmelze eine Welle, die sich selbständig macht und sich von der Kühlfläche der Kühlscheibe wegbewegt. Diese unerwünschte Erscheinung verhindert, dass die Kühlscheibe ihre volle Kühlkapazität erfüllen kann und unterbricht die Drahtbildung. Die Produktionsgeschwindigkeit von filamentartigen Gegenständen unter Verwendung einer

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Kühlscheibe im Schmelzextraktionsverfahren hängt somit kritisch von der Drehgeschwindigkeit der Kühlscheibe ab. Die Drehgeschwindigkeit war deshalb bisher durch die Turbulenz und andere unerwünschte flüssigkeitsdynamische Phänomene, die in der Schmelze und insbesondere in Metallschmelzen auftreten, stark beschränkt.

Zur Behebung dieser Probleme, z.B. hinsichtlich der Badinstabilitäten, die bei der Extraktion aus der Schmelze auftreten, sind bereits verschiedene Methoden vorgeschlagen worden. Die derzeit bekannten Schmelzextraktionsverfahren lassen sich grob in zwei Grundkategorien einteilen. Die erste Kategorie umfasst Systeme, bei denen das geschmolzene Material über eine Düse direkt der Kühlscheibe zugeführt wird. In der GB-PS 20 518 ist beschrieben, dass Metallstreifen und -bänder dadurch hergestellt werden können, dass man die Kühloberfläche eines Kühlzylinders oder einer Kühlscheibe gegen den Meniskus aus geschmolzenem Metall dreht, der sich an der Öffnung eines Metallzufuhrkanals bildet. Das Metall wird durch den Kanal zugeführt und kommt mit der Kühloberfläche an einem Punkt in Berührung, an dem es sich kontinuierlich verfestigt und entfernt wird. Diese Düsentechnik ist auch in der US-PS 3 863 700 beschrieben, in

25 der die Schmelzextraktion des geschmolzenen Metalls

dadurch erfolgt, dass man die Schmelze durch Kapillarwirkung zwischen zwei beabstandete feste Elemente, die in der Schmelze angeordnet sind, anhebt. Auf diese Weise bildet sich zwischen den festen Elementen ein erhöhter konkaver Meniskus, der mit der Kühlscheibe in Berührung gebracht wird. Die Kapillarwirkung hat hierbei den Vorteil, dass eine konstante Höhe der Schmelze für den Kontakt mit der Kühlscheibe aufrechterhalten wird und gleichzeitig das Schmelzenniveau gegenüber unerwünschten

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flüssigkeitsdynamischen Phänomen, wie Turbulenzen oder Schwankungen des Schmelzenvolumens, stabilisiert wird.

Die Düsentechnik hat jedoch auch verschiedene Nachteile, insbesondere bei Verwendung von höherschmelzenden Metallen. In diesem Fall können die Materialien, aus denen die Düse bzw. Austrittsöffnung besteht, mit der heissen Metallschmelze oder der umgebenden Atmosphäre reagieren, wodurch die Eigenschaften und die Dimensionsstabilität des Düsenmaterials beeinträchtigt werden. Die Grosse und Form der Düse verändern sich daher, so dass ungleichmässige Produkte erhalten werden. Ausserdem werden die unlöslichen feuerfesten Materialien, aus denen der Behälter oder der Kanal für die Metallschmelze bestehen, erodiert und verstopfen die Düse. Die Verwendung einer Düse erfordert üblicherweise eine zusätzliche Heizung, um eine Verfestigung des Metalls in der relativ kleinen öffnung zu vermeiden. Ausserdem erfordern kleine Düsen die Verwendung äusserst reiner Schmelzen, um eine Verstopfung oder eine Verengung der meniskusbildenden öffnung zu verhindern.

Die zweite Kategorie von Schmelzextraktionssystemen sind Systeme, bei denen ein offenes Bad aus geschmolzenem Material verwendet wird. Die rotierende Kühlscheibe berührt die freie offene Oberfläche der Schmelze in Abwesenheit von begrenzenden oder einengenden Vorrichtungen, ausser dem Hauptbehälter für die Schmelze. Verfahren und Vorrichtungen für diese Technik sind z.B. in den US-PSn 3 812 901, 3 856 074, 3 861 450 und 3 904 344 beschrieben. Die Verwendung eines offenen Bades für den Kontakt mit der Kühlscheibe schafft eine unbegrenzte Umgebung für Flüssigkeitsturbulenzen, die durch die Pumpwirkung der

