DE69129096T2

DE69129096T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung thixotroper Metalllegierungen

Info

Publication number: DE69129096T2
Application number: DE69129096T
Authority: DE
Inventors: Yasuo Fujikawa; Masazumi Hirai; Manabu Kiuchi; Akihiko Nanba; Masato Noda; Ryuji Yamaguchi
Original assignee: Rheo-Technology Ltd
Current assignee: Rheo-Technology Ltd
Priority date: 1990-10-29
Filing date: 1991-04-26
Publication date: 1998-07-09
Anticipated expiration: 2011-04-27
Also published as: CA2041414A1; US5110547A; EP0483943A3; CA2041414C; DE69129096D1; KR920008424A; EP0483943B1; KR100209996B1; EP0483943A2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, mit dem eine halberstarrte Metallzusammensetzung stabil und kontinuierlich erzeugt wird, sowie eine dafür verwendete Vorrichtung.
Der hier verwendete Ausdruck "halberstarrte Metallzusammensetzung" bedeutet, dass schmelzflüssiges Metall (meist eine schmelzflüssige Legierung) unter Kühlen stark gerührt wird, woraufhin die in der flüssigen Matrix entstandenen Dendriten in kugelförmige oder granuläre Formen umgewandelt werden (die als nicht-dendritische primäre Feststoffteilchen bezeichnet werden), deren Dendritenäste im wesentlichen beseitigt oder reduziert sind, und die primären Feststoffteilchen dann in der flüssigen Matrix dispergiert werden.
Sobald die in der flüssigen Matrix dispergierten, nicht-dendritischen primären Feststoffteilchen fein werden, lässt sich die halberstarrte Metallzusammensetzung in den nachfolgenden Schritten, wie dem Gießen oder dergleichen, ausgezeichnet verarbeiten, und die Gussgegenstände sind außerordentlich hochwertig. Bei der Herstellung der halberstarrten Metallzusammensetzung müssen daher die beiden folgenden Voraussetzungen erfüllt sein:
(1) Starkes Rühren, damit die Dendriten in feine nichtdendritische primäre Feststoffteilchen gebrochen und aufgetrennt werden können, wobei die Dendritenäste beseitigt oder auf eine meist kugelförmige oder granuläre Gestalt gekürzt sind.
(2) Starkes Kühlen, damit die Kühlgeschwindigkeit so weit wie möglich erhöht werden kann.
Bei der Herstellung einer halberstarrten Metallzusammensetzung steigt jedoch die Viskosität mit dem Feststoffanteil. Die halberstarrte Metallzusammensetzung tritt daher nur mühsam kontinuierlich aus der Produktionsanlage. Die Entnahme wird letztlich unmöglich.
Die japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 56-20944 offenbart ein Verfahren zum kontinuierlichen Herstellen einer halberstarrten Metallzusammensetzung, wobei das schmelzflüssige Metall in einem zylindrischen Kühl/Rührgefäß gekühlt und mit einem Hochgeschwindigkeits-Rührwerk stark gerührt wird. Dadurch werden die in der übrigen flüssigen Matrix entstandenen Dendriten in nicht-dendritische primäre Feststoffteilchen umgewandelt, in denen die Dendritenäste beseitigt oder zu einer kugelförmigen oder granulären Gestalt verkürzt sind. Diese werden dann in der flüssigen Matrix dispergiert und bilden eine Aufschlämmung aus einer halberstarrten Metallzusammensetzung, die aus einem am Boden des Kühl/Rührgefäßes befindlichen Stutzen kontinuierlich abgelassen wird.
Bei diesem Verfahren wird schmelzflüssiges Metall in einen Zwischenraum eingespeist, der sich zwischen einem Hochgeschwindigkeits-Rührwerk mit vertikaler Drechachse und dem zylindrischen Kühl/Rührgefäß befindet, das koaxial um das Rührwerk angeordnet ist. Das schmelzflüsssige Metall wird durch gründliches Kühlen und starkes Rühren in dem Gefäß in einen halberstarrten Zustand gebracht. Anschließend wird es aus dem Stutzen als halberstarrte Metallzusammensetzung kontinuierlich abgelassen. Die Kühlgeschwindigkeit ist (im Falle einer Al-10% Cu-Legierung) bei diesem Verfahren leider auf nicht mehr als 2ºC/sec eingeschränkt, damit in dem Zwischenraum keine Verklumpung aufgrund der Bildung und des Wachstums eines Erstarrungsinantels auf der gekühlten Wandoberfläche auftritt. Wegen des wachsenden Erstarrungsmantels lässt sich außerdem die Rühr/Kühlgeschwindigkeit und die Austrittsgeschwindigkeit schwer einstellen.
Die Erfinder haben die vorstehende Technik untersucht und die folgenden Probleme hervorgehoben:
(i) Zur Steigerung der Rührwirkung wird am besten die Drehzahl des Rührwerks erhöht oder der Zwischenraum zwischen dem Kühl/Rührgefäß und dem Rührwerk verringert.
Wird die Drehzahl erhöht, löst sich die flussige Matrix durch Zentrifugalkraft stark vom Rührwerk ab. Dadurch wird leichter Gas eingeschlossen. Die Erhöhung der Drehzahl hängt auch von der Stabilität des Gerätes ab.
Bei einem kleinen Zwischenraum entsteht dagegen leicht ein Erstarrungsmantel und die Viskositätsbeständigkeit steigt. Der Zwischenraum darf somit zur praktischen Verwendung nicht klein sein.
(ii) Wird zur Erhöhung der Kühlgeschwindigkeit eine starke Kühlvorrichtung eingesetzt, entsteht auf der kühlen Wandfläche ein Erstarrungsmantel, der am Rührwerk haftet. Der Betrieb wird dadurch unmöglich.
(iii) Bei einer nicht-stetigen Wärmeübertragung, bspw. wenn die Wärme in einem Anfangsschritt oder dergleichen übertragen wird, lässt sich die Temperatur schwer einstellen. Daher haftet der Erstarrungsmantel aufgrund übermäßigen Kühlens am Rührwerk. Es ist daher schwierig, den Betrieb stabil zu beginnen.
(iv) Tritt die halberstarrte Metallzusammensetzung unter der Einwirkung der Schwerkraft aus, ist diese die einzige Kraft, mit der die halberstarrte Metallzusammensetzung durch den Zwischenraum zwischen dem Kühl/Rührgefäß und dem Rührwerk befördert wird. Folglich ist die Entnahme unmöglich, wenn der Feststoffanteil in der halberstarrten Metallzusammensetzung zur Erhöhung ihrer Viskosität vergrößert wird.
Die erfindungsgemäßen Ausführungsformen lösen die vorgenannten Probleme der herkömmlichen Technik.
Die Erfinder machten verschiedene Untersuchungen und berücksichtigten dabei die nachstehenden wichtigen Bedingungen:
(1) Die Rührwirkung ist vergrößert;
(2) Die Kühlgeschwindigkeit ist vergrößert;
(3) Eine homogene halberstarrte Metallzusammensetzung tritt kontinuierlich und leicht aus, ohne Gas und dergleichen einzufangen.
Die Rührwirkung ist gewöhnlich proportional zur Drehzahl des rotierenden Rührwerks. Wird der Durchmesser des Rührwerks vergrößert oder der Zwischenraum zwischen Rührwerk und der kühlen Wandfläche verkleinert, lässt sich auch ohne Hochgeschwindigkeitsrotation eine ausreichende Rührwirkung erzielen. Man hat außerdem festgestellt, dass sich der Zwischenraum zwischen dem Rührwerk und der kühlen Wandfläche gemäß herkömmlicher Technik nicht während des Betriebs einstellen lässt. Die halberstarrte Metallzusammensetzung tritt zudem nur unter der Einwirkung der Schwerkraft aus. Die Drehachse des Rührwerks steht bei der herkömmlichen Technik außerdem vertikal.
Im Stand der Technik offenbart JP-A-60-15047 eine Gießvorrichtung zur kontinuierlichen Erzeugung einer Gussplatte aus Metall. In dieser Vorrichtung wird schmelzflüssiges Metall in den Zwischenraum zwischen einem rotierenden Zylinder mit horizontaler Drehachse und einem Basisteil, der sich neben dem Zylinder befindet und um seine Aussenseite verläuft, gegossen.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft die Bereitstellung eines Verfahrens zur Erzeugung einer halberstarrten Metallzusammensetzung, umfassend:
das kontinuierliche Einspeisen von schmelzflüssigem Metall in einen Zwischenraum, der sich zwischen einem rotierenden Rührwerk mit zylindrischer Trommel und einem um die Außenfläche der zylindrischen Trommel verlaufenden Wandelement mit konkaver Oberfläche befindet,
das Abkühlen des schmelzflüssigen Metalls, so dass in der flüssigen Matrix des schmelzflüssigen Metalls Dendriten entstehen, die durch die Scherkraft - erzeugt von der Drehung des Rührwerks - gebrochen werden, und dadurch eine halberstarrte Metallzusammensetzung entsteht, bei der feine nicht-dendritische primäre Feststoffteilchen in einer flüssigen Matrix suspendiert sind, und
das kontinuierliche Ablassen der halberstarrten Metallzusammensetzung aus einem unteren Teil des Zwischenraumes,
