Verfahren und Vorrichtung zum Giessen dünner Bänder oder Folien aus einer Schmelze
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Giessen und eine Giessvorrichtung für Bänder oder Folien aus metallischer oder metalloxydischer Schmelze, gemäss den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 5.
Ein erheblicher Anteil von industriell verwendeten metallischen oder metalloxyάischen Blechen wird in Form dünner Bleche oder Folien benötigt. Es richten sich daher beträchtliche Anstrengungen auf Verfahren und Vorrichtungen zur direkten Herstellung solcher dünnen Bleche oder Folien, unter Umgehung der tradirionellen Giess- und Walztechnik. Wie jüngste Bestrebungen in diese Richtung gezeigt haben, lassen sich dünne metallische oder metalloxydische Bänder bzw. Folien direkt aus der Schmelze herstellen, wobei sich einerseits eine erhebliche Energieeinsparung gegenüber konventionellen Verfahren erzielen lässt und andererseits Produkteigenschaften realisierbar sind, die sich mit konventionellen Giessverfahren nicht herstellen lassen. Bleche oder Folien mit amorpher, nano-/mikro-kristalliner Struktur oder sogar mit kombinierter, z.B. in gewissen Bereichen amorpher und in anderen .Bereichen kristalliner Struktur, können ausschliesslich mit den neu entwickelten Verfahren bzw . Vorrichtungen hergestellt werden .
So sind beispielsweise Verfahren bzw. Vorrichtungen zum direkten Vergiessen von Metallschmelzen auf bewegte Kühl-
körper bekannt, wobei in der Regel eine Kühltrommel oder ein bewegtes Kühlband verwendet wird. Die Metallschmelze wird dabei der Oberfläche der Kühltrommel bzw. des Kühlbandes über ein düsenähnliches Austragelement zugeführt. Die wichtigsten Verfahrensparameter für den Giessprozess sind dabei die Bewegungsgeschwindigkeit der Kühlkörperoberfläche relativ zur Giessdüse, die Wärmeableitung vom Band an den Kühlkörper sowie als weiterer wichtiger Parameter die Düsengeometrie.
Neben dem Abstandspalt zwischen Düse und Kühlkörperoberfläche ist auch die Breite des Ausgussschlitzes in Giessrichtung von entscheidendem Einfluss auf den Giessprozess. Auch der Geometrie des Ausgussschlitzes wurde in der bisherigen Entwicklung eine erhebliche Bedeutung beigemessen. Bestrebungen zur Verbesserung des Giessverfahrens haben sich dementsprechend auch auf die Gestaltung und Bemessung der Düsenoffnung sowie auf den Abstand zwischen der Düsenöffnung und der Kühlkörperoberflache gerichtet. Dabei ist praktisch allen bekannten Vorschlägen gemeinsam, cass die Metallschmelze durch ihre Schwerkraft aus einem Giessbehälter in die Düse und den Ausgussschlitz fliesst. Dieser gravitationsbedingte Schmelzeneinlauf wurde in der neuen Bandgiesstechnik höchstens durch ein steuerbares Drucksystem unterstützt. Bei der Dimensionierung der Düsenöffnung sowie des Bereiches zwischen der Düsenöffnung und der Kühlkörperoberfläche waren aus diesem Grund beträchtliche Einschränkungen zu beachten, um ein einwandfreies Angiessen sicherzustellen und unkontrolliertes Auslaufen bzw. Einfrieren der Schmelze im Ausgussschlitz vor Beginn des eigentlichen Giessvorganges zu verhindern.
Aus der DE-OS 3 411 466 ist beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung von dünnem Metallband bekannt, bei dem der Ausbringwinkel zwischen der Strömungsrichtung der von der Düse austretenden Schmelze und der Giessoberfläche zwi-
sehen 20 und 80 Grad betragen soll. Zur Herstellung dickerer Bänder wurde gemäss DE-OS 3 442 009 eine Düsenkonfiguration vorgeschlagen, bei der in Giessrichtung mehrere Düsenschlitze hintereinander angeordnet sind. Dadurch sollen bei geeignetem Abstand der Düsenschlitze voneinander und bei geeigneter Düsenschlitzweite dicke Bänder durch sequentielles Mehrfachauftragen von Schmelze entstehen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Giessen von Bändern oder Folien aus metallischer oder metalloxydischer Schmelze zu schaffen, das bzw. die zu Giessprodukten mit verbesserter Qualität und zu einer vereinfachten und verbilligten Schmelzenzuführeinriσhtung zum Kühlkörper führt. Die Schmelzenzuführeinrichtung soll im weiteren die Herstellung grösserer Giessformate , insbesondere eine Vervielfachung der produzierbaren Bandbreite, ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Summe der Merkmale in den Patentansprüchen 1 und 5 gelöst.