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-ΙΟΙ rotierenden Kühlscheibe in der Schmelze hervorgerufen werden. Die Produktionsgeschwindigkeit von Drähten mit Kühlscheiben, die in derartigen offenen Bädern arbeiten, ist daher beschränkt durch die Drehgeschwindigkeit der Kühlscheibe, oberhalb der eine unerwünschte Turbulenz des Schmelzen-Wellenkairanes von der Kühlscheibe weg auftreten würde.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Schmelzextraktion von drahtförmigen oder filamentartigen Gegenständen aus Schmelzen bereitzustellen, bei denen die Nachteile bekannter Schmelzextraktionstechniken vermieden werden, sehr hohe Produktionsgeschwindigkeiten möglich sind, sowohl kontinuierliche als auch diskontinuierliche drahtförmige oder filamentartige Gegenstände mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Querschnitten hergestellt werden können, drahtförmige oder filamentartige Gegenstände von gleichmässiger Dimension, Grosse und Konfiguration schnell herstellbar sind und die Turbulenz sowie andere unerwünschte flüssigkeitsdynamische Phänomene in der Schmelze kontrolliert werden können, so dass eine schnelle Produktion von drahtförmigen oder filament artigen Gegenständen mit hohen Drehgeschwindigkeiten der Kühlscheibe möglich ist.

Gegenstand der Erfindung sind ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Extraktion aus der Schmelze, bei denen ein unterhalb der Oberfläche einer offenen Schmelze angeordneter Tauchkörper dazu verwendet wird,, um zu verhindern, dass der von der rotierenden Kühlscheibe erzeugte Wellenberg sich von der Kühlfläche der Scheibe wegbewegt und dadurch den Kontakt damit verliert. Der Tauchkörper dient zur Kontrolle der Flüssigkeitsturbulenz, die durch

die rotierende Kühlscheibe erzeugt wird, und ermöglicht 35

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höhere Drehgeschwindigkeiten der Kühlscheibe, als sie bisher möglich waren, so dass filamentartige Gegenstände mit entsprechend höherer Produktionsgeschwindigkeit erhalten werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendet man einen kanalförmigen Tauchkörper mit einer Öffnung, die innerhalb der Fläche, die durch den öffnungsumfang bestimmt wird, einen begrenzten Schmelzenbereich (im folgenden: Sumpf) bildet, wenn die Schmelze mit der rotierenden Kühlscheibe in Berührung gebracht wird. Der Sumpf stellt eine kontrollierte Zufuhr von Schmelze dar, die durch die Kühlscheibe schnell entfernt wird. Der von dem Sumpf ausgefüllte Bereich hat die Form eines Meniskus (kuppenförmig) und ist frei von Flüssigkeitturbulenzen und angesammelten unerwünschten Reaktions-

15 produkten, wie Oxiden.

In Vorrichtungen, die den erfindungsgemässen Tauchkörper verwenden, können die Kühlscheibe und der Tauchkörper eine Einheit bilden, die als solche in der Schmelze angeordnet werden kann. Der Tauchkörper kann aber auch stationär in der Schmelze angeordnet sein, während die Kühlscheibe relativ zum Tauchkörper beweglich ist»

In der Zeichnung, in der entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, ist die Erfindung anhand bevorzuqter Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch ein bekanntes System zur Herstellung filamentartiger Gegenstände durch Drehen einer Kühlscheibe in

einem offenen Bad aus einem geschmolzenen

Material;

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Fig. 2 eine Draufsicht auf das bekannte System von

Fig. 1;

Fig. 3 einen vertikalen Schnitt durch das System von Fig. 1, wenn die Kühlscheibe mit erhöhter Ge

schwindigkeit rotiert;

Fig. 4 einen vertikalen Schnitt durch eine erste er-

findungsgemässe Ausführungsform; 10

Fig. 5 eine Draufsicht auf das System von Fig. 4;

Fig. 6 einen vertikalen Schnitt durch eine zweite er-

findungsgemässe Ausführungsform, wenn die Kühl- · scheibe in angehobener Stellung ausser Kontakt

mit dem geschmolzenen Material ist;

Fig. 7 einen vertikalen Schnitt durch das System von Fig. 6, wobei die Kühlscheibe rotiert und in Kontakt mit dem geschmolzenen Material ist;

Fig. 8 eine Draufsicht auf das System von Fig. 7;

Fig. 9 einen seitlichen Schnitt, der eine Kühlscheibe mit einer V-förmigen Kühlfläche zeigt, die mit

dem geschmolzenen Material in Kontakt steht;

Fig. 10 einen seitlichen Schnitt, der eine Kühlscheibe mit einer planaren Kühlfläche zeigt, die mit dem geschmolzenen Material in Kontakt steht;

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Fig. 11 einen senkrechten Schnitt durch eine dritte

erfindungsgemässe Ausführungsform , die in das Gesamtbetriebssytem eingebaut ist;

Fig.12 einen Schnitt entlang der Linie 12-12 von Fig. 11;

Fig. 13 eine Draufsicht auf eine vierte erfindungsgemässe Ausführungsform und

Fig. 14 einen perspektivischen Querschnitt entlang der

Linie 14-14 von Fig. 13.

