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Verfahren zum Anlagern von geschmolzenem Kupfer an einem kontinuierlich bewegten Kernstab
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anlagern von Kupfer an einem kontinuierlich bewegten Kernstab.
In der österr. Patentschrift Nr. 205839 ist eine Vorrichtung beschrieben, die ein kontinuierliches Anlagern von geschmolzenem Material an einem langgestreckten Kern ermöglicht, wodurch eine Dickenzunahme des Kernes erreicht wird. Bei der Anwendung dieser Vorrichtung zum Anlagern von Kupfer sind aber aus bisher nicht erkannten Gründen minderwertige Ergebnisse erzielt worden.
Es hat sich insbesondere gezeigt, dass auch die bekannte Massnahme, die Bildung, von Oxydüberzügen am Kern mit grosser Sorgfalt zu vermeiden, insbesondere durch Reinigung des Kernes und durch Zuleiten des gereinigten Kernes durch einen evakuierten Kanal zur Anlagerungsstelle, nicht ausreicht, um die gewünschte feste Bindung zwischen Kern und angelagertem Kupfer zu erzielen.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass zur Behebung der aufgezeigten Schwierigkeiten der Sauerstoffgehalt in der Kupferschmelze unter einem bestimmten Wert gehalten werden muss.
Das erfindungsgemässe Verfahren zum Anlagern von geschmolzenem Kupfer an einem kontinuierlich bewegten Kernstab, bei dem die Oberfläche des Kernstabes gereinigt und der gereinigte Kernstab aus der Atmosphäre in einen evakuierten Kanal geleitet und durch diesen einem Mundstück zugeführt wird, das sich im unteren Teil eines Tiegels befindet, der geschmolzenes Kupfer enthält, so dass der Kernstab nach Durchlaufen des Mundstückes das im Tiegel befindliche geschmolzene Kupfer durchläuft, ist dadurch gekennzeichnet, dass zum Anlagern geschmolzenes Kupfer verwendet wird, das weniger als 20 Gew.-Teile Sauerstoff je Million Gew.-Teile Kupfer enthält, wobei ein gegebenenfalls höherer Sauerstoffgehalt des in den Tiegel eingebrachten Kupfers mit Hilfe von sauerstoffentziehenden Stoffen, vorzugsweise Graphit, auf diesen Wert erniedrigt wird.
In der Zeichnung ist eine Vorrichtung zur Ausübung des erfindungsgemässen Verfahrens dargestellt, bei welcher der Kernstab 2 zunächst einer Ziehvorrichtung 3 zugeführt wird, die sich in der Nähe einer geeigneten Schabvorrichtung 4 befindet. Die Ziehwerkzeuge der Vorrichtung 3 können den Stab bei seiner Einführung in ein Schabwerkzeug abstützen, das eine dünne Materialschicht am gesamten Mantel des Stabes 2 abträgt, um den Oxydüberzug oder andere Oberflächenverunreinigungen zu entfernen. Das Schabwerkzeug befindet sich dabei in so innigem Kontakt mit dem Kernstab, dass sich zwischen ihm und dem Stab eine Abdichtung gegen Gasdurchtritt ergibt. Gegebenenfalls können auch andere Reinigungsmittel, wie etwa chemische Reinigungsmittel, zur Beseitigung des Oxydüberzuges und anderer Verunreinigungen von der Staboberfläche angewendet werden.
Der gereinigte Stab tritt in einen zum Teil durch ein Rohr 5 definierten Kanal oder Durchlass ein.
Dieser Kanal, in dem unter Ausnutzung der vorerwähnten Abdichtung zwischen dem Schabwerkzeug und dem Stab ein Vakuum aufrechterhalten wird, dient dazu, sicherzustellen, dass die Oberfläche des Stabes beim Anlagerungsvorgang oxydfrei ist. Der Stab gelangt sodann in ein Rollengehäuse 6, in dem sich eine drehbar gelagerte Umlenkrolle 7 befindet, welche die Richtung des Stabes 2 so ändert, dass dieser nun nach oben in ein Gehäuse 8 geleitet wird, in dem sich eine geeignete Antriebsvorrichtung für das Vorschieben des Stabes im gesamten evakuierten Kanal befindet, der durch das Rohr 5, durch die Gehäuse 6 und 8 und durch ein weiteres Rohr 25 gebildet wird.
Diese Antriebsvorrichtung umfasst Vorschubrollen 9
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und 10 und befindet sich im evakuierten Kanal, weil die den Stab bearbeitende Ziehvorrichtung 3 und die Schabvorrichtung 4 einen Stabvorschub durch Zugwirkung erforderlich machen.