Trotz der erfindungsgemässen seitlichen Metallzuführung lassen sich Giessprodukte mit ausgezeichneter Oberflächenqualität und von aussergewöhnlich gleichmässiger Dicke, auch in den Randbereichen, herstellen. Bedingt durch die relativ einfache und robuste Ausbildung der Düse lässt sich der Giessprozess sehr präzise und zuverlässig steuern. Durch die seitliche Zuführung der Schmelze kann das Schmelzenzwischengefäss oberhalb oder unterhalb der Giessdüse angeordnet sein. Dadurch ergeben sich optimale Bedingungen bei Giessbeginn, und gleichzeitig kann eine lange Giessdauer gewährleistet werden. Mit dem neuen Verfahren bzw. der neuen Düsenvorrichtung lassen sich nicht nur dickere Bänder herstellen. Durch Verlängerung des Düsenrohres und des Ausgussschiitzes können ohne Veränderung des Metallzuführsystemes Bänder mit gegenüber
dem Stand der Technik mehrfacher Breite hergestellt werden. Die Düse selbst ist von einfachem Aufbau und die Dimensionierung des Ausgussschlitzes kann gegenüber dem Stand der Technik freier gestaltet werden.
Die Schmelze kann durch ihre Schwerkraft der Giessdüse zugeführt werden, wobei der statische Druck über eine Niveauregelung im Zwischengfäss konstant gehalten werden kann. Mittels einer Durchflussregeleinrichtung im Zwischengefäss kann der Giessbeginn bestimmt weden. Gemäss einem Ausführungsbeispiel ist es besonders vorteilhaft, wenn die Schmelze mittels Gasdruck von einer Niveauhche des Badspiegels im Giess- oder Zwischengefäss unterhalb der Giessdüse in diese hinaufgepresst wird. Der Ausgussschlitz bleibt bei dieser Lösung bis zum Giessbeginn unberührt.
Die Zuflussgeschwindigkeit der Schmelze in die Giessdüse ist insbesondere mit dem Querschnitt des produzierten Bandes verknüpft. Für Bänder mit einer Dicke unter 0,3 mm wird empfohlen, eine Zuflussgeschwindigkeit der Schmelze im rohrförmigen Düsenkörper vor dem Bereich des AusgussSchlitzes auf maximal 2 m/sec, vorzugsweise auf maximal 0,8 m/sec einzustellen.
Der Querschnitt der rohrförmigen Giessdüse kann oval, rechteckig, vieleckig etc. sein. Eine vorteilhafte Herstellung und ein geringer Strömungswiderstand ist gewährleistet, wenn die rohrförmige Giessdüse einen runden Querschnitt aufweist .
Nbben der Breite des Ausgussschlitzes der Giessdüse ist die Gestaltung der Giessdüsenoberflache im Bereich der Umlenkung und der Erstarrung der Schmelze von Bedeutung. Gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel wird empfohlen, die äussere Rchrmantelflache im Bereich des Ausgussschlitzes bei rundem Düsenquerschnitt abzuflachen.
Eine einseitige Einspeisung der Schmelze in die Giessdüse kann grundsätzlich verschiedenartig gestaltet werden. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform stellt ein L-förmiger Rohrkörper als Giessdüse dar, der mit einem Schenkel in ein Schmelzenbad eintaucht und vom Schmelzengefäss als Eingusssystemteil getrennt ist.
Anstelle des L-förmigen Rohrkörpers ist auch ein U-förmiger Rohrkörper denkbar, der einen Ausgussschlitz im mittleren Querschenkel aufweist und mit seinen beiden Parallelschenkeln in je ein Schmelzengefäss eintaucht.