Als geschmolzene Materialien eignen sich erfindungsgemäss beliebige Materialien, die ähnliche flüssigkeitsdynamische Eigenschaften zeigen wie geschmolzenes Metall, wobei das Prinzip der Gezeiten ähnlichen Bore- oder Druckwelle gilt, d.h. die in einer derartigen Flüssigkeit erzeugte Welle ist befähigt, sich aufzustellen und anschliessend überzukippen, so dass eine positive Sturzwelle entsteht. Unter filamentartigen Gegenständen werden sowohl kontinuierliche als auch einzelne oder diskontinuierliche Längen von Materialien mit flachem, kreisförmigem oder sonstigem Querschnitt verstanden, bei denen mindestens eine Dimension im Bereich von 0,001 bis 0,Q30 inch (0,00254 bis 0,0762 cm) liegt. Diese filamentartigen Gegenstände können die Form von Fasern, Bändern, Streifen oder andere Form haben.

Bei bekannten Systemen zum Extrahieren von filament,artigen Gegenständen aus einem geschmolzenen Material in Form einer offenen Schmelze wird eine rotierende Kühlscheibe mit einer Kühl-Umfangsflache gegen die Badoberfläche abgesenkt. Beim Kontakt mit der Badoberfläche verfestigt sich ein Teil der Schmelze auf der Kühlfläche und wird durch die Drehung der Kühlscheibe durch das Bad bewegt. Die weitere Drehung der Kühlscheibe ergibt eine Ansammlung

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von geschmolzenem Material oberhalb dem Gleichgewichtsniveau bzw. der Oberfläche des Bades in unmittelbarer Nachbarschaft zu dem Punkt, an dem die Kühlfläche der Kühlscheibe aus dem Bad austritt. Das geschmolzene Material aus diesem Ansammlungsbereich wird auf niedrigere Temperatur abgekühlt als das aus dem Bad, so dass es an dem vorher auf der Kühlfläche der Kühlscheibe gebildeten Material haften bleibt und durch diese Ansammlung aus dem Bad entfernt wird. Die Fortsetzung dieses Prozesses ergibt ein verfestigtes Filament aus dem geschmolzenen Material, das durch die Zentrifugalwirkung der rotierenden Kühlscheibe nach oben aus dem Bad geworfen wird. Ein typisches System, das nach diesem Prinzip arbeite:^ ist in den Fig. 1 bis 3 dargestellt.

In Fig. 1 ist eine Kühlscheibe 1 mit einer Kühl-Umfangsflache 3 dargestellt, die entgegen dem Uhrzeigersinn um eine horizontale Achse 5 rotiert. Die Scheibe 1 ist derart gestützt, dass sie sich vertikal relativ zur freien Oberfläche 7 der Schmelze 9 bewegen kann, die ein Bad aus geschmolzenem Material in einem Behälter 11, z.B. einem Tiegel, darstellt. Beim Rotieren und Absenken der Scheibe 1 bis zum Kontakt der äussersten Radialkante der Kühlfläche 3 mit der Oberfläche 7 der Schmelze 9 korant es zu einer sofortigen Verfestigung der Schmelze-9 und ein Filament 13, das aus der verfestigten Schmelze 9 besteht, wird durch die Scheibe 1 zentrifugal angehoben und aus der Schmelze 9 ausgeworfen. Die Erzeugung des Filaments 13 erfolgt durch Bildung eines Wellenkammes 15 in der Schmelze 9, der kontinuierlich an der Kühlfläche 3 gehalten und abgetragen wird. Ein Beispiel für ein. derartiges System ist in der US-PS 3 904 344 beschrieben .

Die Drehung der Kühlscheibe 1 in der Schmelze 9 ergibt eine Pumpwirkung, die eine Turbulenz in der Schmelze hervorruft.

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Die durch die Scheibe 1 erzeugte Flüssigkeitsströmung verläuft in den Richtungen, die in Fig. 2 durch die Pfeile A und B angezeigt sind. Bei bestimmten maximalen Drehgeschwindigkeiten werden die Turbulenz bzw. Instabilität des Bades 9 unter Kontrolle gehalten, so dass der durch die Scheibe 1 erzeugte Wellenberg 15 an der Kühlfläche gehalten wird und sich kontinuierlich zu dem Filament verfestigt. Falls jedoch die Drehgeschwindigkeit der Scheibe 1 ein bestimmtes Maximum überschreitet, z.B.

in einer Metallschmelze mehr als 30,48 m/Sekunde beträgt, bewirkt die entsprechend erhöhte Turbulenz des Bades 9, dass sich der Wellenkamm 15 von der Kühlfläche 3 wegbewegt und auf der Oberfläche 7 des Bades 9 freisteht. Wenn sich daher die Welle 15 vom Kontakt mit der Kühlfläche 3 löst, verliert diese ihre Funktion als Mittel zur Verfestigung des geschmolzenen Materials, so dass die kontinuierliche Produktion des Filaments 13 unterbrochen wird. Aufgrund dieser Erscheinung war die Schmelzextraktion aus offenen Bädern mit Hilfe einer rotierenden Drehscheibe bisher notwendigerweise auf Geschwindigkeiten unterhalb der Geschwindigkeit beschränkt, bei sich der Wellenkamm bei einem bestimmten, zu extrahierenden geschmolzenen Material vom Kontakt mit der Kühlfläche der Scheibe ablöst.