Die Vorschubrollen werden von einem geeigneten (nicht dargestellten) Motor über eine Welle 15 und ein Untersetzungsgetriebe 16 angetrieben. Eine Ausgangswelle 17 des Untersetzungsgetriebes 16 ist direkt mit der Vorschubrolle 10 verbunden. Die Vorschubrolle 9 ist an einer Welle 20 montiert, die über Zahnräder 18,19 mit der Welle 17 gekuppelt ist. Auf diese Weise rotieren die Rollen 9 und 10 gegensinnig und schieben den Stab 2 nach oben vor. An den Wellen 17 und 20 sind geeignete (nicht gezeichnete) Wellendichtungen vorgesehen, um das Vakuum im Kanal aufrechtzuerhalten.
Das Untersetzungsgetriebe 16 hat eine zweite Ausgangswelle 21, die mit einem Getriebekasten 22 verbunden ist, dessen Ausgangswelle 23 mit einer zweiten Antriebsvorrichtung gekuppelt ist, die nachfolgend noch genauer beschrieben wird.
Im Gehäuse 8 befinden sich mehrere Rollen 11, welche den Stab gerade richten, bevor dieser in den Tiegel 26 eingeführt wird. Der Stab gelangt vom Gehäuse 8 in das schon erwähnte Rohr 25, an das eine Pumpleitung 27 angeschlossen ist, die mit einer geeigneten Pumpe in Verbindung steht, um in dem durch die Teile 5, 6,8 und 25 gebildeten Kanal das gewünschte Vakuum aufrechtzuerhalten. Am oberen Ende des Rohres 25 ist ein Mundstück 29 angebracht, das in den Tiegel 26 hineinragt und zur Einführung des Stabes 2 in den Tiegel dient. Am Auslassende 29'des Mundstückes 29 gelangt der Stab 2 in Berührung mit dem geschmolzenen Kupfer, so dass sich in der nachfolgend beschriebenen Weise Kupfer an diesem Stab anlagert.
Das geschmolzene Kupfer wird dem Tiegel 26 von einem Schmelzofen 31 zugeführt, der mit geeigneten (nicht dargestellten) Heizeinrichtungen, beispielsweise mit einer Induktionsheizung, ausgestattet ist. Vorzugsweise wird dem Schmelzofen 31 Kupfer mit niedrigem Sauerstoffgehalt, wie Kathoden-Kupfer, zugeführt.
Wenn Kupfer mit einem grösseren Sauerstoffgehalt als 20 Teile je Million zugeführt wird, müssen Reduktionsmittel angewendet werden, um den Sauerstoffgehalt im Kupfer herabzusetzen. Die Reduktionsmittel können sich entweder im Schmelzofen 31 oder im Tiegel 26 oder in beiden befinden. Als Reduktionsmittel können Stoffe verwendet werden, die, wenn sie in innigen Kontakt mit dem Kupfer gebracht werden, sich mit dem darin enthaltenen Sauerstoff verbinden und dabei ein gasförmiges Produkt bilden, das vom geschmolzenen Kupfer abgeschieden wird. Vorzugsweise wird als Reduktionsmittel Kohlenstoff, wie Graphit, oder, falls Kupfer mit niedriger Leitfähigkeit erzeugt wird, Phosphor verwendet.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Ofenauskleidung aus Graphit bestehen, wobei noch erhebliche Mengen von Graphit- oder Holzkohleteilchen in der Schmelze schwimmen können ; diese Reduktionsmittel verbinden sich mit dem Sauerstoff, um den Sauerstoffgehalt des Kupfers auf weniger als 20 Gew.-Teile je Million Gew.-Teile Kupfer herabzusetzen.
Beim Schmelzen des Kupfers im Ofen 31 wird der Ofen zweckmässig mit einem Deckel 39 abgeschlossen und die Oberfläche der Schmelze vorzugsweise mit einer Schicht inerten Gases, wie Stickstoff, bedeckt, das durch eine Leitung 41'zugeführt wird.
Das geschmolzene Kupfer wird dem Tiegel 26 über einen Auslassstutzen 33 zugeführt, der die Auskleidung 28 des Tiegels 26 durchsetzt. Die Spiegelhöhe innerhalb der Auskleidung28 kann durch eine geeignete Fühleinrichtung 38 abgetastet werden, die auch eine Einrichtung für die Ermittlung der Temperatur im Tiegel enthalten kann. Die Fühleinrichtung 38 regelt einen Servomotor 37, der mit Hilfe einer Stange 35 mit einem im Schmelzofen angeordneten Graphitblock 34 verbunden ist. Die Grösse des Graphitblockes 34 wird so gewählt, dass eine Bewegung desselben in die Schmelze 32 die Spiegelhöhe im Ofen 31 und damit die Zufuhrgeschwindigkeit von geschmolzenem Kupfer in den Tiegel 26 in geeigneter Weise regelt.
