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Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von raffinierten Metallformstücken
aus nichtraffinierten Metallen Bei der Herstellung von Werkstücken durch Walzen,
Schmieden, Zichen., Hobeln usw. geht man üblicherweise von einem aus dem betreffenden
Metall gegossenen und nachher mehr oder weniger abgekühlten Block aus.
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Den Hauptnachteil dieses Verfahrens bildet der Umstand, daß in dem
in seiner Form immer kälter werdenden Block die reinsten 1l.etallkristalle sich
gewöhnlich in der Nähe der Formwände bilden, wogegen das im mittleren und im oberen
Blockteil erstarrende Metall immer mehr Verunreinigungen enthält. Infolgedessen
muß ein großer Blockteil als zur weiteren Verarbeitung ungeeignet abgeschnitten
und im übrigen Teil mit einer stets schädlichen gewissen Ungleichförmigkeit des
Metalls vorlieb genommen werden, die im Fertigerzeugnis oft Hohlräume, Schienenrisse
usw. zur Folge hat.
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Außerdem ist das Verfahren kostspielig. Abgesehen nämlich von den
teuren und oft auszuwechselnden Gießformen sind die zum Gießen, Befördern und Bearbeiten
der schweren Blöcke nötigen Einrichtungen in der Anschaffung und im Betriebe teuer.
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Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, daß sich beim Erstarren
eines Teiles einer Schmelze reine Metallkristalle bilden, während die Verunreinigungen
in dem noch nicht erstarrten Teil der Schmelze zurückbleiben. Durch die Erfindung
ist es möglich, raffinierte Metallformstücke herzustellen, die unmittelbar für die
Weiterverarbeitung geeignet sind und bei geringstem Abfall einwandfreie Erzeugnisse
liefern. Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß unterhalb der Oberfläche der Schmelze
durch allmählichen örtlichen Wärmeentzug, z. B. mittels eines in die Schmelze eintauchenden
festen Körpers oder eines auf die Oberfläche gerichteten Gas-oder Flüssigkeitsstromes,
eine Kruste aus raffiniertem Metall gebildet und die z. B. bandförmige Kruste der
Schmelze fortlaufend entnommen, wobei hinsichtlich der Menge der entnommenen Kruste
dafür Sorge getragen wird, daß immer eine bestimmte, gegenüber der jeweils entnommenen
Metaliinenge erheblich größere Metallmenge im geschmolzenen Zustand zurückbleibt.
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Es ist bekannt, Metallkrusten samt den sich an der Badoberfläche bildenden
Verunreinigungen auf der freien Metalloberfläche zum Ausfrieren zu bringen. Gemäß
der Erfindung wird die Kruste dagegen dein viel reineren Metall innerhalb des Bades
entnommen, und zwar wird dies, abgesehen von der Krustenbildung unterhalb der Oberfläche
der Schmelze, auch dadurch ermöglicht, daß man dafür Sorge trägt, daß der Schmelzinhalt
nicht vollständig aufgearbeitet wird, sondern
immer eine gegenüber
der jeweils entnominenen Metallmenge erheblich größere Menge geschmolzenen Metalls
zurückbleibt. Durch beide Maßnahmen gelangen nur reine Metallkristalle in die Kruste,
und eine Mitnahme vors Verunreinigungen findet nicht stakt. Im übrigen entstehen
bei dem Verfahren gemäß der Erfindung nicht wie bei bekannten Verfahren ungeregelte
Kristallhaufen, sondern gleich weiterverarbeitungsfähige Metallformstücke z. B.
bandförmige Krusten.
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Nachfolgend seien Ausführungsbeispiele des Verfahrens gemäß der Erfindung
und der zu seiner Durchführung dienenden Einrichtungen beschrieben.
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Abb. r stellt das Beispiel einer Gesamteinrichtung im Längsschnitt
dar.
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In Abb. a und 3 sind ein Längs- und ein Querschnitt durch eine Kühltrommel
und in Abb. d, 5 und 8'Seitenansicliten bzw. ein Längsschnitt anderer Ausführungsbeispiele
von Kühltrommeln dargestellt.