Dies hat entsprechend auch die Produktionsgeschwindigkeiten von filamentartigen Gegenständen in bekannten Verfahren beschränkt!., da diese direkt von der maximalen Drehgeschwindigkeit der Kühlscheibe bestimmt werden. Nur durch Anwendung von Drehgeschwindigkeiten, die weit über den bisher mögliehen Geschwindigkeiten liegen, lassen sich die Filament-Produktionsgeschwindigkeit nennenswert erhöhen und die Dicke des Produkts im gewünschten Ausmass verringern. Erfindung sgemäss wird durch dieses Ziel durch ein System zur Schmelzextraktion aus einem offenen Bad mit Hilfe eines

35 Kühlscheibe erreicht, bei dem der Wellenkamm aus ge-

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schmolzenem Material daran gehindert wird, sich nach vorne von der Kühlfläche 6 fortzubewegen, wobei auch Drehgeschwindigkeiten der Kühlscheibe angewandt werden können, die bei bekannten Systemen unvermeidliche diese Erscheinung hervor-

5 gerufen hätten.

In der in den Fig. 4 und 5 gezeigten ersten Ausführungsform der Erfindung ist eine Einrichtung zur Kontrolle der Flüssigkeitsturbulenz in Form eines Tauchkörpers 17 in

10 der Schmelze 9 angeordnet. Der Tauchkörper 17 ist im

wesentlichen bogenförmig und befindet sich unmittelbar unter der Oberfläche 7 der Schmelze 9. Wenn man die Scheibe 1 dreht und zur Berührung mit der Oberfläche 7 absenkt, begrenzt der Innenumfang 19 des Tauchkörpers 17 einen teilweise umschlossenen Sumpf 21 aus geschmolzenem Material, aus dem der Wellenkamm 15 kontinuierlich verfestigt und als Filament 13 entfernt wird. Die Anwesenheit des Tauchkörpers 17 bewirkt eine Stabilisierung der Flüssigkeitsturbulenz, die durch die Pumpwirkung der Drehscheibe 1 hervorgerufen wird, so dass die Welle 15 an der Kühlfläche 3 gehalten wird. Der Anteil des geschmolzenen Materials, der den Sumpf 21 bildet, wird kontinuierlich von unterhalb dem Tauchkörper 13 aufgefüllt. Da die Welle 15 durch den Tauchkörper 17 daran gehindert wird, sich nach vorne von der Kühlfläche 3 wegzubewegen, können weit höhere Drehgeschwindigkeiten der Scheibe 1 angewandt werden, so dass auch entsprechend höhere Produktionsgeschwindigkeiten des Filaments 13 möglich sind.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in den Fig. 6 bis 8.gezeigt. Unterhalb der Oberfläche 7 der Schmelze 9 ist ein im wesentlichen rechteckiger rahmenförmiger Tauchkörper 23 angeordnet. Auch der Innenumfang 25 des Tauchkörpers 23 ist im wesentlichen rechteckig. Wenn man

35 die Kühlscheibe 1 dreht und bis zur Berührung mit dem

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Bereich der Oberfläche 7 ansenkt, der sich direkt über dem Bereich befindet, der durch den Umfang 25 begrenzt wird, so entsteht ein Wellenkamm 15 aus geschmolzenem Material, der verfestigt und als Filament 13 entfernt wird. Der Umfang 25 begrenzt einen völlig umschlossenen Sumpf 26 aus geschmolzenem Material, der von der übrigen Oberfläche 7 isoliert ist und keine Flüssigkeitsturbulenzen aufweist, wie sie normalerweise durch die Pumpwirkung der Drehscheibe 1 verursacht werden. Das geschmolzene Material wird der Kühlfläche 3 kontinuierlich durch eine geeignete Zufuhreinrichtung von unterhalb dem Tauchkörper 23 zugeführt.

Die Tauchkörper 17 und 23 können beliebige geeignete Form aufweisen und auch innerhalb des Bades 9 auf beliebige geeignete Weise befestigt sein, damit das Ziel erreicht wird, einen stabilen Schmelzensumpf für den Kontakt mit der Kühlfläche 3 der Kühlscheibe 1 abzugrenzen und den Wellenkamm 15 bei hohen Drehgeschwindigkeiten der Scheibe 1 an der Kühlfläche 3 zu halten.