Vor Einleitung des Anlagerungsvorganges'wird dieser Graphitblock 34 im wesentlichen von der Schmelze 32 abgehoben. Wenn nun geschmolzenes Kupfer in den Tiegel gefördert werden soll, so wird der Graphitblock unter der Steuerwirkung der Fühleinrichtung 38 vom Servomotor 37 in die Schmelze gesenkt.
Der Tiegel 26 hat eine Auskleidung 28, die dem geschmolzenen Material 30 standhalten kann und vorzugsweise aus Graphit besteht. An der Oberfläche der Schmelze können wieder Graphitteilchen schwimmen, die sich mit allenfalls in der Schmelze enthaltenem Sauerstoff verbinden, um den Sauerstoffgehalt konstant zu halten oder abzusenken. Um eine weitere Oxydation des geschmolzenen Kupfers zu verhindern, kann durch eine Leitung 41 ein inertes Gas, wie Stickstoff, in den Tiegel 26 eingeführt werden, so dass die Schmelze mit einer inerten Atmosphäre bedeckt wird.
Wie schon erwähnt, ist der in den Tiegel eingeführte Stab 2 von einem Schabwerkzeug gereinigt und
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durch einen evakuierten Kanal geführt worden, in dem nicht nur oxydierende Atmosphäre von der Oberfläche des Stabes ferngehalten, sondern auch allfälliges Gas, das durch viskose Reibung des bewegten Stabes'allenfalls in den Kanal gelangt sein könnte, abgesaugt worden ist, so dass der dem Mundstück 29 zugeführte Stab praktisch rein und im wesentlichen entgast ist.
Das in der Nähe des Stabes am Austrittsende des Mundstückes 29 eingeführte Kupfer hat sehr niedrigen Sauerstoffgehalt. Falls das dem Schmelzofen 31 zugeführte Kupfer schon niedrigen Sauerstoffgehalt hat, beispielsweise ungefähr 20 Gew.-Teile je Million Gew.-Teile Kupfer, vorzugsweise zwischen 4 und 10 Gew.-Teile je Million, so wird dieser niedrige Sauerstoffgehalt mit Hilfe von Reduktionsmitteln und der inerten Atmosphäre oberhalb der Schmelze, welche eine Oxydation verhindert, die infolge von Undichtigkeiten auftreten könnte, aufrechterhalten.
Falls der Sauerstoffgehalt des dem Schmelzofen 31 zugeführten Kupfers grösser ist, so bewirken die Reduktionsmittel im Schmelzofen 31 und im Tiegel 26 eine Reduktion von Sauerstoff, so dass an der Anlagerungsstelle der Sauerstoffgehalt innerhalb der tolerierbaren Werte liegt und daher während der Verfestigung des angelagerten Kupfers praktisch keine Gase abgeschieden werden.
Es wurde gefunden, dass zur Erzielung einer geeigneten Anlagerung ohne schädliche Beeinflussung des Stabes 2 und zur Vermeidung eines Rückströmens von Kupfer in den Spielraum zwischen dem Stab 2 und dem Mundstück 29 die Vorschubgeschwindigkeit des Stabes einen bestimmten, von den physikalischen Eigenschaften der Vorrichtung abhangigen Wert überschreiten muss. Der Stab 2 durchsetzt die Schmelze im Tiegel und entzieht dem geschmolzenen Material Wärme, so dass sich dieses Material anlagert und am Stab verfestigt, wodurch der Durchmesser des Stabes zunimmt und auch eine Wärmedehnung desselben auftritt.
Am Auslassende 29'des Mundstückes 29 drängt der hydraulische Druck des geschmolzenen Kupfers im Tiegel das geschmolzene Kupfer in den Spielraum zwischen dem Mundstück und dem Stab. Durch die kombinierte Wirkung der Vorschubgeschwindigkeit des Stabes und der fortlaufenden Verfestigung von geschmolzenem Kupfer am Stab tritt aber keine die Verfahrensausübuhg hindernde Gegenströmung von geschmolzenem Material im Mundstück auf.
