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Vorrichtung und Verfahren zum Aufbringen von geschmolzenem Metall auf einen stangen-, rohr-oder bandförmigen Kern
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Aufbringen von geschmolzenem Metall auf einen stangen-, rohr-oder bandförmigen Kern, mit einem Tiegel, der das geschmolzene Auftragsmaterial enthält, durch welches der Kern aufwärts hindurchgeführt wird und mit einer Einrichtung zum Aufbringen eines Kühlmittels auf den hiebei erhaltenen Formling.
Es ist eine Vorrichtung zum Aufbringen eines geschmolzenen Metallüberzuges auf ein strangförmiges Material bekanntgeworden (österr. Patentschrift Nr. 199026).
Diese Vorrichtung ist mit einem Behälter für geschmolzenes Überzugsmetall versehen, dessen Boden eine Öffnung für den Durchtritt des strangförmigen Materials mit einem Spiel rings um dasselbe aufweist und auf allen Seiten nach oben auf den Rand der Öffnung zu abgeschrägt verläuft, wobei sich dieser Rand der Öffnung oberhalb des normalen Spiegels des geschmolzenen Metalls in dem Behälter befindet.
Darüber hinaus besitzt die Vorrichtung Einrichtungen, um ein strangförmiges Gebilde kontinuierlich nach oben durch die Öffnung zu führen, auf das strangförmige Gebilde vor Durchtritt durch diese Öffnung einwirkende Zentrierungsmittel und ein unmittelbar über der Öffnung angeordnetes Regelelement zur Regelung der Überzugsstärke, bestehend aus einem von dem Überzugsmetall nicht-benetzbaren Material, mit einer auf die Behälteröffnung ausgerichteten Öffnung für den Durchtritt des zu überziehenden Guts mit einem Spiel rings herum.
Der Tiegel dieser bekannten Vorrichtung ist nach oben zu offen. Wird das strangförmige Material jedoch mit grosser Geschwindigkeit durchgezogen, so muss oberhalb des Tiegels das oberwähnte Regelelement angeordnet sein. Zweckmässigerweise ist an dieses eine nach oben verlaufende Haube angeschlossen, in welcher sich eine neutrale Atmosphäre befindet. Diese soll eine neuerliche Oxydbildung nach dem Durchtritt durch das Regelelement verhindern.
Mit dieser bekannten Vorrichtung ist es bloss möglich, einen dünnen Überzugsfilm aufzubringen, der infolgedessen rasch abkühlt, weswegen keine eigene Kühleinrichtung vorgesehen ist.
Es ist auch eine Vorrichtung bekanntgeworden, mit welcher das Aufbringen einer dickeren Schicht möglich ist. Bei dieser Vorrichtung wird ein strangförmiger Körper gereinigt und durch eine evakuierte Eintrittskammer geführt, welche unter oder am Boden eines ein Schmelzbad enthaltenden Tiegels vorgesehen ist. Der endlose, längliche Kern bzw. Körper wird nach oben durch das Schmelzbad geleitet, wobei dieses Bad die gleiche oder eine andere chemische Zusammensetzung haben kann wie der Kern. Das geschmolzene Material in dem Tiegel legt sich an der Oberfläche des Kernes an bzw. ab und vergrössert dabei dessen Querschnitt merklich. Nach dem Verlassen des Tiegels wird der entstandene Formling mittels einer Flüssigkeit z. B. Wasser, welches aus einer oder mehreren Düsen versprüht wird, zumindest so weit gekühlt, dass er gewalzt oder anders bearbeitet werden kann.
Von dieser Kühlstelle kann also der Formling zu einer entsprechenden Walzvorrichtung, in welcher er bei Verringerung des Querschnittes gestreckt wird, und anschliessend zu einer geeigneten Autnahmevorrichtung z. B. einer Haspel geführt werden.
Diese Vorrichtung hat den Nachteil, dass in die Nähe des heissen Schmelzbades gelangendes Wasser in Dampf verwandelt wird, was eine entsprechende Volumszunahme zur Folge hat, die einen starken,
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explosionsartigen Druckanstieg nach sich ziehen kann. Ferner kann das Wasser oder der Dampf aufgespalten und der elementare Wasserstoff und Sauerstoff in dem geschmolzenen Material gelöst werden und/oder mit diesem reagieren. Der Sauerstoff kann zur Bildung unerwünschter Oxyde Anlass geben. Weiters wird die Anwesenheit grösserer Mengen von Wasserstoff oder von Wasserstoff und Sauerstoff im geschmolzenen Metall zur Bildung von Gasblasen bei der Verfestigung des aufgebrachten Materials des Formlings Anlass geben.