Die physikalischen Veränderungen der Oberfläche 7 des Bades 9 während der Drehung der Scheibe 1 sind in den Fig. 9 und 10 gezeigt. In Fig. 9 hat die Kühlscheibe 1 eine Kühlfläche 3 von im wesentlichen V-förmigem Querschnitt. Wenn der Scheitel 27 der rotierenden Kühlfläche 3 die Oberfläche 7 der Schmelze 9 beruht, bildet sich innerhalb des Umfangs 25 des Tauchkörpers 23 ein Sumpf 26. Die Drehung der Scheibe 1 bewirkt, dass geschmolzenes Material _von 3_er oberen Oberfläche des Tauchkörpers 23 wegströmt. Dies wiederum hat zur Folge, dass der Bereich der Oberfläche 7, der den Aussenumfang 29 des Tauchkörpers 23 umgibt, angehoben wird und eine meniskusförmige Konfiguration annimmt. Auf ähnliche Weise wird auf die Ober-

^⁵ fläche des Sumpfes 26 in Bezug auf den Innenumfang 25

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des Tauchkörpers 23 meniskusförmig angehoben. Die Kühlfläche 3 kann daher bei höheren Drehgeschwindigkeiten der Scheibe 1, als sie bisher möglich waren, in dem Sumpf 26 frei einen Wellenberg aus geschmolzenem Material bilden und kontinuierlich daraus entfernen, da der Sumpf 26 durch den Tauchkörper 23 in einem stabilen und isolierten Zustand gehalten wird.

In Fig. 10 ist eine Kühlscheibe 31 mit einer Kühlfläche 33 von im wesentlichem flachen oder planaren Querschnitt dargestellt. Die Flüssigkeitsdynamik der Schmelze 9 sowie die physikalischen Eigenschaften der Oberfläche 7 entsprechen im wesentlichen denen von Fig. 9. Wegen der flachen Kühlfläche 33 werden aus dem dem Sumpf 26 zügeln führten geschmolzenen Material auch filamentartige Gegenstände von planarer Form erhalten, z. B. Bänder, Breitfolien oder Bleche. Die Abgrenzung des Sumpfes 26 von dem übrigen offenen Bereich der Oberfläche 7 ist besonders vorteilhaft im Falle der Extraktion derartiger Gegenstände aus Metallschmelzen, da Oxide und andere Reaktionsprodukte von dem Sumpf 26 ferngehalten werden und sich dort nicht ansammeln können.

Bei Anwendung der Kühlfläche 33, deren Breite kleiner als ^ die Breite des Sumpfes 26' ist, überschreitet die Breite des verfestigten Gegenstandes nicht die Breite der Oberfläche 33.'-FaIIs jedoch die Kühlfläche 33 breiter als der Sumpf 26 ist, überschreitet die Breite des extrahierten Produkts nicht die Breite des Sumpfes 26. In beiden Fällen nimmt die Breite des Produktes mit entsprechender Zunahme der Drehgeschwindigkeit der Scheibe 31 ab.

Ih den Fig. 11 und 12 ist eine dritte erfindungsgemässe Ausführungsform dargestellt, bei der ein mechanisches System verwendet wird, um die Kühlscheibe und den Tauch-

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körper zusammen als assoziierte und integrale Einheit zu stützen. Die Kühlscheibe 1 ist zum Drehen an einem Ende einer Welle 5 befestigt. Das andere Ende der Welle 5 ist mit einer ersten Riemenscheibe 35 versehen, die über einen Riemen 39 von einer zweiten Riemenscheibe 37 abgetrieben wird. Die Riemenscheibe 37 wird direkt durch einen Regelmotor 41 angetrieben, der auf einer Plattform 43 steht. Ein Aufsteckhalter 45 stützt die Welle 5 und ist selbst vertikal verstellbar an einer Stange 47 befestigt. Die Vertikalverstellung erfolgt durch Verschieben einer Manschette 48, die von dem Aufsteckhalter 45 getragen wird, nach unten oder oben auf der Stange 47 und Sichern der Manschette 48 in der gewünschten Vertikalstellung durch eine manuell betätigte , mit einem Gewinde versehene Klinke 51. Die Plattform 43 wird ebenfalls durch den Aufsteckhalter 45 vertikal verstellbar getragen.

Ein Tauchkörper 49 wird über zwei Gewindestangen 53 und 55 von einem Aufsteckhalter 4 5 gehalten. Eine Rändelschraube 57 steht in Eingriff mit zwei Zahnrädern 59 und 61, die über ein Gewinde auf den Stangen 53 bzw. 55 beweglich sind. Durch Drehen der Schraube 57 in entsprechender Richtung kann man den Tauchkörper 4 9 relativ zur Kühlfläche 3 der Scheibe 1 anheben oder absenken. Auf diese

²^ Weise gelingt es, die Scheibe 1 in Bezug auf den Tauchkörper 4 9 genau einzustellen, bevor die Einheit aus der Scheibe T und dem Tauchkörper 49 durch Betätigung der Klinke 51 in das Bad 9 abgesenkt wird.