Aus verschiedenen Gründen kann es erwünscht sein, den Metalizufluss auf den Kühlkörper entlang des Ausgussschlitzes durch unterschiedliche Schlitzbreiten unregelmässig zu gestalten. Die Schlitzbreite kann z.B. in Fliessrichtung konvergieren etc. Es wird hier insbesondere an eine Herstellung von Bändern mit vorbestimmter, amorpher und/oder kristalliner Struktur , Oberflächenstruktur , Sollbanddicke etc. gedacht, die jeweils über die Bandbreite gleich oder unterschiedlich sein können.
Ein störungsfreier Schmelzenzufluss durch den Ausgussschlitz auf den Kühlkörper ist für die Qualität des erzeugten Bandes von grosser Wichtigkeit. Insbesondere bei Bändern in der Grössenordnung von 0,01 - 0,3 mm Dicke stellen sich Qualitätsprobleme, besonders bei Bändern mit einer Bandbreite über 80 mm. Gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass die Breite des Ausgussschlitzes das 20- bis 50-fache, vorzugsweise das 20bis 30-fache der Solldicke des zu giessenden Bandes beträgt. Der Abstandspalt zwischen der Giessdüse und dem bewegten Kühlkörper kann dabei 0,05 - 0,5 mm, vorzugsweise 0,1 mm - 0,2 mm, betragen.
Eine gieichmässige Bandqualität bei Giessbeginn kann erreicht werden, wenn rasch ein Gleicngewicht der Giesspara
meter einstellbar ist. Es wird im Sinne einer Ausführungsvariante empfohlen, den Ausgussschlitz nur über einen Teil der Länge der rohrförmigen Giessdüse vorzusehen und das Rohr gegenüber der Einspeisungsseite mit einem Deckelteil, der ein Luftloch aufweist, zu versehen.
Je nach Art der Metallzuführung zur Giessdüse, wie beispielsweise durch Schwerkraft, Gasdruck oder andere Regeleinrichtungen, kann die Lage der Giessdüse entlang des mindestens teilweise bogenförmigen Kühlkörpers bzw. die Winkellage der Kühlkörperoberflache zur Horizontalen an einer ersten Kontaktstelle zwischen Schmelze und Kühlkörper nach dem Düsenaustritt gewählt werden. Neben der Zuführungsart der Schmelze zur Düse sind aber noch weitere Giessparameter, wie Banddicke, Zusammensetzung der Schmelze und die daraus resultierenden physikalischen Eigenschaften, wie Viscosität, Oberflächenspannung etc., für die Bestimmung der Lage der Giessdüse zur Winkellage der Kühlkörperfläche, massgebend. Ebenfalls einstellbar ist der Umlenkungswinkel der Schmelze zwischen der Ausfiiessrichtung im Ausgussschlitz und der Bandabzugrichtung. Dieser Umlenkungswinkel kann z.B. zwischen 30 und 120 Grad, vorzugsweise zwischen 60 und 100 Grad, betragen. Sowohl die Lage der Giessdüse zur Winkellage der Kühlkörperoberflache, wie auch der Umlenkungswinkel der Schmelze, können den Giessparametern und dem zu produzierenden Produkt optimal angepasst werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele mit Hilfe der Zeichnungen näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht, teilweise Im Schnitt, einer Giessvorrichtung mit einer vom Giessgefäss trennbaren Düse,
Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel, mit einem von einer Seite auf eine Giesstrommel gerichteten Düsenspalt,
Fig. 3 eine Draufsicht, teilweise im Schnitt nach der Linie III-III von Fig. 2,
Fig. 4+5 Ansichten auf Giessdüsen, Fig.6A+6B Diagramme von Dickenmessungen für eine nach der Erfindung und eine konventionell hergestellte Folie und
Fig. 7+8 schematische Darstellungen von Schmelzenumlenkungen beim Auftreffen auf unterschiedliche Kühlkörper.
In Fig. 1 ist eine Giessvorrichtung für Bänder oder Folien aus metallischer oder metalloxydischer Schmelze schematisch darges-tellt. Als bewegter Kühlkörper 6 wird eine rotierende Trommel verwendet. Eine Giessdüse 3 ist in einem bestimmten Abstand A von der Giessoberflache des Kühlkörpers 6 angeordnet. Die Giessdüse 3 verfügt über einen seitlichen Schmelzenzufluss von einem Giessbehälter 1, auch Zwischengefäss genannt, der seinerseits von einem Giessstrahl 8 aus einem Vorratsbehälter gespiesen werden kann. Die Giessdüse 3 ist im weiteren mit einem Ausgussschlitz 4 versehen, der in seiner Längserstreckung L axial zur Giessdüse 3 und im wesentlichen quer zur Bewegungsrichtung 21 der Oberfläche des Kühlkörpers 6 angeordnet ist. Die Ausgussschlitzlänge L entspricht der zu giessenden Bandbreite. Zwischen der Ausfliessrichtung der Schmelze im Ausgussschlitz 4 und der Bewegungsrichtung 21, auch Bandabzugrichtung genannt, findet im Abstandspalt A eine Umlenkung der Schmelze statt, wie in den Figuren 7 und 8 ausführlich erläutert wird.