Bei der Anlagerung von geschmolzenem Material am Stab wächst dessen Durchmesser an, und schliesslich läuft der Stab durch die inerte Gasschicht, die sich oberhalb der Schmelze befindet, und tritt aus dem Tiegel durch ein Mundstück 43 aus. Gegebenenfalls können geeignete Kühleinrichtungen 44, wie Sprühdüsen, angewendet werden, um den stark erhitzten Stab beim Verlassen des Tiegels abzukühlen.
Der aus dem Tiegel im stark erhitzten Zustand austretende Stab ist äusserst zerbrechlich. Um einen Bruch des Stabes zu verhindern, kann eine stossabsorbierende Schleife 45 angewendet werden. Mit dieser Schleife kann die Vorschubrichtung des Stabes z. B. um mehr als 900 geändert werden. Die stossabsorbierende Schleife 45 wird durch einen Arm 46 gebildet, der um eine Achse 47 schwenkbar ist. An diesem Arm befinden sich mehrere Rollen 48, die infolge eines Gegengewichtes 49, das an einem Fortsatz des Armes 46 befestigt ist, eine Vorspannung des Stabes 2 bewirken. Die Rückwirkung des bewegten Stabes hat eine Schwenkung des Armes 46 in solchem Sinne zur Folge, dass ein Ventil 50 betätigt wird.
Das pneumatische Ventil 50 ist über eine Leitung 51 mit einer Druckmittelquelle verbunden und kann eine Luftturbine 52 betätigen, welche in nachfolgend beschriebener Weise der zweiten Antriebseinrichtung für den Vorschub des Stabes hinter der stossabsorbierenden Schleife zugeordnet ist.
Wie schon erwähnt, hat der aus dem Tiegel austretende Stab infolge der Anlagerung von Kupfer einen vergrösserten Querschnitt. Infolge der Wärmedehnung ist die Stablänge wesentlich erhöht und es müssen deshalb in dem Vorschubmechanismus, der zum Abziehen des Stabes an der Austrittsseite des Tiegels dient, entsprechende Kompensationseinrichtungen vorgesehen werden. Der vorstehend erwähnte Arm 46 und seine Verbindung mit dem Ventil 50 bilden eine Fühleinrichtung, die den Vorschubrollen 55 und 56 zugeordnet ist, welche sich hinter der stossabsorbierenden Schleife 45 befinden. Den Vorschubrollen 55 und 56 wird die Antriebsleistung über die schon erwähnte Welle 23 zugeführt, welche mit der ersten Antriebseinrichtung für die Vorschubrollen 9 und 10 gekuppelt ist.
Die Drehbewegung der Welle 23 wird über einen Getriebekasten 60 und auf Riemenscheiben 61 und 62 übertragen, die miteinander durch einen Riemen 63 verbunden sind. Die Riemenscheibe 62 sitzt auf einer Antriebswelle 71, welche ein Differentialgetriebe 64 antreibt. Die Ausgangswelle des Differentialgetriebes 64 ist mit der Welle 65 gekuppelt, auf welcher die Vorschubrolle 55 sitzt.
Die Vorschubrolle 56 wird von einer Welle 65 über Zahnräder 66 und 67 angetrieben. Um die Vorschubgeschwindigkeit der Rollen 55 und 56 zu ändern, wird das Differentialgetriebe 64 über eine Welle 72 von der Luftturbine 52 gesteuert. Die Drehzahl der Luftturbine 52 wird durch das schon erwähnte Ventil 50 geregelt, das über Leitungen 68 und 69 mit der Luftturbine in Verbindung steht. Eine Betätigung des
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Ventils 50 bewirkt eine Drehung der Welle 72 in der einen oder andern Richtung zwecks Regelung der Drehzahl der Vorschubrollen 55 und 56. Zur Abstützung des Stabes 2 sind in der Nähe der Vorschubrollen 55 und 56 noch mehrere Rollen 70 vorgesehen.
Im Betrieb der Vorrichtung nach Fig. l wird ein kontinuierlicher Stab 2 in die Ziehvorrichtung 3 und in die Schabvorrichtung 4 eingeführt, wo die Oberfläche des Stabes vom Oxydüberzug und von andern Verunreinigungen befreit wird und das Schabwerkzeug in innigem Kontakt mit dem Stab steht, so dass es eine Abdichtung zwischen der freien Atmosphäre und dem Kanal bildet, der beim Rohr 5 beginnt und beim Rohr 25 endet. Der Stab durchsetzt das Rohr 5, das dicht mit der Schabvorrichtung 4 und dem nachfolgenden Gehäuse 6. verbunden ist. Hernach gelangt der Stab durch das Gehäuse 6 zur Umlenkrolle 7 und wird hinter dieser von den Vorschubrollen 9 und 10 im Gehäuse 8 erfasst. Diese Rollen ziehen den Stab 2 durch die bereits beschriebenen Zieh-und Schabvorrichtungen und schieben ihn durch das Gehäuse 8.