Der Tauchkörper 49 weist einen inneren kanalförmigen Bereich 63 mit einer Innenoberfläche 65 auf, der das geschmolzene Material aus dem unteren Bereich des Bades 9 aufnimmt und zum oberen offenen Ende des Bereiches 63 lenkt, der den Umfang und die Konfiguration des durch Rotation der Scheibe 1 gebildeten Sumpfes bestimmt. Der

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Tauchkörper 49 weist auch eine ringförmige Speicherkammer 67 für das geschmolzene Material auf, die eine offene Badoberfläche markiert, welche während der Rotation der Scheibe 1 die Oberfläche des Bereiches 6 3 umgibt. Das geschmolzene Material wird dem Behälter 11 aus einer geeigneten Quelle 69 zugeführt. Ausserdem kann die Scheibe 1 kontinuierlich mit einer Düse 71 gekühlt werden, die ein flüssiges Kühlmittel in Aerosolform, z.B. Wasser, auf die Kühlfläche 3 sprüht. Die Scheibe 1 kann aber auch von innen gekühlt werden, wie dies z.B. in der US-PS 3 904 344 beschrieben ist.

In den Fig. 13 und 14 ist eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäss verwendbaren Tauchkörpers dargestellt. In einem Schmelztiegel 73 ist ein kanalförmiger Tauchkörper 75 angeordnet, der ein Paar Einlassöffnungen 77 und 79 am unteren Ende aufweist, durch die geschmolzenes Material aufgenommen wird, das in dem ringförmigen Raum zwischen der Aussenwand des Tauchkörpers 75 und der Innenwand des Tiegels 73 enthalten ist. Das obere Ende 80 des Tauchkörpers 75 hat eine geringere Höhe als der Tiegel 73, so dass geschmolzenesMaterial zu Beginn bis unmittelbar über dem oberen Ende 80 des Tauchkörpers 75 eingefüllt werden kann. Der Innenumfang 81 des oberen Endes 80 des Tauchkörpers 75 bildet und begrenzt einen Sumpf aus geschmolzenem Material, wenn die rotierende Kühlscheibe bis zum Kontakt mit der Oberfläche der Schmelze oberhalb dem oberen Ende 80 abgesenkt wird.

in allen beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung wird daß.geschmolzene Material dem durch den Tauchkörper gebildeten Sumpf kontinuierlich von unterhalb des Tauchkörpers zugeführt, so dass die Höhe des meniskusförmigen Sumpfes erhalten bleibt. Die Zufuhrgeschwindigkeit des

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geschmolzenen Materials wird entsprechend der Extraktionsgeschwindigkeit eingestellt, die ihrerseits durch die Drehgeschwindigkeit der Kühlscheibe bestimmt wird.

Es ist nicht notwendiq,den Tauchkörper stationär in der Schmelze anzuordnen, sondern dieser kann auch von der Stützeinrichtung für die Kühlscheibe getragen werden, so dass er beim Absenken der Scheibe in die Schmelze vor der Scheibe in die Schmelze eintaucht. Der Abstand zwischen der Kühlfläche der Scheibe und der oberen Oberfläche des Tauchkörpers kann entweder vorher oder während des Betriebes eingestellt werden.

Die hohe Extraktionsgeschwindigkeit des geschmolzenes Materials aus dem Von dem Tauchkörper gebildeten Sumpf und die vergleichsweise kleine Oberfläche des Sumpfes, die von der übrigen Badoberfläche abgegrenzt ist, verhindern eine Verschmutzung der Kühlscheibenoberfläche, so dass keine Abstreifer, Bürsten oder ähnliche Einrichtungen erforderlich sind, um die Kühlfläche sauber zu halten.

Die erfindungsgemässe Extraktion aus der Schmelze kann auf zahlreiche geschmolzene Materialien angewandt werden, insbesondere auf alle Metalle und deren Legierungen, die ohne Verunreinigung mit dem Behälter- oder Tiegelmaterial im geschmolzenen Zustand gehalten werden können. Es wurde gefunden, 'dass die Tauchkörper aus demselben Material bestehen können wie der Tiegel. Falls z.B. geschmolzenes Zinn extrahiert werden soll, können der Tiegel und der Tauchkörper aus Pyrexglas oder Stahl bestehen. In der folgenden Tabelle .1 sind einige Beispiele für Tiegel- und Tauchkörpermaterialien angegeben, die zur Schmelzextraktion der ebenfalls angegebenen Metalle verwendet werden können.

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1	Legierung	Tabelle I	Tauchkörpermaterial
	Sn	Tiegelmaterial	Pyrexglas, Stahl
5		Pyrexglas,Stahl,	Graphit
	Zn	Graphit	Al₂Oo, Graphit,
		Al₂O₃, Graphit,	W-Mo-Legierung
	Cu-Legierungen	W-Mo-Legierung	Graphit
	Stähle	Graphit	Al₂O₃, MgO
10	Al₂O₃, MgO