dadurch gekennzeichnet, dass die gegenüber dem Wandelement bewegliche zylindrische Trommel um eine horizontale Drehachse gedreht wird.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer halberstarrten Metallzusammensetzung, umfassend:
ein drehbares Rührwerk mit einer zylindrischen Trommel; und
ein Wandelement mit einer konkaven Oberfläche, das um die Außenfläche der Trommel verläuft und zwischen sich und dem Außenrand der Trommel einen Zwischenraum abgrenzt, in den das schmelzflüssige Metall eindringt,
dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrische Trommel eine horizontale Drehachse hat und sich gegenüber dem Wandelement bewegen lässt, wodurch die Größe des Zwischenraumes eingestellt wird.
Die Erfindung wird zum besseren Verständnis anhand der beiligenden Zeichnungen beispielhaft erklärt, in denen ihre Verwirklichung gezeigt ist. Es zeigt:
Fig. 1 ein Schaubild, in dem die Beziehung zwischen dem Feststoffanteil einer halberstarrten Metallzusammensetzung und der Scheinviskosität veranschaulicht ist;
Fig. 2a eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 2b eine Vorderansicht der in Fig. 2a gezeigten Vorrichtung;
Fig. 3 eine schematische Vergrößerung eines Kühl/Rühr- Abschnittes der in Fig. 2a gezeigten Vorrichtung;
Fig. 4 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 5 einen schematischen Längsschnitt einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 6 einen schematischen Querschnitt eines Verschlussabschnittes der in Fig. 5 gezeigten Vorrichtung;
Fig. 7 einen vergrößerten schematischen Querschnitt eines Austrittsabschnitts der in Fig. 5 gezeigten Vorrichtung;
Fig. 8 eine schematische Ansicht einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 9 eine schematische Ansicht einer fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 10 ein Schaubild, das die Beziehung zwischen Belastungs-Drehmoment, Austrittsgeschwindigkeit und Zeit veranschaulicht, wenn der Zwischenraum bei Betrieb der Vorrichtung der ersten Ausführungsform eingestellt werden kann bzw. nicht; und
Fig. 11 ein Schaubild, das die Beziehung zwischen Erstarrungsgeschwindigkeit, Schergeschwindigkeit, Austrittsgeschwindigkeit, und Feststoffanteil gegen die Zeit in der Vorrichtung der zweiten Ausführungsform veranschaulicht.
Die Drehachse des rotierenden Rührwerks mit zylindrischer Trommel ist erfindungsgemäß horizontal, so dass der Durchmesser des Rührwerks groß sein kann, und die Rührwirkung ohne übermäßige Erhöhung der Rührwerksdrehzahl stark ist. Wird das Rührwerk mit einer Wasserkühlung versehen, ist der Bereich zum Kühlen des schmelzflüssigen Metalls größer, so dass schnelles Kühlen erfolgt. Daher lassen sich ausreichende Kühl- und Rührwirkungen erzielen. Bei bestimmten Ausführungsformen lässt sich der Zwischenraum zum Entlassen der halberstarrten Metallzusammensetzung optimal einstellen.
Die zum Entlassen der halberstarrten Metallzusammensetzung aus der Vorrichtung erforderliche Kraft ist die Summe aus Schwerkraft und der auf der Drehung des Rührwerks beruhenden Kraft, so dass eine halberstarrte Metallzusammensetzung mit höherem Feststoffanteil und höherer Viskosität entlassen werden kann. Der Betrieb beginnt daher einfach, und Schwierigkeiten, bspw. das Verstopfen des Zwischenraumes mit halberstarrter Metallzusammensetzung und dergleichen, lassen sich vermeiden. Der Betrieb erfolgt daher stabil und kontinuierlich.
Soll anschließend die halberstarrte Metallzusammensetzung in eine Doppelwalzen-Gießmaschine oder dergleichen eingespeist werden, ist es gemäß herkömmlicher Technik sehr schwierig, die halberstarrte Metallzusammensetzung gleichmäßig zwischen den Walzen zu verteilen. Die halberstarrte Metallzusammesetzung befindet sich erfindungsgemäß jedoch gleichmäßig in Längsrichtung des Rührwerks, so dass sich das Gießen in einer Doppelwalzen Gießmaschine leicht durchführen lässt.
Die Qualität der halberstarrten Metallzusammensetzung, wie Kristallteilchengröße und dergleichen, wird bei ihrer Herstellung bekanntlich stark beeinflusst von der Kühlgeschwindigkeit oder eines steigenden Feststoffanteils pro Zeiteinheit im Fest-Flüssig-Koexistenz-Zustand (nachstehend als Erstarrungsgeschwindigkeit bezeichnet), dem Mittelwert der Geschwindigkeitsänderung pro Einheitsabstand der Flüssigkeit je nach der Rührgeschwindigkeit (nachstehend als Scherverformungs-Geschwindigkeit bezeichnet), dem Feststoffanteil und dergleichen.
Zur kontinuierlichen und stabilen Entnahme einer schwerfließenden halberstarrten Metallzusammensetzung aus der Vorrichtung ist der Querschnitt der Auslassöffnung vorzugsweise festgelegt. Bei einer Vorrichtung zur Herstellung einer halberstarrten Metallzusammensetzung, umfassend eine zylindrische Trommel mit horizontaler Drehachse und ein festes Wandelement, wird vorzugsweise die Bildung und das Wachstum eines Erstarrungsmantels im Kühl/Rühr-Bereich verhindert und die Kühlgeschwindigkeit, die Erstarrungsgeschwindigkeit, die Schergeschwindigkeit, der Feststoffanteil und die Austrittsgeschwindigkeit stabilisiert, damit sich eine halberstarrte Metallzusammensetzung der gewünschten Qualität über eine lange Zeitspanne kontinuierlich und stabil herstellen lässt.
Die Erfinder haben die verschiedenen Faktoren, die die Kristallteilchengröße, den Feststoffanteil und die Austrittsgeschwindigkeit einer wünschenswerten halberstarrten Metallzusammensetzung beeinflussen, weiter untersucht.
Gewöhnlich wird die Scheinviskosität als Maß für die Fluidität (η) in der halberstarrten Metallzusammensetzung stark beeinflusst vom Suspensionsgrad oder dem Feststoffanteil (fs) in der flüssigen Matrix sowie von der Erstarrungsgeschwindigkeit und der Schergeschwindigkeit bei der Herstellung der halberstarrten Metallzusammensetzung, s. Fig. 1. Die Viskosität steigt daher mit höherem Feststoffanteil. Der Feststoffanteil hat jedoch eine Obergrenze, bei der die halberstarrte Metallzusammensetzung nicht mehr flüssig ist. Die Obergrenze des Festoffanteils liegt bekanntlich niedriger, wenn die Erstarrungsgeschwindigkeit steigt oder die Schergeschwindigkeit sinkt. Somit wird der Feststoffanteil oder die Viskosität, bei der die halberstarrte Metallzusammensetzung abgelassen werden kann, von der Erstarrungsgeschwindigkeit, der Schergeschwindigkeit, der Austrittsgeschwindigkeit und der Gestalt der Austrittsöffnung in der Vorrichtung bestimmt, so dass eine halberstarrte Metallzusammensetzung mit einem Feststoffanteil über der Obergrenze des Feststoffanteils oder der Viskosität nicht austreten kann. Die Erfinder haben in vielen Experimenten unter verschiedenen Erstarrungsgeschwindigkeiten, Rühr- und Auslassbedingungen eine Aufschlämmung einer halberstarrten Metallzusammensetzung hergestellt, deren Feststoffanteil oder Viskosität, bei der die halberstarrte Metallzusammensetzung bei einer festgelegten Erstarrungsgeschwindigkeit über eine lange Zeitspanne stabil und kontinuierlich abgelassen werden kann, größer ist. Sie haben ebenfalls die Beziehung zwischen Kühlbedingungen und Feststoffanteil beim Kühlen/Rühren der halberstarrten Metallzusammensetzung und die Beziehung zwischen der Bildung des Erstarrungsmantels auf der kühlen Wandfläche und der Erstarrungs- und Austrittsgeschwindigkeit untersucht. Die vorstehenden Probleme lassen sich durch sorgfältige Auswahl der Kühlart im Kühl/Rühr-Abschnitt vorteilhaft lösen, wodurch ein stabiler Austrittsvorgang gewährleistet ist, und durch Verwendung eines Abschabelementes, mit dem ein auf der kühlen Wandfläche entstandener Erstarrungsmantel beseitigt werden kann.
Nach den bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsformen erfolgt das Kühlen, indem Kühlwasser durch das Innere des Wandelementes und/oder des Rührwerks geleitet wird. Ein auf der Außenfläche der Trommel entstandener Erstarrungsmantel wird mit einem Abschabelement abgeschabt, das sich an der Austrittsöffnung befindet, die dem kontinuierlichen Ablassen der halberstarrten Metallzusammensetzung aus dem unteren Teil des Zwischenraumes dient.
Eine stabile Entnahme ist weiter gegeben, wenn sich vorzugsweise unter dem Zwischenraum ein Mechanismus befindet, mit dem sich Form und Größe des Querschnitts der Austrittsöffnung variieren lassen, d.h. ein Schieber. Auf diese Weise lässt sich die halberstarrte Metallzusammenstzung über dem Schieber halten und die Austrittsgeschwindigkeit und die Form der Austrittsöffnung einstellen.