Die Bildung von Oxyden, Gasblasen und/oder Lunkern beeinträchtigt nicht nur normenwidrig die Qualität des Produkts sondern beeinflusst auch die Gleichmässigkeit der Anlage des geschmolzenen Materials an den Kern ungünstig, indem Gebiete relativ schlechter Wärmeleitfähigkeit innerhalb der Masse mit guter Wärmeleitfähigkeit entstehen. Daher ist die unerwünschte Wirkung des Sauerstoffes und des Wasserstoffes nicht auf Oxydationsvorgänge oder die von den Gasen geschaffenen Blasen beschränkt, sondern besteht hauptsächlich in den Unregelmässigkeiten der Wärmeübertragung, die eine wesentliche Ungleichheit der Aussenform des angelagerten überzuges zur Folge hat.
Blasen, Lunker, Oxydationsvorgänge, innere Ungleichmässigkeiten und unregelmässige Anlagerung sind allesamt sehr nachteilig, da sie das Entstehen von Sprüngen und Rissen bei Beanspruchung, wie beim Biegen, Walzen, Ziehen od. dgl. begünstigen oder hervorrufen. Produkte mit derartigen Schäden sind meist unbrauchbar.
Den Gegenstand der Erfindung bildet eine Vorrichtung zum Aufbringen von geschmolzenem Material, z. B. Metall auf einen stangen-, rohr-oder bandförmigen Kern, bei welcher die oberwähnten Nachteile dadurch behoben sind, dass erfindungsgemäss der eine Eintrittsöffnung für den strangförmigen Kern aufweisende Tiegel zum Auftragen des Metalls, allseitig geschlossen und mit einer Austrittsöffnung für den Formling versehen ist, an welche ein Rohr angesetzt und dessen lichte Weite zur Bildung eines durchgehenden Ringspaltes auf den Formlingsquerschnitt abgestimmt ist, wobei in den Tiegel oberhalb des Niveaus des Auftragsmetalls eine Zuleitung für ein inertes Gas mündet, das mit einem Druck eingebracht wird, der den Austritt desselben in dem Ringspalt zwischen Formling und Rohrinnenwandung unter Verhinderung des Eintrittes von Kühlmittel in den Tiegel sicherstellt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich, wenn die Länge des an den Tiegel angesetzten Rohres auf den Ringspaltquerschnitt und den Druck des ausströmenden Gases abgestimmt und hiedurch das Verdampfen und Abführen von in das Rohr eingetretenem Kühlmittel gewährleistet ist, wobei das inerte Gas in dem Tiegel unter einem Druck gehalten sein kann, demzufolge dasselbe durch den Ringspalt mit zumindest einem Drittel der Formlingsgeschwindigkeit austritt.
Zweckmässig ist es, wenn beim Auftragen von Kupfer auf einen Kern aus Kupfer das Kühlmittel Wasser und das inerte Gas Stickstoff ist.
In den Zeichnungen ist eine beispielsweise Ausführungsform einer Vorrichtung veranschaulicht, an Hand derer die Erfindung im folgenden näher beschrieben wird. Es zeigt Fig. 1 die Ansicht der Vorrichtung teilweise im Schnitt und Fig. 2 in grösserem Massstab den Tiegel geschnitten.
Das folgende Ausführungsbeispiel betrifft die Herstellung einer endlosen Kupferstange, doch kann die Erfindung selbstverständlich auch für die Erzeugung anderen Gutes, wie für Bleche, Rohre oder Bänder sowie aus anderem Metall oder Material angewendet werden.
Gemäss Fig. 1 wird ein stangenförmiger fortlaufender Kern--l--aus Kupfer in eine zieh-und Abstreifeinrichtung --2-- eingeführt, in welcher Oxydschichten oder andere Oberflächenverunreinigungen entfernt werden. Gegebenenfalls können zur Reinigung der Stangenoberfläche auch andere Einrichtungen vorgesehen sein. Die Stange läuft durch Antriebsorgane--3--und tritt durch eine Douse --4-- in dem Boden eines Tiegels-8-, welcher ein Bad-5-aus geschmolzenem Kupfer enthält. Das geschmolzene Kupfer wird dem Tiegel von einer geeigneten Speiseeinrichtung, wie etwa einem elektrischen Induktionsofen, zugeführt und der Tiegel wird mittels eines entsprechenden Heizorgans, wie z.
B. eines Elektroheizers, auf der gewünschten Temperatur gehalten. Von einer Quelle --6-- wird zur Herstellung einer inerten Atmosphäre oberhalb des Schmelzbades durch eine Versorgungsleitung --7-- unter Druck trockener Stickstoff od. dgl. zugeführt. Beim Durchlaufen des Kernes durch das im Tiegel enthaltene Schmelzbad, wird sich geschmolzenes Kupfer zunehmend anlegen und dabei eine Stange eines stärkeren Durchmessers bilden, bei welcher im wesentlichen geschmolzenes Metall an den stangenförmigen Kern gebunden ist (Fig. 2).
Ein langgestrecktes Rohr --9-- erstreckt sich vom Tiegel --8-- nach oben und der entstandene Formling mit dem aufgetragenen Kupfer verlässt den Tiegel durch dieses Rohr. Der Formling, der aus dem Tiegel --8-- bzw. dem Rohr --9-- austritt. weist eine relativ hohe Temperatur auf und wird durch Kühlorgane, wie z. B. eine wasserversprühende Douse--10-, etwas abgekühlt, bevor er durch einen regelbaren Antrieb hindurchläuft, wobei zweckmässigerweise eine
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geeignete stossdämpfende Schleife vorgesehen ist. Von dort wird der Formling gegebenenfalls zu einer Ziehvorrichtung oder allfällig an einen Lagerplatz geführt.