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Abb.6 stellt den Längsschnitt einer Einrichtung zur Erzeugung von
Rohren o. dgl. dar, während Abb. 7 und 7 a verschiedene Querschnitte durch Metallkrusten
zeigen.
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Abb.9 ist schließlich ein Querschnitt durch die Trommel nach Abb.
B.
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In das in dem Behälter a enthaltene geschmolzene Metall d taucht die
mittels eines Schneckengetriebes q. angetriebene, auf der Welle u angeordnete wärmeaufnehmende
Trommel e teilweise ein. Durch die in der Welle zc vorgesehene mittlere Bohrung
wird ein wärmeabführendes Mittel, wie z. B. Wasserdampf, durchgeleitet. Die auf
der Oberfläche der Trommel e erstarrende Kruste 5 wird während der Drehbewegung
der Trommel von deren Oberfläche im Punkte 3 durch die Zugkraft der Walzen e1 und
f abgerissen, welche das Walzen der Kruste 5 einleiten.
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Die Kruste 5 gelangt darauf zwischen die weiteren Walzengruppen j,
die Polierwalzen lz und gegebenenfalls zu anderen Werkzeugen. Mjenn nötig, wird
die Kruste in der Kammer 1, womöglich unter Ausnutzung der Eigenwärme, ausgeglüht
und darauf in der Kammer in abgekühlt. Das Band 5 kann dabei auf seinem 'ganzen
Wege oder einem Teile desselben durch Anwendung einer neutralen oder reduzierenden
Atmosphäre vor Oxydierung geschützt werden.
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Die wärmeaufnehmenden Teile können gemäß Abb. 2, 3, 4., 5, 8 und 9
die Gestalt von Trommeln besitzen, die entweder aus einem Stück aus entsprechend
hitzebeständigem Werkstoff bestehen oder aus einem äußeren Mantel t und den Böden
o und w zusammengesetzt sind. Innerhalb der Trommeln können Leitungen angeordnet
sein, durch welche ein wärmeaufnehmendes Mittel, wie z. B. Dampf, Gas oder Flüssigkeit,
hindurchfließt oder in denen es verdampft. Dieses wärmeaufnehmende Mittel kann gegebenenfalls
auch das ganze innere des eintauchenden Körpers oder einen Teil davon, z. B. einen
Ringraum innerhalb des Mantels t (Abb, q.), einnehmen.
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Der in Abb.6 dargestellte wärineaufnehrnende Körper besitzt die Form
eines schwach kegelförmigen, in dem geschmolzenen Metall d senkrecht angeordneten
Zapfens g, welcher im Innern gekühlt wird. Die auf seiner Oberfläche erstarrende
rohrförmige Metallkruste wird vorteilhaft mittels nicht gleichmäßig wirkender, sondern
periodisch aussetzender Kraft nach oben gezogen. Das erzeugte Rohr oder Band kann
als solches verwendet oder aber unmittelbar in heißem Zustande oder erst nach dem
Erkalten weiterverarbeitet werden.
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Erfindungsgemäß können auch flüssige, gas- oder dampfförmige Mittel
zum Wärmeentzug verwendet werden, z. B. indem man einen Dampf-, Gas- oder Flüssigkeitsstrom
auf die Oberfläche der Schmelze richtet. Die erstarrende Kruste wird dann, wie vorher
beschrieben, der Schmelze fortlaufend entnommen.
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Wenn es erwünscht ist, eine Erstarrung des flüssigen Metalls d auf
den Oberflächen der Deckel o (Abb. 4) der Trommel zu vermeiden, so werden die letzteren
aus Isolierstoff hergestellt, durch welchen beim Eintauchen keine zur Erstarrung
einer bestimmten Metallmenge genügende Wärmemenge hindurchtreten kann. Die Böden
können auch die Form verhältnismäßig dünner Flanschen erhalten, welche bald nach
dem Eintauchen in das flüssige Metall d am Umfange auf eine der Schmelztemperatur
des flüssigen Metalls nahekommende Temperatur erhitzt werden. Der erwähnte Flansch
beschränkt dadurch die Breite des Bandes 5, da ja der auf dein Deckel o erstarrende
Metallteil nicht zusammen mit dem Bande 5 herausgezogen werden kann.