Außerdem kann sich am unteren Ende des Wandelementes unter dem Zwischenraum eine wassergekühlte rotierende Walze befinden, die zusammen mit dem Rührwerk angetrieben wird. Die entstandene und im unteren Abschnitt des Zwischenraums aufgefangene halberstarrte Metallzusammensetzung tritt kontinuierlich über die wassergekühlte rotierende Walze, wobei das Metall weiter abkühlt und zu einem Blechprodukt erstarrt.
Da die wassergekühlte rotierende Walze die halberstarrte Metallzusammensetzung stark kühlen und erhärten kann, besteht sie vorzugsweise aus einem Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit, das zu einer starken Kühlung fähig ist.
Wird zudem die halberstarrte Metallzusammensetzung aus dem unteren Teil des Zwischenraumes kontinuierlich entlassen, konnen ihre Austrittseigenschaften stark von der Struktur des Austrittsabschnittes abhängen. Es treten insbesondere folgende Probleme auf:
(1) Wird der Fluss der halberstarrten Metallzusammensetzung am Austrittsabschnitt aus der Drehrichtung des Rührwerks in eine Richtung senkrecht dazu umgelenkt, reichert sich die Zusammensetzung bei einem großen Feststoffanteil am Austrittsabschnitt an und verstopft schließlich die Austrittsöffnung.
(2) Selbst wenn die halberstarrte Metallzusammensetzung erfolgreich austritt, entweicht sie aus der Austrittsöffnung in aggregiertem oder gestreutem Zustand, was den Einschluss von Luft oder Gas verursacht. Dies wird für die Beförderung in die nachfolgenden Verarbeitungsschritte und die Qualität des Endproduktes problematisch.
Diese Probleme werden bewältigt, indem die halberstarrte Metallzusammensetzung gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform aus der Austrittsöffnung in einer zur Außenfläche der zylindrischen Trommel tangentialen Richtung auf ein Förderband oder eine Förderraupe entlassen wird, und so kontinuierlich in die nachfolgenden Verarbeitungsschritte eingespeist wird. Die tangentiale Richtung verläuft wünschenswerterweise horizontal, so dass die Konstruktion billiger und die Vorrichtung kleiner wird. Die Austrittsgeschwindigkeit lässt sich außerdem durch Einstellen der Geschwindigkeit des Förderbandes oder der Förderraupe regulieren.
Anhand der Figuren 2a und 2b lässt sich eine erste Ausführungsform des/der erfindungsgemäßen Verfahrens und Vorrichtung beschreiben.
Die dargestellte Vorrichtung enthält ein rotierendes Rührwerk 1, umfassend eine zylindrische Trommel mit horizontaler Drehachse, einen Wasser-Kühlmantel 2 mit einer Kühlwand 2a, eine hitzebeständige Platte 3 und eine hitzebeständige Seitenplatte 4, die einen Speicher für schmelzflüssiges Metall darstellen, hitzebeständige Platten 5a und 5b, die einen Austrittsabschnitt darstellen, einen Antrieb 6, mit dem sich der Zwischenraum zwischen der Kühlwand 2a und dem rotierenden Rührwerk 1 einstellen lässt, und einen Antrieb 7 zum Drehen von Rührwerk 1.
Das Rührwerk 1 wird mit Antrieb 7 gedreht, so dass die in der übrigen flüssigen Matrix erzeugten Dendriten aufgrund der Rührwirkung auf das schmelzflüssige Metall unter Kühlbedingungen in feine nicht-dendritische primäre Feststoffteilchen gebrochen werden, die in der entstandenen halberstarrten Metallzusammensetzung gleichmäßig dispergiert sind. Der Durchmesser von Rührwerk 1 wird bestimmt von der Menge an in die Vorrichtung einzuspeisender halberstarrter Metallzusammensetzung und der Kühlleistung der Vorrichtung. Die Kühlgeschwindigkeit wird gewöhnlich reguliert, wenn die Außenfläche des Rührwerks mit einem hitzebeständigen Material beschichtet ist. Soll jedoch die Kühlgeschwindigkeit der halberstarrten Metallzusammensetzung erhöht werden, besteht das Rührwerk 1 aus Metall und kann gekühlt werden, indem Kühlwasser durchgeleitet wird.
Im Wasser-Kühlmantel 2 mit der Kühlwand 2a erfolgt eine verstärkte Kühlung, indem Kühlwasser 11 durch das Innere des Mantels 2 geleitet wird, wodurch das schmelzflüssige Metall direkt auf eine Halberstarrungstemperatur gekühlt wird. Der Mantel 2 ist außerdem mit einem Hydraulikantrieb 6 verbunden, mit dem sich die Kühlwand 2a zum Rührwerk 1 in radialer Richtung bewegen und der Zwischenraum zwischen dem rotierenden Rührwerk 1 und der Kühlwand 2a einstellen lässt.
Die über dem Wasser-Kühlmantel 2 befindliche hitzebeständige Platte 3 stellt einen Speicher für schmelzflüssiges Metall dar, mit dem sich eine Mengenänderung des zu giessenden schmelzflüssigen Metalls 8 ausgleichen lässt. Die hitzebeständige Seitenplatte 4 verhindert, dass schmelzflüssiges Metall austritt und schließt die Seitenfläche des Mantels 2. Die Platte 4 hat einen geringen Abstand zur Seitenfläche des rotierenden Rührwerks 1 und kann daher darübergleiten.
Der Austrittsabschnitt der Vorrichtung besteht aus einer hitzebeständigen Vorder- und Rückplatte 5a und 5b, die in Längsrichtung des Rührwerks 1 verlaufen. Die entstandene halberstarrte Metallzusammensetzung 10 wird aus dem Austrittsabschnitt gleichmäßig in Längsrichtung des Rührwerks 1 entlassen.
Bei Betrieb wird das schmelzflüssige Metall mit einer Gießpfanne durch einen Ausguss-Stutzen in den Zwischenraum zwischen dem rotierenden Rührwerk 1 und der Kühlwand 2a gespeist. Das vorgelegte schmelzflüssige Metall wird mit der Kühlwand 2a gekühlt und unterliegt gleichzeitig einer vom rotierenden Rührwerk 1 erzeugten starken Scherkraft. In diesem Fall dreht sich das Rührwerk 1 und begünstigt den Fluss der entstandenen halberstarrten Metallzusammensetzung (in Fig. 2a als Pfeil A dargestellt), was zusammen mit der Schwerkraft als Austrittskraft auf die halberstarrte Metallzusammensetzung wirkt. Eine hochviskose halberstarrte Metallzusammensetzung lässt sich so leicht und einheitlich aus dem Austrittsabschnitt entnehmen.
Das Rührwerk dreht sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit. Daher wird das auf dem Rührwerk 1 lastende Drehmoment mit einem Drehmoment-Messgerät gemessen. Je nach Messwert wird der Hydraulikantrieb 6 in Gang gesetzt. Dieser bewegt den Wasser-Kühlmantel zum rotierenden Rührwerk, wodurch der Zwischenraum zwischen der Kühlwand 2a und dem Rührwerk 1 für die Einspeisung der halberstarrten Metallzusammensetzung optimal eingestellt wird. Demnach kann eine halberstarrte Metallzusammensetzung mit konstanter Viskosität entlassen werden, die nicht aufgrund großer Schwankungen der Kühlbedingungen im Inneren der Vorrichtung verklumpt.
Das im Kühl/Rühr-Bereich, definiert durch die Kühlwand 2a und das Rührwerk 1, auftretende Verhalten wird anhand der Fig. 3 näher beschrieben.
Die Kühlwand 2a des Wasser-Kühlmantels 2 besteht aus einer Kupferplatte, mit der die Kühlgeschwindigkeit so weit wie möglich erhöht wird. Durch das Innere des Mantels 2 wird Kühlwasser mit hoher Geschwindigkeit geleitet, so dass sich eine rasche Kühlung erzielen lässt. Das in den Zwischenraum zwischen der Kühlwand 2a und dem Rührwerk 1 eingespeiste schmelzflüssige Metall 8 wird durch direkten Kontakt mit der Kühlwand 2a stark gekühlt, auf der ein Erstarrungsmantel 9 entsteht, dessen Dicke d vom Gleichgewicht zwischen der Kühlleistung und der Rührwirkung abhängt und bei Betrieb stark schwankt. Der Erstarrungsmantel ist bei Betriebsbeginn dicker.
Die von der Drehung des Rührwerks 1 hervorgerufene Rührwirkung ist proportional zur Umfangsgeschwindigkeit des rotierenden Rührwerks und umgekehrt proportional zum Zwischenraum. Die Rührwirkung wird gewöhnlich als Faktor der Schergeschwindigkeit dargestellt.
Die Rührgeschwindigkeit des Rührwerks ist hinsichtlich des Gaseinschlusses aufgrund der Zentrifugalkraft und der Stabilität der Vorrichtung wichtig. Eine Umfangsgeschwindigkeit nicht unter 10 m/sec ist gewöhnlich problematisch, und eine schnellere Drehung wird aus Sicherheitsgründen nicht angestrebt. Für eine ausreichende Rührwirkung wird zweckmäßigerweise ein geeigneter Zwischenraum für das schmelzflüssige Metall gelassen (entsprechend einem Wert, der erhältlich ist durch Subtraktion der Dicke (d) des Erstarrungsmantels vom Zwischenraum (c) der Vorrichtung in Fig. 3).