Die Vorteile der erfindungsgemässen Schmelzextraktion unter Anwendung eines von einem Tauchkörper umschlossenen Sumpfes aus geschmolzenem Material ergeben sich aus Vergleichsversuchen, bei denen das wesentliche Erfolgskriterium in der Fähigkeit gesehen wird, filamentartige Gegenstände in Form einer kontinuierlichen Faser als Funktion der Drehgeschwindigkeit der Kühlscheibe zu produzieren. In diesen Versuchen wird geschmolzenes Zinn aus einer Schmelze extrahiert, die bei einer Temperatur von 10⁰C über dem Schmelzpunkt des Metalls gehalten wird. Als Material für den Tiegel und den Tauchkörper dient Stahl. Der Tauchkörper ist fest in dem Tiegel angeordnet. Das Zinnbad ist 2,54 cm tief und hat die Ausmasse 18,415 χ 10,795 cm. Eine Kupferkühlscheibe von 0,15875 cm Breite und einem Durchmesser von 11,43 cm mit einer Kühlfläche von V-förmigem Querschnitt wird zunächst in einem offenen Bad ohne Tauchkörper rotiert. Hierbei lassen sich bei Drehgeschwindigkeiten von mehr als 8,41248 m/Sekunde keine kontinuierlichen Fasern aus dem Bad extrahieren.

Bei verwendung eines erfindungsgemässen Tauchkörpers zur Bildung eines Sumpfes aus geschmolzenem Material lassen sich dagegen mit derselben Kühlscheibe bei Drehgeschwindigkeiten von etwa 40,5384 m/Sekunde kontinuierliche Fasern erhalten.

Weitere Versuche zeigen, dass höhere Drehgeschwindigkeiten

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und Produktionsraten möglich sind, wenn man die Querschnittsfläche der Tauchkörperöffnung und damit die Oberfläche des gebildeten Sumpfes verringert. Die Korrelation zwischen der Zunahme der Produktionsgeschwindigkeit und der Abnahme der Tauchkörper-Öffnungsfläche ist hierbei für die verschieden geformten Tauchkörperöffnungen sehr ähnlich. Die in den Vergleichsversuchen erhaltenen Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle II zusammengestellt.
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Tabelle II

	Form	Tauchkörper öffnung	Fläche	,080516 cm²
	rund	Dimension	0	,32258 cm²
	rund	0,3175 cm	0	,29032 cm²
	rund	0,635 cm	1	,221935 cm² ,3354832 cm²
	rechteckig rechteckig	1,27 cm	0 0	2 ,64516 cm
90983	rechteckig	0,3175 χ 0,6985 cm 0,47625 χ 0,6985 cm ·	0	98,70928 cm²
cn	offenes Bad	0,635 χ 1 ,016 cm	1
0634	18,415 χ 10,795 cm

Kontinuierliche Faserproduktion

35,3568 m/sec 21 ,21408 m/sec 20,7264 m/sec 40,5384 m/sec 33,5280 m/sec 29,2608 m/sec 8 ,41248 m/sec

Produktionssteigerung (%) gegenüber offenem Bad

320 152 145 385 298 248 0

in

	O	in	K)
	co	co	CO
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CM

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Die Ergebnisse zeigen, dass erfindungsgemäss eine höhere Produktionsgeschwindigkeit von kontinuierlichen Zinnfasern möglich ist, als bei der bekannten Extraktion aus einem offenen Bad.
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Bei der Schmelzextraktion von Fasern aus einem offenen Bad hat sich gezeigt, dass die Form der erhaltenen Fasern durch die Form der Kühlfläche der Kühlscheibe und die Tiefe, mit der die Scheibe in das Bad eingeführt wird, verändert werden kann. Das Schmelzextraktions-Grundverfahren ermöglicht die Herstellung von Fasern mit sehr kleiner Querschnittsfläche. Versieht man die Kühlscheibe mit einer sehr kleinen V-förmigen Kühloberfläche und führt die Scheibe so wenig wie möglich in das Bad ein, so lässt sich der Querschnitt der entstehenden Fasern über die Drehgeschwindigkeit der Kühlscheibe kontrollieren.

Bei der erfindungsgemäss ermöglichten hohen Produktionsgeschwindigkeit lassen sich Fasern mit einer Querschnittsfläche von weniger als 5,16128 χ 10 cm kontinuierlich aus Edelstahl {300 und 400 Series), Bronze, Kohlenstoffstahl, Zink, Zinklegierungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen, Zinn und Zinnlegierungen herstellen. Darüberhinaus lassen sich sämtliche Metallegierungen verwenden, die in ge-

²^ schmolzenem Zustand gehalten und schmelzextrahiert werden können. Auch hierbei werden höhere Produktionsraten erzielt, als sie bisher möglich waren.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von festen filamentartigen Gegenständen durch Extrahieren und Verfestigen von geschmolzenem Material mit Hilfe einer gegen die Oberfläche der Schmelze drehenden Kühlfläche einer Kühlscheibe aus einem Wellenkamm des geschmolzenen Materials, dadurch gekennzeichnet , dass man in der Schmelze einen Tauchkörper anordnet, um

a) die durch die drehende Kühlscheibe erzeugte Flüssigkeitsturbulenz zu stabilisieren und

b) den Wellenkamm des geschmolzenen Materials während der Materialabtrennung an der Kühlfläche der Kühlscheibe zu halten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass der Tauchkörper im wesentlichen bogenförmig ist.