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In gewissen Fällen können zu demselben Zweck bestimmte Oberflächenteile
der Trommel oder des Bodens derselben bis auf eine Temperatur erwärmt werden, die
der Temperatur der Schmelze d nahekommt oder dieselbe übersteigt. Dies kann z. B.
durch Anordnung von Heizkörpern s (Abb. 2 und 5) innerhalb der Trommel und in der
Nähe des Mantels derselben bewirkt werden. Durch diese Heizkörper wird z. B. elektrischer
Strom durchgeleitet.
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Die erwähnten Maßnahmen werden auch getroffen, wenn es sich um die
Teilung des
Bandes in mehrere Stränge, Bänder, Drähte usw. handelt.
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Mit Hilfe stärkerer oder . schwächerer Isolierung oder Erhitzung von
Oberflächenteilen ist es, falls sie auf dem wärmeaufnehmenden Körper e richtig verteilt
werden, möglich, Bänder von in der Ouer- und Längsrichtung veränderlicher Dicke
zu erzielen. So wird z. B. mittels der in Abb. 2 dargestellten Trommel, deren Wärmeableitvermögen
auf der ganzen Länge gleich ist, ein Band von der gleichmäßigen Dicke x (Abb. 7)
erzeugt, wogegen die Trommel nach Abb. 5, in welcher die Heizkörpers bzw. s' ungleichmäßig
über die Länge verteilt sind, ein Band gemäß Abb. 7a liefert, dessen Dicke y an
denjenigen Stellen größer ist, wo mehr Wärme abgeleitet wird.
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Die Erstarrung des Metalls auf oder in der Nähe der Oberfläche von
Stoffen, die die Schmelzwärme aufzunehmen imstande sind, geht in der Weise vor sich,
daß das in unmittelbarer Nachbarschaft einer verhältnismäßig kühlen Oberfläche erstarrende
flüssige Metall plötzlich kleine Kristalle bildet, wobei die chemische Zusammensetzung
dieser ersten Schicht ungefähr dieselbe ist wie die mittlere chemische Zusammensetzung
der ganzen Masse des geschmolzenen Metalls.
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Später erfolgt der Wärmeübergang nach der Oberfläche des eintauchenden
Körpers hin langsamer, und es bilden sich dabei größere Metallkristalle, deren Achsen
zur wärmeaufnehmenden Oberfläche ungefähr rechtwinklig gerichtet sind. Diese größeren
Kristalle enthalten nun ein verhältnismäßig reines Metall, und alle Verunreinigungen,
wie nichtmetallische Beimengungen, Oxyde, Schlacken, Gase usw., werden nach dem
Inneren des geschmolzenen Metalls zurückgedrängt.
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Da nun die so gebildeten verhältnismäßig reinen Kristalle einen Teil
des Bandes bilden, welches nachher aus dem geschmolzenen Metall herausgezogen und
einer weiteren Verarbeitung durch Walzen usw. unterworfen wird, so erfolgt hieraus
die Möglichkeit einer hervorragenden Metallreinigung und Veredelung.
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Handelt es sich um die Erzeugung eines Formstückes aus besonders reinem
Metall, so kann die genannte erste Phase des plötzlichen. Erstamens des Metalls
zu kleinkristallischen Gefüge infolge Berührung mit der verhältnismäßig kühlen Oberfläche
des eintauchenden Körpers erfindungsgemäß dadurch vermieden werden, daß diese Oberfläche
in der Nähe des Bunktes i, in welchem sie mit dem flüssigen Metall d in Berührung
tritt, z: B. durch Gasbrenner n (Abb. i), auf eine Temperatur erhitzt wird, die
der Temperatur des geschmolzenen Metalls nahekommt oder dieselbe übersteigt. Diese
Vorwärmung braucht, um keine größeren Wärmeverluste hervorzurufen, gar nicht tief
zu sein, und die vorgewärmte Oberfläche fängt schon nach Zurücklegung eines verhältnismäßig
kurzen Weges in Berührung mit dem geschmolzenen Metall an, dem letzteren Wärme zu
entziehen. Jedoch beginnt die Kristallbildung hier gleich in der Form der beschriebenen
zweiten Phase, in welcher verhältnismäßig große reine Metallkristalle entstehen
und alle Verunreinigungen nach dem Inneren des geschmolzenen Metalls zurückgedrängt
werden.