Entsteht durch starkes Kühlen ein Erstarrungmantel 9 mit der Dicke (d), ist der tatsächlich wirksame Zwischenraum schmal (c-d) gegenüber dem Zwischenraum (c) der Vorrichtung. Da dieser wahre Zwischenraum sehr instabil ist, wenn er zu schmal ist, steigt die Viskosität der halberstarrten Metallzusammensetzung und verursacht ein übermäßiges Drehmoment im Rührwerk. Daher besteht die Gefahr, dass die halberstarrte Metallzusammensetzung am Rührwerk haftet. Dementsprechend ist die Rührwirkung der herkömmlichen Technik nicht ausreichend, da der Zwischenraum (c) aus Gründen der Bausicherheit groß angelegt wurde. Der Wasser- Kühlmantel 2 kann dagegen erfindungsgemäß zur Einstellung des Zwischenraums (c) zum Rührwerk 1 bewegt werden, so dass sich eine ausreichende Rührwirkung bereitstellen lässt.
Die Fig. 4 veranschaulicht eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform Hierin steht die Bezugszahl:
1 für ein rotierendes Rührwerk mit einer zylindrischen Trommel, 12 für ein bewegliches Wandelement aus hitzebeständigem Material, 3 für eine hitzebeständige Platte, die einen Speicher für schmelzflüssiges Metall darstellt, 4 für eine hitzebeständige Seitenplatte, die eine Seitenwand des Speichers darstellt, 5 für eine hitzebeständige Platte, die zusammen mit dem unteren Teil des Wandelementes 12 eine Austrittsöffnung 13 darstellt, 6 für einen Antrieb, mit dem die Stellung des Wandelementes 12 eingestellt wird, 8 für schmelzflüssiges Metall, 9 für einen Erstarrungsmantel, 10 für eine halberstarrte Metallzusammensetzung, 11 für ein Kühlwassersystem, 14 für ein Heizgerät zum Erhitzen des Wandelementes 12, 15 für eine Gießpfanne, 16 für einen Ausguss-Stutzen, 17 für Formungswalzen, 18 für ein Abschabelement, 19 für einen Antrieb zur Einstellung der Position des Abschabelementes 18 und 20 für einen Streifen aus halberstarrter Metallzusammensetzung 10.
Bei der veranschaulichten Ausführungsform hat das Wandelement 12 eine um die Außenfläche der zylindrischen Trommel verlaufende konkave Fläche wie das Rührwerk 1, und dient als adiabatische Wand.
Die Temperatur der halberstarrten Metallzusammensetzung wird mit einem an der Auslassöffnung 13 befindlichen Thermometer (nicht gezeigt) gemessen, damit man den Zwischenraum zwischen dem Wandelement und dem Rührwerk entsprechend der Fluidität der halberstarrten Metallzusammensetzung, wie zuvor in Fig. 1 erwähnt, vergrößern kann. Anhand eines Gleichgewichts-Phasendiagramms wird aus der Temperatur der Feststoffanteil der austretenden halberstarrten Metallzusammensetzung berechnet. Das Belastungsdrehmoment des Rührwerks wird gleichzeitig mit einem Drehmoment-Messgerät (nicht gezeigt) gemessen. Die Drehgeschwindigkeit der Formungswalze 17 oder die Austritt sgeschwindigkeit der halberstarrten Metallzusammensetzung wird mit einer Messdose (nicht gezeigt) gemessen, die am Empfänger für die halberstarrte Metallzusammensetzung befestigt ist. Ausgehend von den Messwerten des Feststoffanteils, des Belastungsdrehmomentes und der Austrittsgeschwindigkeit, wird das Wandelement radial zum Rührwerk verschoben und somit der Zwischenraum zwischen dem Wandelement und dem Rührwerk eingestellt. Die Öffnungsweite am Austrittsabschnitt reicht dann aus, dass der festgelegte Feststoffanteil und die Austrittsgeschwindigkeit bereitgestellt werden. Somit kann eine halberstarrte Metallzusammensetzung mit einem bestimmten Feststoffanteil kontinuierlich und stabil bei einer bestimmten Austrittsgeschwindigkeit abgelassen werden.
In der veranschaulichten Ausführungsform umfasst das Rührwerk 1 eine zylindrische Trommel mit horizontaler Drehachse. Die ein Kühlwassersystem 11 enthaltende Trommel wird über einen mit ihrer Drehachse verbundenen Antrieb (nicht gezeigt) betrieben. Dadurch wird das schmelzflüssige Metall unter Kühlbedingungen gerührt, und es entsteht eine halberstarrte Metallzusammensetzung, in der feine nichtdendritische primäre Feststoffteilchen gleichmäßig dispergiert sind.
An der Auslassöffnung 13 werden Erstarrungsmäntel oder halberstarrte Mäntel 9, die an der Außenfläche des rotierenden Rührwerks 1 haften, mit einem Abschabelement 18 aus hitzebeständigem Werkzeugstahl oder dergleichen abgeschabt, so dass sich die halberstarrte Metallzusammensetzung gut vom Rührwerk 1 trennen und daraus entnehmen lässt.
Das durch den Ausguss-Stutzen 15 der Giesspfanne 16 beförderte schmelzflüssige Metall 8 wird in einen Zwischenraum zwischen dem Rührwerk 1 und dem Wandelement 12 gespeist, wo es vom Wasserkühlsystem 11 im Rührwerk 1 gekühlt und gleichzeitig einer starken Scherkraft durch das Rührwerk 1 unterworfen wird. Es entsteht dabei eine Aufschlämmung der halberstarrten Metallzusammensetzung 10, in der feine nicht-dendritische primäre Feststoffteilchen suspendiert sind.
Beim Ablassen der halberstarrten Metallzusammensetzung 10 aus der Vorrichtung, wird der Zwischenraum zwischen dem Rührwerk 1 und dem Wandelement 12 auf einen optimalen Wert eingestellt, indem das Wandelement 12 wie oben beschrieben radial zum Rührwerk 1 bewegt wird, wodurch sich ein Verklumpen in der Vorrichtung vermeiden lässt.
Mit einem Heizgerät 14, das sich vorzugsweise im Wandelement 12 befindet, wird die adiabatische Wirkung erhöht, so dass der Feststoffanteil der austretenden halberstarrten Metallzusammensetzung auf einen vorgegebenen Wert eingestellt werden kann.
Der Antrieb 19, mit dem das Abschabelement 18 zum Rührwerk 1 verschoben wird, ist zudem wünschenswerterweise mit dem Abschabelement 18 verbunden, so dass ein Teil des Erstarrungsmantels 9 an der Aussenfläche des Rührwerks 1 haften bleibt und die Oberfläche des Rührwerks 1, die das schmelzflüssige Metall 8 berührt, geschützt ist. In diesem Fall wird das Rührwerk 1 gedreht, wodurch die halberstarrte Metallzusammensetzung 10 leichter abgelassen werden kann. Gleichzeitig wird der an der Aussenfläche des Rührwerks 1 haftende Erstarrungsmantel und die halberstarrte Metallzusammensetzung mit dem Abschabelement 18 abgeschält, damit die Oberfläche des Rührwerks 1 und somit der Querschnitt der Austrittsöffnung 13 auf gleicher Höhe bleiben. Die Kühlbedingungen und die Austrittsgeschwindigkeit sind somit einheitlich und es lässt sich daher eine höherviskose halberstarrte Metallzusammensetzung kontinuierlich und stabil entlassen.
Das Abschabelement 18 ist vorzugsweise nicht mehr als 2 mm von der Außenfläche der Trommel entfernt, so dass ein Teil des Erstarrungsmantels auf der Außenfläche des Rührwerks 1 als Beschichtung verbleibt. Die Lebensdauer des Rührwerks 1 lässt sich auf diese Weise verlängern, indem eine Beschädigung des Rührwerks aufgrund einer Reaktion mit schmelzflüssigem oder halberstarrtem Metall oder dergleichen verhindert wird.
Anhand der Figuren 5-7 wird eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt.
Die Vorrichtung umfasst ein rotierendes Rührwerk 1 mit einer zylindrischen Trommel, die eine horizontale Drehachse hat und mit einem Kühlwassersystem 11 und einem mit einem hitzebeständigen Material 21a beschichteten Wandelement 21 ausgestattet ist. Sie wölbt sich konkav um die Außenfläche des Rührwerks 1, und hat eine wassergekühlte Walze 22 mit einer zur Drehachse des Rührwerks 1 parallelen Drehachse, einen Schaber 23 und eine hitzebeständige Seitenplatte 4, die an ihrer Außenfläche mit einem Steckverschluss-Element 4a befestigt ist.
Das rotierende Rührwerk 1 wird hergestellt, indem eine Keramik-Manschette 1b auf einem Walzenkörper 1a angebracht wird, oder indem der Walzenkörper 1a mit dem Keramikmaterial 1b beschichtet wird. Das Rührwerk 1 lässt sich kühlen, indem man Kühlwasser 11 hindurchleitet. Mit einem Heizelement 24, wie einem Gasbrenner oder dergleichen, kann es erhitzt werden. Die Oberflächentemperatur der Trommel wird außerdem mit einer Temperaturmessvorrichtung 25 gemessen. Dadurch wird die dem Rührwerk zugeführte Wärme reguliert, so dass eine vorgegebene Oberflächentemperatur gehalten und die Kühlleistung der Vorrichtung gesteuert wird.
Ein Zwischenraum wird vom rotierenden Rührwerk 1, dem Wandelement 21 und der hitzebeständigen Seitenplatte 4 begrenzt. Das Wandelement 21 ist mit einem hitzebeständigen Material oder einer Keramik 21a beschichtet, so dass das schmelzflüssige Metall 8 nicht zu stark abkühlen kann. Es lässt sich mit einem Heizelement (nicht gezeigt) vorwärmen.