Das Austrittsrohr --9-- besitzt einen Innendurchmesser, der vorzugsweise nur etwas grösser ist als der Durchmesser des heissen Formlings. Aus der Düse--10--versprühtes Wasser könnte durch das Rohr--9--in den Tiegel eintreten, wo es verdampft und/oder zerlegt würde, was eine Verunreinigung des Schmelzbades und somit der Formlinge zur Folge hätte. Gemäss der Erfindung wird daher laufend trockener Stickstoff in den Tiegel geleitet, wobei ein ausreichender Druck aufrecht erhalten wird, um einen ununterbrochenen Stickstoffaustritt aus dem Tiegel durch den freien Querschnitt des Austrittsrohres --9-- sicherzustellen und hiedurch das System rein zu halten, wie im folgenden näher erläutert wird.
Es ist zu ersehen, dass der Auftragsvorgang bei relativ hohen Temperaturen durchgeführt wird. So wird z. B. bei einem Tauchvorgang zum Formen von Kupferstangen das Schmelzbad auf einer Temperatur von ungefähr 11200C gehalten, und infolgedessen ist auch die Umgebung heiss. Die Oberflächentemperatur des Formlings bei dessen Austritt aus dem Schmelzbad liegt bei etwa 10000C.
Die Temperatur des Formlings bleibt innerhalb des Austrittsrohres--9--im wesentlichen konstant und sinkt nur bei seinem Verlassen des Bades etwas ab. Zum Kühlen der Aussenseite des Austrittsrohres sind keine besonderen Massnahmen vorgesehen, weswegen in dem Spaltraum zwischen dem Formling und dem Austrittsrohr die Temperatur im wesentlichen oberhalb des Siedepunktes des Wassers verbleibt. Als Folge davon wird von der Düse--10-versprühtes Wasser, welches in das Austrittsrohr gelangt, durch die hohen Temperaturen zerlegt und/oder verdampft werden.
Das Austrittsrohr --9-- soll eine ausreichende Länge aufweisen, um erfahrungsgemäss jegliches in dieses eingedrungene Wasser zu verdampfen. Das heisst, in den Ringspalt zwischen der Rohrwand und dem Formling eindringendes Wasser wird voraussichtlich zuerst gespalten oder teilweise zerlegt und teilweise verdampft, und das Rohr--9--soll lang genug sein, um eine ausreichende Verweilzeit für das Wasser zu dessen zumindest annähernd gänzlicher Verdampfung zu gewährleisten. Um ein Eindringen von Wasser in den Tiegel zu verhindern, wird diesem Stickstoff mit einem Druck zugeführt, der so gross ist, dass über den gesamten Querschnitt des Ringspaltes die Strömung nach aussen verläuft.
Dies ist bei einer laminaren Störung gewährleistet, bei welcher die Durchschnittsgeschwindigkeit des Gases (Ausflussgeschwindigkeit) ein Drittel der Formlingsgeschwindigkeit übersteigt.
Das System wird durch das ständige Austreten von Stickstoff von den entstandenen Dämpfen rein gehalten, doch kann dieser Reinigungsstrom selbstverständlich auch fein verteilte Flüssigkeitströpfchen enthalten. Da diese Analyse eine laminare Störung zur Basis hat, aber auch turbulente Strömungsverhältnisse vorherrschen können, ist es erforderlich, den Wert von einem Drittel der Formlingsgeschwindigkeit zu übertreffen. Es ist verständlich, dass sich die Arbeitsbedingungen für die Reinhaltung des Systems in Abhängigkeit von gewissen Faktoren, wie dem Material, mit dem tauchgeformt werden soll, der Kerngrösse und der Formlingsgrösse, der Kerngeschwindigkeit, der Arbeitstemperatur usw., ändern werden.
Zur weiteren Erläuterung ein Beispiel :
Eine Kupferstange wurde geformt, indem ein Kupferkern mit einem Durchmesser von etwa 9, 6 nun durch ein Bad von geschmolzenem Kupfer geführt wurde. Der aus dem Bad austretende Formling hatte einen Durchmesser von annähernd 16 mm und wurde mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 61 m/min durch ein längliches Austrittsrohr bewegt, das etwa 90 cm Länge und einen Innendurchmesser von 25 mm aufwies. In den Tiegel wurde gasförmiger Stickstoff in der Grössenordnung von 56, 6 dm3/min mit einem Druck von 0, 035 kg/cm2 eingeleitet, wodurch ein ständiger Austritt des Reinigungsstromes aus dem System gewährleistet wurde.
Die hiebei entstehenden Formlinge zeichnen sich durch eine hohe Qualität aus und sind im wesentlichen frei von Unregelmässigkeiten oder Verunreinigungen.
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