Die Giesdüse besitzt in diesem Beispiel einen im wesentlichen runden, rohrförmigen Querschnitt. Die einseitige seitliche Einspeisung der Schmelze ist über eine Kupplung 10 mit der Giessdüse 3 verbunden .
In Fig. 2 und 3 sind die gleichen Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen. Eine äussere Rohrmantelfläche 22 im Bereich des Ausgussschlitzes 4 ist abgeflacht, um den Abstandspalt A in der Bewegungsrichtung 21 des Kühlkörpers 6 zu verlängern. Als Giessdüse 3 wird in diesem Beispiel ein L-förmiger Rohrkörper mit einem rechten Winkel verwendet. Der vor dem Schnitt in Fig. 2 liegende und strichpunktiert gezeichnete vertikale Rohrteil 23 taucht in einer Ebene 24 in ein Schmelzenbad eines druckdichten Giessbehälters ein. Mittels einem Druck P auf das Schmelzenbad kann die Schmelze vom Giessbehälter in die Giessdüse 3 gepresst werden.
Eine Breite 26 des Ausgussschlitzes 4 kann je nach den gewählten Giessparametern und dem Giessprodukt zwischen dem 20- und 50-fachen, vorzugsweise zwischen dem 20- bis 30-fachen der Solldicke 27 eines gegossenen Bandes 28 betragen. Der Abstandspalt A zwischen der Fläche 22 der Giessdüse 3 und dem bewegen Kühlkörper 6 kann zwischen 0,05 mm und 0,5 mm, für dünne Bänder vorzugsweise zwischen 0,1 mm und 0,2 mm, betragen.
Wie in Fig. 3 am besten erkennbar ist, endet der Ausgussschlitz 4 eine Länge 30 vor einem Rohrabschlussdeckel 31. Die Längserstreckung des Ausgussschlitzes 4 ist somit nur ein Bruchteil der Länge der rohrförmigen Giessdüse 3. Der gegenüber der Einspeisungsseite angebrachte Abschlussdeckel 31 ist mit einem Entlüftungsloch 11 versehen, aus welchem die Luft beim Angiessen kontrolliert entweichen kann.
In den Fig. 4 und 5 sind Ausführungsbeispiele von Giessdüsen 40 und 50 dargestellt, wobei die Giessdüse 40 sich in Zuführrichtung der Schmelze verjüngt. Bei der Giessdüse 50 konvergiert die Breite eines Ausgussschlitzes 52 in Zuführrichtung der Schmelze.
Die Verfahrensmerkmale werden im nachfolgenden anhand der Figuren 2 und 3 erläutert. Durch den Druck P auf den Bad
spiegel in der Ebene 24 unterhalb der Giessdüse 3 wird Schmelze 33, wie Pfeil 34 zeigt, durch den vertikalen Rohrteil 23 in die Giessdüse 3 hochgepresst. Die Schmelze 33 wird dabei in der Giessdüse 3 bis unmittelbar vor dem Eintritt in den Ausgussschlitz 4 im wesentlichen axial zur rohrförmigen Giessdüse 3 (Pfeile 35), oder anders ausgedrückt, quer zur Ausflussrichtung (Pfeil 36) im Ausgussschlitz 4, zugeführt. Die Zuführrichtung 35 ist gleichzeitig auch quer zur Bandabzugrichtung 37. Im Einfliessbereich des Ausgussschlitzes und im Ausgussschlitz 4 selbst ist eine Umlenkung der Schmelze gemäss den Pfeilen 38 aus der Metallzuführrichtung 35 in die Ausflussrichtung
36 vorgesehen. Im Abstandspalt A zwischen der Giessdüse 3 und der Oberfläche des Kühlkörpers 6 wird die aus dem Ausgussschlitz 4 austretende Schmelze 33 von der Ausfliessrichtung 36 im Ausgussschlitz 4 in die Bandabzugrichtung
37 umgelenkt. Die Erstarrung des Bandes erfolgt im wesentlichen im Abstandspalt A durch einen Wärmeentzug über den bewegten Kühlkörper 6 von einer Bandseite.