Das Steckverschluss-Element 4a wird auf der Seitenfläche des Wandelementes 21 und der hitzebeständigen Seitenplatte 4 mit einer Feder oder dergleichen festgehalten, und ist gleitend an der Seitenfläche des Rührwerks 1 befestigt, so dass das schmelzflüssige Metall 8 darin eingeschlossen ist. Das Wandelement 21 lässt sich vorzugsweise mit einem Gewinde, einem Hydraulikzylinder oder dergleichen bewegen, so dass sich der Zwischenraum zwischen dem Rührwerk und dem Wandelement verstellen lässt.
Am unteren Ende des Austrittsabschnittes des Wandelementes 21 befindet sich eine wassergekühlte rotierende Walze 22, die in das Wandelement integriert und zum rotierenden Rührwerk 1 beabstandet ist. Die Walze 22 wird zum Entlassen der halberstarrten Metallzusammensetzung in die mit Pfeil B angegebene Richtung gedreht (die Drehrichtung des Rührwerks 1 wird mit Pfeil A angezeigt). Die Walze 22 wird mit demselben Antrieb wie das Rührwerk 1 oder einem anderen Antrieb (nicht gezeigt) mit einer kleineren Umfangsgeschwindigkeit als die des Rührwerks 1 betrieben.
Die wassergekühlte Walze 22 kühlt die mit ihrer Oberfläche in Kontakt geratende halberstarrte Metallzusammensetzung stark ab, so dass die Zusammensetzung zu einem Bandblech härtet Die Walze 22 kann aus einem stark wärmeleitenden Metall, wie Cu oder dergleichen, bestehen. Starkes Kühlen kann mit dem im Inneren der Walze 22 beförderten Kühlwasser erfolgen.
Mit der Vorrichtung der Figuren 5-7 wird wie folgt eine halberstarrte Metallzusammensetzung hergestellt.
Zunächst wird schmelzflüssiges Metall 8 kontinuierlich aus dem oberen Abschnitt der Vorrichtung in den Zwischenraum zwischen dem Rührwerk 1 und dem Wandelement 21 gespeist. Das schmelzflüssige Metall 8 wird mit dem Rührwerk 1 unter geeigneten Kühlbedingungen stark gerührt, so dass eine halberstarrte Metallzusammensetzung 10 entsteht, in der feine nicht-dendritische primäre Feststoffteilchen dispergiert sind. Die halberstarrte Metallzusammensetzung 10 wird in Austrittsrichtung befördert, wobei der Feststoffanteil durch die Drehung des Rührwerks 1 steigt. Dadurch wird eine halberstarrte Metallzusammensetzung erhalten, die am Austrittsabschnitt der Vorrichtung einen bestimmten Feststoffanteil hat. Die halberstarrte Metallzusammensetzung 10 wird durch Kontakt mit der zum Rührwerk 1 gleichlaufenden wassergekühlten Walze 22 stark gekühlt, und danach in Bandform kontinuierlich entlassen.
Ein Schaber 23 berührt die Außenfläche des Rührwerks 1, damit sich das Blechband 10 nicht um das Rührwerk 1 wickelt. Das Band wird daher mit dem Schaber 23 von der Außenfläche des Rührwerks 1 abgeschält und in der vorgegebenen Richtung kontinuierlich entlassen.
Der wichtigste Arbeitsgang in dem Austrittsabschnitt dieser Vorrichtung wird anhand der Figur 7 eingehend beschrieben.
Die in dem Zwischenraum zwischen dem Rührwerk 1 und dem Wandelement 21 erzeugte halberstarrte Metallzusammensetzung wird durch einheitliches Dispergieren nicht-dendritischer primärer Feststoffteilchen 10a in der restlichen flüssigen Matrix gewonnen. Diese stromt in Austrittsrichtung und wird weiter gekühlt, so dass eine halberstarrte Metallzusammensetzung entsteht, die am Austrittsabschnitt einen bestimmten Feststoffanteil besitzt. Die halberstarrte Metallzusammesetzung 10 wird durch In-Kontakt-Bringen mit der wassergekühlten Walze 22, die sich in Richtung des Pfeils B dreht, gekühlt und als Band kontinuierlich entlassen.
Die Austrittsmenge des Bandes der halberstarrten Metallzusammensetzung 10 wird bestimmt durch [Trommelbreite des rotierenden Rührwerks 1] x [Abstand zwischen dem Rührwerk 1 und der wassergekühlten rotierenden Walze 22] x [Umfangsgeschwindigkeit der Walze 22], so dass der Austritt bei konstanter Umfangsgeschwindigkeit der Walze 22 kontinuierlich ist.
Der an der Kühlung des Metalls beteiligte Abschnitt der wassergekühlten rotierenden Walze 22 ist ein schmaler Oberflächenbereich, der durch eine gedachte Linie von der Walzenachse zum Austrittsende C des Wandelementes 21 und eine gedachte Linie von der Walzenachse zum Eintragsende D der Walze 22 definiert ist. Die jeweiligen Linien schneiden sich im Winkel α. Bevor die halberstarrte Metallzusammensetzung diesen Bereich erreicht, ist ihre latente Wärme bereits weitgehend freigesetzt, so dass die zum Erhärten und zum Bandformen erforderliche Kühlung in diesem Bereich erfolgen kann. Die Umfangsgeschwindigkeiten des Rührwerks 1 und der wassergekühlten rotierenden Walze 22 können jeweils gleich sein. Die Umfangsgeschwindigkeit des Rührwerks 1 ist jedoch vorzugsweise größer als die der Walze 22, so dass die Rührkraft zur Bildung der halberstarrten Metallzusammensetzung ausreicht. Das dadurch erhaltene Band aus halberstarrter Metallzusammensetzung ist qualitativ hochwertig.
Eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in Fig. 8 gezeigt, in der die gleichen Bauteile wie in Fig. 4 die gleichen Bezugszahlen haben.
Darüber hinaus stehen die Bezugszahlen 27 für ein Thermometer, 28 für einen Schieber und 29 für eine Stellvorrichtung für den Schieber.
Die gezeigte Vorrichtung arbeitet genauso wie die Vorrichtung in Fig. 4. In diesem Fall lässt sich die Größe des Austrittsabschnitts 13 mit dem unter dem Zwischenraum zwischen dem Rührwerk 1 und dem Wandelement 12 befindlichen Schieber 28 über die Stellvorrichtung 29 regulieren. Die Temperatur der halberstarrten Metallzusammensetzung wird mit dem Thermometer 27 gemessen. Daraus wird der austretende Feststoffanteil anhand eines Gleichgewichts-Phasendiagramms berechnet. Das Belastungsdrehmoment des Rührwerks 1 wird mit einem Drehmoment-Messgerät (nicht gezeigt) gemessen. Anhand dieser Messwerte wird der Schieber 28 über die Stellvorrichtung 29 so eingestellt, dass man eine vorgegebene Austrittsgeschwindigkeit erhält. Somit kann eine halberstarrte Metallzusammensetzung mit bestimmtem Feststoffanteil stabil und kontinuierlich abgelassen werden und gleichzeitig ein Verstopfen der Vorrichtung vermieden werden. Die Mündung des Schiebers 28 kann gegebenenfalls rechtwinklig, kreisförmig und dergleichen sein.
Die Fig. 9 zeigt eine fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Es steht die Bezugszahl: 1 für ein rotierendes Rührwerk mit einer zylindrischen Trommel, die eine horizontale Drehachse hat und mit einem Kühlwassersystem versehen ist, 21 für ein konkav um die Außenfläche des Rührwerks 1 gewölbtes Wandelement, 15 für eine Gießpfanne für schmelzflüssiges Metall 8 und 23 für einen Schaber.
In der dargestellten Vorrichtung wird das schmelzflüssige Metall 8 aus der Gießpfanne 15 in den zwischen dem Rührwerk 1 und dem Wandelement 21 befindlichen Zwischenraum gegossen, wo es gerührt und gekühlt wird, damit eine halberstarrte Metallzusammensetzung 10 entsteht. Diese wird tangential zur Drehrichtung des Rührwerks 1 abgelassen und auf ein Förderband 31, das von den unter der Austrittsöffnung des Zwischenraumes befindlichen Antriebswalzen 30 angetrieben wird, aus der Vorrichtung befördert. Die entlassene halberstarrte Metallzusammensetzung 10 gelangt durch die Formungswalzen 17, so dass ein Band aus halberstarrter Metallzusammensetzung 10 erhalten wird.
Die halberstarrte Metallzusammensetzung 10 lässt sich daher glatt und kontinuierlich entlassen, ohne dass nahe der Austrittsöffnung und dergleichen eine Verklumpung eintritt. In der halberstarrten Metallzusammensetzung wird daher keine Luft oder dergleichen eingeschlossen.
Die Fördergeschwindigkeit des Förderbandes 31 lässt sich durch Ändern der Drehgeschwindigkeit der Antriebswalzen 30 variieren. Dadurch kann die Austrittsgeschwindigkeit der halberstarrten Metallzusammensetzung eingestellt werden und somit ihr Feststoffanteil leicht reguliert werden.
Bei den erwähnten Vorrichtungen lässt sich leicht ein breiteres Band aus halberstarrter Metallzusammensetzung gewinnen, indem das Rührwerk und das Wandelement in Längsrichtung verlängert werden.
Die nachstehenden Beispiele sollen die Erfindung veranschaulichen und nicht einschränken.