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3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlfläche einen im wesentlichen V-förmigen Querschnitt hat.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Kühlfläche einen im wesentlichen planaren Querschnitt hat.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, dass die drehende Kühlscheibe

a) einen Sumpf aus geschmolzenem Material bildet, der zumindest teilweise von dem Tauchkörper begrenzt wird, und

b) den Wellenkamm aus geschmolzenem Material von der Oberfläche des Sumpfes abträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , dass der Tauchkörper eine im wesentlichen rechteckige Öffnung aufweist, die den Umfang des Sumpfes

20 begrenzt.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , dass der Tauchkörper eine im wesentlichen kreisförmige Öffnung aufweist, die den Umfang des Sumpfes

25 begrenzt.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , dass das geschmolzene Material von unterhalb des Tauchkörpers zugeführt wird, um das durch die Kühlscheibe abgetrennte geschmolzene Material aufzufüllen.

9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , dass die Kühlfläche der Kühlscheibe

breiter ist als die Oberfläche des Sumpfes. 35

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10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch g e k e η η zeichnet , dass die Breite des extrahierten filamentartigen Gegenstandes mit höheren Drehgeschwindigkeiten der Kühlscheibe abnimmt.

11. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , dass die Kühlfläche der Kühlscheibe weniger breit ist als die Oberfläche des Sumpfes.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des extrahierten filamentartigen Gegenstandes mit höheren Drehgeschwindigkeiten der Kühlscheibe abnimmt.

13. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , dass man eine Metallschmelze verwendet.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass man Kohlenstoffstahl, Edelstahl,

20 Aluminium, Bronze, Zink, Zinn oder deren Legierungen als Metall verwendet.

15. Vorrichtung zum Extrahieren von festen filamentartigen Gegenständen von der Oberfläche eines Bades aus geschmolzenem

25 Material, gekennzeichnet durch

a) eine drehbare Kühlscheibe (1, 31) mit einer Kühl-Umfangsflache (3, 33) zum Verfestigen und Abtrennen eines Wellenkammes (15) des geschmolzenen Materials aus dem Bad (9),

b) eine Einrichtung (35, 37, 39, 41) zum Drehen der Kühlscheibe (1, 31) um ihre Drehachse,

c) eine Einrichtung f45, 47, 48, 51) zum Anheben und Absenken der Kühlscheibe (1, 31) relativ zum Bad (9) und

d) einen Tauchkörper (17, 23, 49, 75), der in dem Bad (9) angeordnet werden kann.

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16. Vorrichtung nach Ansprach 15, dadurch gekennzeichnet , dass der Tauchkörper (17) im wesentlichen bogenförmig ist ^

Tl^ Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet _f dass der Tauchkörper (4 9) von einer Hebe- und Senkeinrichtung (45, 47, 48, 51) getragen wird, die es ermöglicht, den Tauchkörper (49) und die Kühlscheibe (1) als Einheit relativ zum Bad (9) zu heben und zu senken. 10

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (57, 59, 61) zur Änderung des Abstandes zwischen der ümfangskante (27) der Kühlfläche (3) und dem Tauchkörper (49).

19. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , dass der Tauchkörper (75) stationär in dem Bad (9) gehalten ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 15, g ekennzeich net durch eine Einrichtung (71) zum Kühlen der Kühlfläche (3) der Kühlscheibe (1).

21· Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch g e k e η η zeichnet, dass die Kühlfläche (3) einen im wesentlichen V-förmigen Querschnitt hat ^

22. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlfläche (33) im wesentlichen

30 planare Form hat.

23. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , dass der Tauchkörper (75) die Form eines

Hohlkanals mit einer ersten Öffnung (80) hat, die direkt 35

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unterhalb dem Punkt anordenbar ist, an dem die Kühlfläche (3) der Kühl scheibe (1) die Oberfläche des Bades (9) berührt.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet , dass die erste Öffnung (80) im wesentlichen runde Form hat und den Umfang eines Sumpfes (26) aus geschmolzenem Material begrenzt, der durch die rotierende Kühlscheibe (1) gebildet wird. 10

25. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet , dass die erste öffnung im v/esentlichen rechteckige Form hat und den Umfang eines Sumpfes (26) aus geschmolzenem Material begrenzt, der

15 von der rotierenden Kühlscheibe (1) gebildet wird.

26. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet , dass die erste Öffnung im wesentlichen elliptische Form hat und den Umfang eines Sumpfes (26) aus geschmolzenem Material begrenzt, der von der rotierenden Kühlscheibe (1) gebildet wird.

27 ο Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet , dass am unteren Ende des Kanals eine zweite öffnung (77, 79) vorgesehen ist, die das geschmolzene Material aufnimmt und der ersten Öffnung (80) zum Abtrennen durch die Kühlscheibe (1) zuführt.

28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet , dass der Tauchkörper (75) in einem Tiegel (73) angeordnet ist und eine ringförmige Zufuhrkammer für das geschmolzene Material begrenzt.

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