Ein statisch gerechneter Druck auf die Schmelze in einer Ebene 39 des Ausgussschlitzes 4 während des Giessbetriebes wird auf 0,1 - 0,2 bar eingestellt. In der rohrförmigen Giessdüse 3 soll dabei vor dem Bereich des Ausgussschlitzes 4 die Zuflussgeschwindigkeit der Schmelze auf 2 m/sec, vorzugsweise auf 0,8 m/sec, begrenzt werden.
In den Fig. 7 und 8 werden schematisch noch zwei Beispiele mit unterschiedlichen Winkellagen der Kühlkörperoberflache im Bereich des Ausgussschlitzes erläuert. Mit 70 und 80 sind ein ebener bzw. gebogener Teil eines band- oder trommeiförmigen Kühlkörpers dargestellt. Eine Ausflussrichtung 71 aus einem Ausgussschlitz einer Giessdüse wird in eine Bandabzugrichtung 72 um einen spitzen Winkel 73, z.B. zwischen 60 - 89 Grad, umgelenkt. Eine erste Kühlstrecke nach dem Ausgussschlitz liegt in diesem Beispiel horizontal.
In Fig. 8 wird eine Schmelze aus einer Ausflussrichtung 81 aus einer Giessdüese in eine bogenförmige Bandabzugrichtung 82 um einen rechten Winkel 83 umgelenkt. Eine erste Kühlstrecke nach dem Ausgussschlitz ist bei diesem Beispiel ansteigend und bogenförmig. Wenn es erwünscht ist, kann die erste Kühlstrecke auch an einer abfallenden Winkellage der Kühlkörperoberfläche angeordnet werden.
Als Giessprodukt entstehen Bänder oder Folien mit einer weitgehend einstellbaren und äusserst gleichmässigen Dicke. Die gleichmässige Dicke der erzeugten Bänder bzw. Folien lasst sich durch Messungen nachweisen. In Fig. 6A ist der Verlauf einer Messkurve der Materialdicke über die Spaltlänge L für ein Produkt aufgezeichnet, welches nach der Erfindung hergestellt wurde. In Fig. 6B ist der entsprechende Verlauf für ein nach einem bekannten Verfahren hergestelltes Vergleichsprodukt dargestellt. Beim erfindungsgemässen Verfahren wurde eine Rohrdüse mit einem Innendurchmesser von 15 mm mit einer Ausgussschlitzbreite von 1,5 mm gefahren. Beim Vergleichsverfahren hat die Ausgussschlitzbreite nur 0,4 mm betragen. Die Giessgeschwindigkeit betrug bei beiden Verfahren 25 m/sec. Die Schmeizengeschwindigkeit in der Rohrdüse vor dem Bereich des Ausgussschlitzes errechnete sich bei einer Dichte der Schmelze von 6,7 kg/dm3 auf 0,424 m/sec. Obwohl die
Bänder nur 30 mm breit waren, kann eindeutig festgestellt werden, dass das Band gemäss dem erfindungsgemässen
Verfahren In Fig. 6A eine wesentlich gleichmässigere Dicke aufweist, als das Band gemäss einem bekannten Verfahren in
Fig. 6B.
Die Giessdüse wird in der Regel aus hochwertigen feuerfesten Materialien, wie SiO2-Glas, Quarzgut etc. hergestellt. Es ist von besonderem Interesse, den rohrförmigen Glessdüsenquerschnitt und die Wands-cärke auch bei grösseren Bandbreiten klein zu halten, um günstige Herstellkosten zu erreichen. Bei einer lichten Querschnittfläche des
Düsenrohres von beispielsweise 180 - 250 mm2 sind beispielsweise Bänder von 100 mm Breite produzierbar. Daraus errechnet sich ein Verhältnis
Als Richtwert in der Praxis kann somit für die Wahl des lichten Düsenrohrquerschnittes in mm2 der ein- bis dreifache Wert der Bandbreite in mm verwendet werden.