Beispiel 1

Bei diesem Beispiel wurde ein Band aus halberstarrter Metallzusammensetzung kontinuierlich erzeugt, wobei eine Vorrichtung gemäß Fig. 2 und eine Doppelwalzen-Gießmaschine verwendet wurden.
Das schmelzflüssige Metall 8 wurde aus einer Gießpfanne durch einen Ausguss-Stutzen in einen etwa 10 mm breiten Zwischenraum zwischen einem rotierenden Rührwerk 1 mit einer 1000 mm langen zylindrischen Trommel mit 500 mm breitem Radius und einem wassergekühlten Kupferwandelement 2 gespeist. Die Größe des Zwischenraumes wurde je nach dem Belastungsdrehmoment des Rührwerks durch Verstellen der Position des Wandelementes 2 reguliert. Das Rührwerk wurde unter Kühlung mit 100 U/min gedreht, wobei eine halberstarrte Metallzusammensetzung mit einem Feststoffanteil von 0,3 entstand. Die halberstarrte Metallzusammensetzung 10 wurde anschließend kontinuierlich aus der Vorrichtung entlassen und in eine Doppelwalzen Gießmaschine gespeist, deren Walzenradius 300 mm und deren L:nge 700 mm betrug. Das entstandene Gussband war 3 mm dick und 500 mm breit.
Die Fig. 10 zeigt, wie sich die Einstellung des Zwischenraumes zwischen dem rotierenden Rührwerk und dem wassergekühlten Wandelement auswirkt. Hierbei entsprechen punktierte Linien der Änderung des Belastungsdrehmomentes des Rührwerks und der Austrittsgeschwindigkeit der halberstarrten Metallzusammensetzung bei 10 mm Zwischenraum. Aus der Fig. 10 ist ersichtlich, dass sich das Belastüngsdrehmoment mit der Temperaturänderung des vorgelegten schmelzflüssigen Metalls, der Kühländerung des Wandelementes und dergleichen ändert, wenn der Zwischenraum nicht reguliert wird. Schließlich steigt das Belastungsdrehmoment beträchtlich, eine weitere Entnahme wird unmöglich und es kommt zur Verklumpung. Wird dagegen der Zwischenraum, wie die durchgezogene Linie in Fig. 10 zeigt, entsprechend dem ermittelten Belastungsdrehmoment des Rührwerks reguliert, bleibt das Belastungsdrehmoment annähernd konstant, und somit wird die halberstarrte Metallzusammensetzung mit einem Feststoffanteil von 0,3 stabil entlassen.