Beim Durchlaufen des Gehäuses 8 wird der Stab von geeigneten Rollen 11 abgestützt. Der Stab tritt nun in das Rohr 25 und in das Mundstück 29 ein, wobei seine Oberfläche rein und praktisch vollkommen entgast ist.
Nun gelangt der Stab in den Tiegel, der bis zu einer vorgeschriebenen Spiegelhöhe mit geschmolzenem Kupfer 30 gefüllt ist, und es wird nun eine in der Dicke zunehmende Schicht von geschmolzenem Kupfer am Stab angelagert, so dass der Durchmesser des Stabes allmählich zunimmt, wobei sich das angelagerte Material fest mit dem Kernstab verbindet. Diese feste. Bindung ergibt sich deshalb, weil der in den Tiegel eingeführte Stab praktisch gasfrei ist und weil alle festen und flüssigen Verunreinigungen, die bei erhöhten Temperaturen verdampfen und den Anlagerungsvorgang schädlich beeinflussen könnten, beseitigt worden sind.
Da ferner im Schmelzofen und im Tiegel eine inerte Gasschicht und Reduktionsmittel, wie Graphit oder Phosphor, angewendet werden, ist der Sauerstoffgehalt des an der Anlagerungsstelle vorhandenen Kupfers so niedrig, dass während der Zeit, in der sich das geschmolzene Kupfer verfestigt, keine Gase abgeschieden werden. Der Stab 2 durchsetzt nun das Mundstück 43 und tritt damit aus dem Tiegel aus.
Gegebenenfalls können an dieser Stelle geeignete Kühleinrichtungen 44, wie Sprühdüsen, angewendet werden, um die Temperatur des Stabes herabzusetzen.
Der Stab bildet nun eine stossabsorbierende Schleife 45, in welcher die Rollen 48 infolge ihrer Vorspannung durch das Gegengewicht 49, das am Arm 46 befestigt ist, gegen den auf hoher Temperatur befindlichen Stab gedrückt werden, dessen Länge infolge der Wärmedehnung erhöht und dessen Querschnitt infolge der Anlagerung vergrössert ist. Der Vorspannung durch das Gegengewicht 49 wirkt die Vorschubkraft der Rollen 55 und 56 entgegen, welche das Abziehen des Stabes bei seinem Austritt aus dem Tiegel bewirken.
Wegen der Zerbrechlichkeit des Stabes an dieser Stelle wird die. Vorschubgeschwindigkeit der Rollen 55 und 56 in Abhängigkeit von der Kraft gesteuert, welche in der stossabsorbierenden Schleife vom Stab auf die Rollen 48 ausgeübt wird. Eine Bewegung dieser Rollen bewirkt eine Verdrehung der Welle 47, welche das Ventil 50 steuert. Vom Ventil 50 gelangt dann über die Leitungen68 und 69 Luft zur Luftturbine 52, wodurch die Drehzahl und Drehrichtung der Ausgangswelle 72 dieser Turbine beeinflusst wird.
Wie schon erwähnt, wird die Drehbewegung der Welle 15 über die Welle 23, den Getriebekasten 60 und die Riemenscheiben 61 und 62 zur Antriebswelle 71 des Differentialgetriebes 64 übertragen. Wenn die Luftturbine 52 stillsteht, so tritt keine Erhöhung oder Erniedrigung der Drehzahl der getriebenen Welle 65 gegenüber der treibenden Welle 71 des Differentialgetriebes 64 auf. Eine Zufuhr von Luft über die Leitung 68 und 69 bewirkt, dass sich die Luftturbine 52 in bestimmtem Drehsinn dreht. Der Drehsinn der Ausgangswelle 72 der Lufuurbine 52 bestimmt seinerseits, ob die Drehzahl der Vorschubrollen 55 und 56 kleiner oder grösser als die Drehzahl der Vorschubrollen 9 und 10 ist. Der Stab wird von den Rollen 70 zu einem geeigneten Speicherraum geführt, von dem aus der Stab andern Ziehvorrichtungen od. dgl. zugeführt werden kann.
DasVerfahren nach der Erfindung führt zu einem Produkt, bei dem das angelagerte Material fest mit dem ursprünglichen Material verbunden ist. Der Kernstab kann aus Kupfer oder einem andern Material, wie Nickel oder Stahl, bestehen, an dem eine Anlagerung von Kupfer erwünscht ist.