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Das dem Behälter a entnommene Metall wird von außen durch Zugießen
ersetzt. Wird der Prozentsatz der Verunreinigungen zu hoch, so wird der ganze Inhalt
des Behälters a zwecks Raffinierung mittels der bekannten hüttenmännischen Verfahren
entleert.
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Wird keine große Reinheit des Metallbandes verlangt, dagegen eine
möglichste Verringerung der Herstellungskosten erstrebt, wie z. B. bei der Erzeugung
von Dachblech, bei welchem ein Werkstoff von der Zusammensetzung des gut gereinigten
geschmolzenen Metalls genügt, so kann die wärmeaufnehmende Trommel noch mehr vereinfacht
werden, indem die innere Kühlvorrichtung fortgelassen und die Trommel nur von außen
gekühlt wird, und zwar z. B. mittels eines nahe an der Oberfläche angeordneten gekühlten
Körpers z (Abb. 8 und 9). Diese Maßnahme ermöglicht die Erzeugung eines verhältnismäßig
dünnen und gleichmäßigen Bandes, welches nachher mit sehr wenigen Walzdurchgängen
in das Fertigerzeugnis verwandelt werden kann.
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Die Banddicke kann unter anderem auch durch Änderung der Drehgeschwindigkeit
der wärmeaufnehmenden Trommel oder - falls das Band an dem wärmeaufnehmenden Körper
mehr oder weniger entlang gleitet -durch Änderung der Berührungsdauer mit dem wärmeaufnehmenden
Körper und ferner durch eine Änderung der Stärke der Kühlung sowie schließlich durch
Änderung der Temperatur des geschmolzenen Metalls beliebig geregelt werden.
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Es ist also möglich, ein Band zu erzeugen, welches nur so dick ist,
daß das Fertigerzeugnis nach dem Walzen die gewünschten mechanischen, metallographischen
usw. Eigenschaften und unter anderem auch den gewünschten Walzgrad besitzt.
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Bei Metallen, deren Abkühlungstemperatur hoch ist, kann es angezeigt
sein, den Erstarru.ngsvorgang des Metallbandes unter dem Schutz neutraler oder reduzierender
Gase oder aber entsprechender Schlacken, geschinolzener
Salze usw.
erfolgen zu lassen, um ein Oxydieren der Bandoberfläche zu vermeiden. In solchen
Fällen kann die Öffnung, durch welche das erstarrte Band 5 zu den Walzen ei und
f tritt, z. B. mittels Walzen lz (Abb. i) gedichtet sein, um so den Zutritt
von atmosphärischer Luft zu der von dem Metallbehälter a und dem Deckel b gebildeten
Kammer zu erschweren oder aber um einen übermäßigen Verlust von Schutzgasen, z.
B. einem einen hohen Wasserstoffprozentsatz enthaltenden, unter Überdruck stehenden
Gase, zu verhindern.
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Die Oberfläche des wärmeaufnehmenden Körpers kann verschieden geformt
und mit Vertiefungen, Erhöhungen usw. versehen sein, wenn dadurch die endgültige
Formgebung des Erzeugnisses erleichtert wird.
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Es können im Behälter a auch zwei oder mehrere wärmeaufnehmende Körper
e angeordnet werden, und die erzielten Bänder können einzeln oder zusammen, d. h.
beliebig zu einem Band vereinigt, herausgezogen werden, z. B. in Abhängigkeit von
der Form des gewünschten Fertigerzeugnisses. Eine solche Vereinigung zweier oder
mehrerer Bänder zu einem Band oder mehreren Bändern kann entweder vor dem Austritt
der Bänder aus der Schmelze d oder aber über deren Oberfläche erfolgen.