Beispiel 2

Es wurde eine halberstarrte Metallzusammensetzung aus einer schmelzflüssigen Al-4,5% Cu-Legierung mit der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung erzeugt.
Das schmelzflüssige Metall wurde in einen 5 mm breiten Zwischenraum zwischen dem hitzebeständigen Wandelement 12 und dem Rührwerk 1 im Austrittsabschnitt 13 gegossen. Das Rührwerk 1 mit 400 mm Aussendurchmesser wurde mit 250 U/min gedreht und unter Bedingungen gekühlt, dass die mittlere Erstarrungsgeschwindigkeit 3,0%/sec betrug. Auf diese Weise wurde eine halberstarrte Metallzusammensetzung hergestellt. Die Temperatur der aus dem Austrittsabschnitt 13 tretenden halberstarrten Metallzusammensetzung wurde mit einem Thermometer (nicht gezeigt) gemessen. Daraus ergab sich anhand eines Gleichgewichts-Phasendiagramms ein Feststoffanteil von 25%. Die halberstarrte Metallzusammensetzung konnte daher kontinuierlich und stabil hergestellt und entlassen werden, ohne dass der Zwischenraum verstopfte.
Die Fig. 11 zeigt einen Vergleich der Änderung des Feststoffanteils und der Austrittsgeschwindigkeit über die Zeit zwischen Beispiel 2 (durchgezogene Linie) und einem Vergleichsbeispiel, bei dem der Zwischenraum nicht reguliert war (punktierte Linien). Es ist ersichtlich, dass sich der Feststoffanteil und die Austrittsgeschwindigkeit erfindungsgemäß stabilisieren, wohingegen die Anderungen des Feststoffanteils und der Austrittsgeschwindigkeit beim Vergleichsbeispiel ein Verstopfen der Vorrichtung bewirken und den Austritt der halberstarrten Metallzusammensetzung beenden.

Beispiel 3

Genauso wie in Beispiel 2 wurde eine halberstarrte Metallzusammensetzung aus einer schmelzflüssigen Al-10% Cu Legierung hergestellt.
Das schmelzflüssige Metall wurde in einen 5 mm breiten Zwischenraum zwischen dem hitzebeständigen Wandelement 12 und dem Rührwerk 1 im Austrittsabschnitt 13 gegossen. Das Rührwerk 1 wurde mit 120 U/min gedreht und unter Bedingungen gekühlt, dass die mittlere Erstarrungsgeschwindigkeit 0,45%/sec betrug. Auf diese Weise wurde eine halberstarrte Metallzusammensetzung hergestellt. Ausserdem wurde das Abschabelement 18 1 mm vom Rührwerk 1 entfernt befestigt, so dass eine 1 mm dicke Erstarrungsmantelschicht auf der Aussenfläche des Rührwerks 1 entstand. Daraufhin konnte eine halberstarrte Metallzusammensetzung mit einem aus der am Austrittsabschnitt 13 gemessenen Temperatur berechneten Feststoffanteil von 32% kontinuierlich und stabil hergestellt und entlassen werden.

Beispiel 4

Mit der in Fig. 5 gezeigten Vorrichtung wurde eine halberstarrte Metallzusammensetzung aus einer schmelzflüssigen Al-10% 0u-Legierung kontinuierlich hergestellt.
Zunächst wurde das schmelzflüssige Metall bei etwa 700ºC in einen 5 mm breiten Zwischenraum zwischen dem wassergekühlten rotierenden Rührwerk 1, das eine zylindrische Trommel mit 400 mm Durchmesser und einer Trommelbreite von 100 mm umfasst, und dem Wandelement 21 gegossen. Das Wandelement wurde vorher mit einem Gasbrenner auf 550ºC erhitzt, die Außenfläche der Trommel wurde auf erhitzt, und das Rührwerk bei 100 U/min (Umfangsgeschwindigkeit: 2093 mm/sec) und einer kontrollierten Kühlung von 600 kcal/min ohne die wassergekühlte rotierende Walze gedreht. Daher konnte eine halberstarrte Metallzusammensetzung mit einem Feststoffanteil von 0,2 und einer guten Qualität erhalten werden. Die halberstarrte Metallzusammensetzung liess sich jedoch schwer entlassen, da sie im wesentlichen unmittelbar vor dem Fluiditätsverlust stand.
Eine wassergekühlte rotierende Walze 22 mit 150 mm Durchmesser war am unteren Abschnitt des Wandelementes 21 mit 2 mm Abstand zum Rührwerk 1 befestigt und wurde mit 100 U/min (Umfangsgeschwindigkeit: 785 mm/sec) im Gleichlauf mit dem Rührwerk 1 unter einer Kühlung von 400 kcal/min gedreht. Daher wurde ein 2 mm dickes und 100 mm breites Band aus halberstarrter Metallzusammensetzung kontinuierlich aus der Vorrichtung von Fig. 5 bei einer Austrittsgeschwindigkeit von etwa 785 mm/sec entlassen.
Das so erhaltene Band war im wesentlichen gehärtet und hinreichend fest, dass es sich zu einer Spirale wickeln liess.

Beispiel 5

Mit der in Fig. 8 gezeigten Vorrichtung wurde eine halberstarrte Metallzusammensetzung aus einer schmelzflüssigen Al-4,5% Cu-Legierung kontinuierlich hergestellt.
Zunächst wurde das schmelzflüssiges Metall in einen 5 mm breiten Zwischenraum zwischen dem wassergekühlten rotierenden Rührwerk 1, das eine zylindrische Trommel mit 400 mm Aussendurchmesser umfasste, und dem Wandelement 21 gegossen. Das Rührwerk wurde bei 250 U/min gedreht und unter Bedingungen gekühlt, dass die mittlere Erstarrungsgeschwindigkeit 3,1%/sec betrug. Der Schieber 19 mit 20 mm Durchmesser wurde unter dem Austrittsabschnitt 13 befestigt, so dass der Auslassstutzen 10 mm geöffnet war. Die Temperatur der entstandenen halberstarrten Metallzusammensetzung wurde ständig mit dem Thermometer 27 gemessen. Aus ihr wurde der Feststoffanteil anhand eines Gleichgewichts-Phasendiagramms zu 0,27 berechnet. Die halberstarrte Metallzusammensetzung konnte kontinuierlich und stabil hergestellt und entlassen werden, ohne dass die Vorrichtung verstopfte.

Beispiel 6

Genauso wie in Beispiel 5 wurde eine halberstarrte Metallzusammensetzung aus einer schmelzflüssigen Al-10% Cu- Legierung kontinuierlich hergestellt.
In diesem Fall wurde schmelzflüssiges Metall in einen 5 mm breiten Zwischenraum zwischen dem wassergekühlten rotierenden Rührwerk 1 und dem Wandelement 21 gegossen. Das Rührwerk 1 wurde mit 120 U/min gedreht und unter Bedingungen gekühlt, dass die mittlere Erstarrungsgeschwindigkeit 0,46%/sec betrug. Die entstandene halberstarrte Metallzusammensetzung wurde durch den Schieber 28 mit 20 mm Durchmesser und einer Öffnungsweite des Austritts-Stutzens von 10 mm entlassen. Auf der Außenfläche des Rührwerks 1 entstand ein 1 mm dicker selbstschichtender Erstarrungsmantel, wenn das Abschabelement 18 1 mm Abstand zum Rührwerk 1 hatte.
Somit konnte eine halberstarrte Metallzusammensetzung mit einem aus der am Austrittsabschnitt gemessenen Temperatur berechneten Feststoffanteil von 0,31 stabil hergestellt und entlassen werden.