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Es können z. B. zwei gleiche Trommeln e in paralleler Lage nebeneinander
angeordnet und in entgegengesetzten Richtungen so gedreht werden, daß sich die beiden
einander gegenüberliegenden Seiten aus dem Metall nach oben bewegen. Werden dann
beide par-, allelen nach oben bewegten Metallbänder gleichzeitig herausgezogen und
als ein Band weiterverarbeitet, so vereinigen sich beide zu einem Band an der Stelle,
wo zwischen den beiden emportauchenden Trommeloberflächen die kleinste Entfernung
besteht, die der Summe der beiden Banddicken gleich sein wird.
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Es können, jedoch auf diese Weise auch mehrere Bänder zusammengefaßt
werden, um beim Austritt aus der erwähnten, über dem Metallbehälter a gelegenen,
eine reduzierende Gasfüllung enthaltenden Kammer ein Band von größerer Dicke zu
ergeben. Das Verschweißen der Einzelbänder kann dabei entweder schon bei der gegenseitigen
Berührung oder aber bei der weiteren Verarbeitung, z. B. beim Walzen, erfolgen.
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Es kann auch ein schon fertiges Band aus demselben oder einem anderen
Metall durch das Schmelzbad hindurchgeführt werden, wobei eine bestimmte Menge flüssigen
Metalls unter Abgabe der Schmelzwärme an das Band auf der Oberfläche dieses Bandes
erstarrt. Man kann ein solches Band durch das geschmolzene Metall entweder allein
oder aber neben einem anderen wärmeaufnehmenden Körper, z. B. der beschriebenen
Trommel e, hindurchführen, wodurch im letzteren Falle die Menge des auf dem Bande
erstarrenden Metalls vergrößert wird. Auf diese Weise können Bänder und aus denselben
gewalzte Fertigerzeugnisse hergestellt werden, die im Inneren ein bestimmtes Metall,
an der Oberfläche jedoch ein anderes Metall aufweisen, wie z. B. ein mit Elektrolytkupfer
umgebener Stahldraht.
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Das gemäß'dem zuletzt beschriebenen Verfahren erzeugte Band kann nun
abgekühlt und dann nochmals oder mehrere Male durch das geschmolzene Metall oder
durch ein anderes geschmolzenes Metall hindurchgeführt werden, um so ein Band von
noch größerer Dicke zu erzielen.
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Zwecks Erleichterung des Arbeitsbeginns kann an die Stelle, an welcher
sich im laufenden Betriebe das erstarrte Band 5 (Abb. i) befindet, ein fertiges
Band aus demselben oder einem anderen, mehr hitzebeständigen Metall so eingelegt
werden, daß sein hinteres Ende ein wenig über den Punkt i hinausreicht, in welchem
die Erstarrung des Bandes 5 anfängt. Derselbe Zweck kann auch in der Weise erreicht
werden, daß die Trommel so angeordnet wird, daß sie aus dem geschmolzenen Metall
d leicht herausgenommen und bei Inbetriebsetzung der Einrichtung wieder in die Schmelze
eingebracht werden kann.
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Das sich von dem wärmeaufnehmenden Körper loslösende Metallband besitzt
gewöhnlich eine zur Oberfläche rechtwinklige Kristallachsenrichtung. Handelt es
sich darum, diese Richtung in eine zur Bandlänge mehr parallele Richtung zu ändern,
so kann dies durch Anwendung ungleicher Umfangsgeschwindigkeiten bei dem einen oder
mehreren Walzenpaaren e und f (Abb. i) erzielt werden. Es wird z.
B. im Vergleich zur Bandaustrittsgeschwindigkeit den unteren Walzen f eine um einige
Prozente kleinere und den oberen Walzen ei eine um einige Prozente größere Umfangsgeschwindigkeit
erteilt, wodurch die Kristallrichtung mehr der Bandrichtung entsprechend geneigt
wird.
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Da die diese Richtungsänderung hervorrufende Kraft dem Reibungswiderstand
zwischen der Walzenoberfläche und dem Bande entspricht, so werden die Walzen, falls
der Widerstand ungenügend ist, an der Oberfläche zweckmäßig gekerbt oder geriffelt.