Beispiel 7

Mit der in Fig. 9 gezeigten Vorrichtung wurde eine halberstarrte Metallzusammensetzung aus einer schmelzflüssigen Al-10% 0u-Legierung hergestellt.
Das rotierende Rührwerk 1 umfasste in diesem Fall eine zylindrische Trommel mit horizontaler Drehachse, 400 mm Durchmesser und 100 mm Breite. Sie war neben dem Wandelement 21 angebracht und bildete in einem dazwischen befindlichen Zwischenraum einen 5 mm großen Auslass. Das schmelzflüssige Metall wurde bei etwa 700ºC kontinuierlich in den Zwischenraum gegossen. Das Rührwerk 1 wurde mit 100 U/min gedreht, so dass eine halberstarrte Metallzusammensetzung mit einem Feststoffanteil von 0,3 entstand.
Mit der herkömmlichen Technik, in der der Austritt nach unten durch die Schwerkraft erfolgt, konnte eine halberstarrte Metallzusammensetzung mit derart hohem Feststoffanteil nicht austreten, da ihre Viskosität zu groß war. In der Vorrichtung nach Fig. 9 konnte die halberstarrte Metallzusammensetzung kontinuierlich entlassen werden, indem der Fluss der halberstarrten Metallzusammensetzung horizontal in eine zur Außenfläche des Rührwerks 1 tangentialen Richtung auf ein Förderbandsystem 30,31 geführt und gleichzeitig weiterbefördert wurde.
Die Erfindung hat wie bereits erwähnt für die Herstellung der halberstarrten Metallzusammensetzung folgende Vorteile:
(1) Für die Rührwirkung und aus Sicherheitsgründen lässt sich eine starke Kühlung bei optimalem Mindest- Zwischenraum durchführen. Die Kühlgeschwindigkeit kann somit nicht unter 3ºC/sec liegen (im Falle der Al-10% Cu- Legierung), und es lässt sich eine halberstarrte Metallzusammensetzung herstellen, die feine nichtdendritische primäre Feststoffteilchen enthält und bessere Eigenschaften hat. Die Ausbeute ist aufgrund des starken Kühlens hoch und praktisch.
(2) Da das Rühren bei einem optimalen Mindest- Zwischenraum erfolgt, wird eine ausreichnde Rührwirkung erzielt, selbst wenn die Drehgeschwindigkeit der zylindrischen Trommel gegenüber der herkömmlichen Technik niedrig ist. Dadurch wird das Risiko von Gaseinschlüssen bei der Verarbeitung verringert und viele Probleme hinsichtlich der Struktur, der Festigkeit und der Sicherheit der Vorrichtung werden überwunden.
(3) Die Qualität der halberstarrten Metallzusammensetzung ist stabil, da der Betrieb bei optimalem Mindest-Zwischenraum und optimaler Kühlgeschwindigkeit erfolgen kann.
(4) Der Betrieb bewältigt leicht die übermäßige Bildung eines Erstarrungsmantels im nichtstationären Zustand in den Anfangsschritten. Da außerdem das Belastungsdrehmoment bei kontinuierlichem Betrieb ständig überwacht wird, treten keine Schwierigkeiten auf, wie Haften oder Verklumpen der halberstarrten Metallzusammensetzung in der Vorrichtung.
(5) Wird die halberstarrte Metallzusammensetzung in eine Doppelwalzen-Gießmaschine gespeist, kann sie gleichmäßig über die ganze Breite der Maschine eingespeist werden, so dass sich dünne und homogene Metallbleche mit ausgezeichneten Eigenschaften herstellen lassen.
(6) Befindet sich die wassergekühlte rotierende Walze am Austrittsende der Vorrichtung, kann ein Band aus der halberstarrten Metallzusammensetzung kontinuierlich und stabil hergestellt werden. Dies verbessert die Durchführbarkeit eines Verfahrens zur Bearbeitung halberstarrter Materialien.
(7) Auf dem unter schwierigen Bedingungen verwendeten rotierenden Rührwerk kann sich der Erstarrungsmantel selbst aufschichten. Dadurch wird die Lebensdauer des Rührwerks vergrößert, das zudem aus einem größeren Spektrum an Materialien bestehen kann.
(8) Die halberstarrte Metallzusammensetzung lässt sich selbst bei schlechter Fluidität und hoher Erstarrungsgeschwindigkeit kontinuierlich und stabil herstellen und aus der Vorrichtung entlassen, so dass ein stabiler Betrieb gewährleistet ist, ohne dass im Inneren der Vorrichtung eine Verstopfung verursacht wird.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer halberstarrten Metallzusammensetzung, umfassend:

das kontinuierliche Einspeisen von schmelzflüssigem Metall (8) in einen Zwischenraum, der sich zwischen einem rotierenden Rührwerk (1) mit zylindrischer Trommel und einem um die Außenfläche der zylindrischen Trommel verlaufenden Wandelement (2a) mit konkaver Oberfläche befindet,

das Abkühlen des schmelzflüssigen Metalls (8), so dass in der flüssigen Matrix des schmelzflüssigen Metalls Dendriten entstehen, die durch die Scherkraft - erzeugt von der Drehung des Rührwerks - gebrochen werden, und dadurch eine halberstarrte Metallzusammensetzung entsteht, bei der feine nicht-dendritische primäre Feststoffteilchen in einer flüssigen Matrix suspendiert sind, und

das kontinuierliche Ablassen der halberstarrten Metallzusammensetzung (10) aus einem unteren Teil des Zwischenraumes,

dadurch gekennzeichnet, dass die gegenüber dem Wandelement bewegliche zylindrische Trommel um eine horizontale Drehachse gedreht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Abkühlen erfolgt, indem Kühlwasser (11) durch das Innere des Rührwerks (1) und/oder das Innere des Wandelementes (2a) geleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Viskosität der halberstarrten Metallzusammensetzung (10) aufrechterhalten wird, indem das Belastungsdrehmoment des Rührwerks (1) gemessen wird und die Größe des Zwischenraumes je nach dem gemessenen Drehmoment durch Bewegen des Rührwerks (1) oder des Wandelementes (2a) eingestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, zudem umfassend das Abschaben eines auf der Außenfläche der Trommel haftenden Erstarrungsmantels mit einem Schabelement (18; 23), das sich neben der Trommel an einer Austrittsöffnung (13) befindet, durch die die halberstarrte Metallzusammensetzung (10) aus dem unteren Teil des Zwischenraumes kontinuierlich austritt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die halberstarrte Metallzusammensetzung (10) über eine wassergekühlte rotierende Walze (22) geleitet wird, die sich gegenüber dem Abschabelement (18;23) am unteren Ende des Wandelementes (2a) unter dem Zwischenraum befindet, wobei die Drehachse der wassergekühlten rotierenden Walze (22) parallel zur Drehachse der zylindrischen Trommel verläuft.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Umfangsgeschwindigkeit der zylindrischen Trommel größer als die der wassergekühlten rotierenden Walze (22) ist.

7. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Weite der Austrittsöffnung (13) durch einen unter dem Zwischenraum befindlichen Schieber (28) einstellbar ist, so dass sich die Austrittsgeschwindigkeit der halberstarrten Metallzusammensetzung (10) einstellen lässt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die halberstarrte Metallzusammensetzung (10) für eine kontinuierliche Einspeisung in die nachfolgenden Verarbeitungsschritte in einer zur Außenfläche der zylindrischen Trommel tangentialen Richtung auf ein Fließband (31) horizontal entlassen wird, wobei die Austrittsgeschwindigkeit der halberstarrten Metallzusammensetzung (10) durch Regulieren der Fördergeschwindigkeit des Fließbandes (31) eingestellt wird.

9. Vorrichtung zum Herstellen einer halberstarrten Metallzusammensetzung, umfassend:

ein drehbares Rührwerk (1) mit einer zylindrischen Trommel; und

ein Wandelement (2a) mit einer konkaven Oberfläche, das um die Außenfläche der Trommel verläuft und zwischen sich und dem Außenrand der Trommel einen Zwischenraum abgrenzt, in den das schmelzflüssige Metall eindringt, dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrische Trommel eine horizontale Drehachse hat und sich gegenüber dem Wandelement bewegen lässt, wodurch die Größe des Zwischenraumes eingestellt wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, die zudem ein auf der Drehachse der zylindrischen Trommel befindliches Drehmoment-Messgerät umfasst.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, die zudem eine im Wandelement (2a) und/oder im Rührwerk (1) befindliche Kühleinrichtung (11) umfasst.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, 10 oder 11, die zudem Abschabvorrichtungen (18;23) hat, mit denen ein an der Außenfläche der zylindrischen Trommel haftender Erstarrungsmantel abgeschabt wird und die sich unmittelbar an der Außenfläche der zylindrischen Trommel unter dem Zwischenraum befinden.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, die zudem eine wassergekühlte rotierende Walze (22) umfasst, die sich gegenüber dem Abschabelement (23) am unteren Ende des Wandelementes (2a) unter dem Zwischenraum befindet, wobei die Drehachse der wassergekühlten rotierenden Walze (22) parallel zur Drehachse der zylindrischen Trommel liegt.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, die zudem einen unter dem Zwischenraum befindlichen Schieber (28) umfasst, mit dem die Austrittsgeschwindigkeit der halberstarrten Metallzusammensetzung (10) eingestellt wird.