Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gerichteten Erstarrung von geschmolzenem Gussmaterial, bei dem ein langgestreckter, wenigstens abschnittsweise prismatischer, insbesondere strangförmiger Festkörper aus einer Schmelze fortschreitend über eine die Erstarrungsfront enthaltende Mündungszone der Schmelze ausgebracht wird. Zum Gegenstand der Erfindung gehört femer eine Einrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Es ist bekannt, dass sich durch gerichtete Erstarrung von beispielsweise metallischen Schmelzen in Abhängigkeit von den die Schmelze bildenden Komponenten und deren Eigenschaften Werkstoffe mit für viele Zwecke erwünschten kristallinen Strukturen herstellen lassen. Hierbei handelt es sich insbesondere um Mehrphasenstrukturen, bei denen die bevorzugte Wachstumsrichtung der Kristallite bestimmter Phasen bei der Erstarrung über mikroskopische oder auch makroskopische Bereiche, gegebenenfalls auch mehr oder weniger über den gesamten Werksstückquerschnitt, untereinander gleichförmig ausgerichtet sowie in bestimmter Weise bezüglich der Längsrichtung des meist strangförmigen Werkstücks orientiert werden.
Die Orientierung der Kristallit-Wachstumsrichtung und damit die Orientierung der Gefügestruktur ist dabei wesentlich von der Richtung des Temperaturgradienten im Bereich der Erstarrungsfront und damit von der Form der in bezug auf das Werkstück bzw. die Schmelze fortschreitenden Erstarrungsfront abhängig.
Beispielsweise ist es oft erwünscht, die Erstarrungsfront nicht nur im mittleren Querschnittsbereich eines strangförmigen Werkstücks, welches aus einer Schmelze gezogen wird, sondern auch möglichst weit bis zu den Querschnittsrändern hin wenigstens annähernd eben zu halten, und zwar unter ständig oder zeitlich abschnittsweise stationären Verhältnissen über die Dauer des kontinuierlichen Ziehvorganges. Gegebenenfalls können dabei zwischen aufeinanderfolgenden, in sich stationären Verfahrensabschnitten Orientierungs- oder sonstige Strukturänderungen gezielt eingesteuert werden. Während der einzelnen, stationären Verfahrensabschnitte kommt es jedoch vielfach immer wieder auf die Einstellung und Aufrechterhaltung einer in bestimmten Grenzen vorgegebenen und insbesondere wenigstens annähernd ebenen Erstarrungsfront an.
Insbesondere gilt dies für die Herstellung von infiltrierten Kompositstrukturen, z. B. in eutektischen Kupfer Wolfram-, Aluminium-Kohlenstoff-Systemen und dergleichen, bei denen eine mehr oder weniger starke Krümmung bzw. Wölbung der Erstarrungsfront eine statistisch unregelmässige Kristallisationsrichtung der erstarrenden Schmelze und daher ein makroskopisch ungerichtetes Gefüge zur Folge hat. In solchen Fällen hängt also die Verwirklichung der erstrebten Gefügestrukturen unmittelbar von der Einstellung und Aufrechterhaltung einer in vergleichsweise engen Grenzen ebenen Erstarrungsfront ab. Die Verhältnisse werden vielfach noch dadurch kompliziert, dass die Ausbildung der erstrebten Textur von der Einhaltung gewisser Mindestbeträge des Temperaturgradienten im Bereich der Erstarrungsfornt abhängig ist.
Aufgabe der Erfindung ist in diesem Zusammenhang die Schaffung eines Erstarrungsverfahrens für langgestreckte, insbesondere strangförmige Festkörper, welches die Einstellung und Aufrechterhaltung vorgegebener Wölbungen der Erstarrungsfront und insbesondere einer in gewissen Grenzen mindestens annähernd ebenen Erstarrungsfront bei gegebenenfalls steilem Temperaturgefälle im Bereich der Erstanungsfront ermöglicht.
Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art hauptsächlich dadurch, dass im Bereich der Erstarrungsfront der Schmelze eine sich längs dem Umfang des Querschnitts des austretenden Gussmaterials und sich im wesentlichen quer zur Längsrichtung des austretenden Festkörpers erstreckende Randzone des Gussmaterials erzeugt wird, innerhalb deren kein wesentlicher radialer Wärmeabfluss durch die Oberfläche des Gussmaterials nach aussen erfolgt.
Durch die Erzeugung einer solchen von radialem Wärmeabfluss nach aussen im wesentlichen-freien Randzone des Gussmaterials, das heisst der Schmelze oder des Festkörpers, je nach der Lage der betreffenden Materialstelle oberhalb oder unterhalb der Erstarrungsfront, in Verbindung mit einer entsprechenden Einstellung der Erstarrungsfront in Vorschubrichtung des austretenden Festkörpers in bezug auf die z. B. ortsfeste wärmeabflussfreie Randzone lässt sich eine ebene, gegebenenfalls aber auch eine gezielt konkave oder konvexe Form der Erstarrungsfront verwirklichen.
Die sich auf eine Einrichtung zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens beziehende Lösung der Erfindungsaufgabe kennzeichnet sich dadurch, dass zur Aufnahme der Schmelze ein Tiegel vorgesehen ist, der im Bereich seiner Mündung eine den Mündungsquerschnitt umgebende Zone ohne wesentlichen radialen Wärmezufluss aus dem in der Tiegelmündung befindlichen Gussmaterial aufweist. Vorzugsweise kommt hierfür ein im Bereich seiner Mündung wärmeisolierter Tiegel oder ein in diesem Bereich aufheizbarer Tiegel in Betracht.
Vor allem die letztgenannte Ausführungsform eignet sich für die Erzeugung eines steilen Temperaturgefälles im Bereich der Erstarrungsfront, weil infolge der Aufheizung der Tiegelmündung in bezug auf eine vorgegebene Lage der Erstarrungsfront die Kühlzone nahe an die Tiegelmündung herangebracht werden kann, wobei die Ausdehnung der wärmeübergangsfreien Randzone in Strangvorschubrichtung entsprechend abnimmt. Dadurch ergibt sich das gewünschte steile Temperaturgefälle, während anderseits im mittleren Bereich zwischen Aufheiz- und Abkühlungszone gleichwohl ein Bereich ohne radiale Wärmeströmung bestehen bleibt. Infolgedessen ist auch bei einem solchen steilen Temperaturgefälle und einer schmalen wärmeübergangsfreien Randzone gleichwohl die Verwirklichung von konkaven, ebenen und konvexen Erstarrungsfrontformen in gezielter Weise möglich.
Ein etwa gewünschter Übergang zu flacherem Temperaturgefälle hin kann dabei jeweils durch Einstellen einer grösseren Längenausdehnung der wärmeübergangsfreien Randzone in Strangvorschubrichtung erzielt werden, wodurch die Einhaltung einer ebenen Erstarrungsfront erleichtert und begünstigt wird.
Die Erfindung wird weiter anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
Hierin zeigt:
Fig. 1 den schematischen Vertikalschnitt eines üblichen Stranggiess-Tiegels mit einer Mündung und austretendem, drahtförmigem Strangkörper mit einer Schar von die Temperaturverteilung innerhalb des Vertikalschnitts wiedergebenden Temperatur-Niveaulinien und zwei zugehörigen Temperaturprofilen, bezogen auf verschiedene Querschnittsebenen des Tiegels und der Schmelze bzw. des Strangkörpers.
Fig. 2 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemässen Einrichtung zum Stranggiessen in einem schematischen Längsschnitt des Schmelztiegels und einer nachgeschalteten Kühlvorrichtung.
Fig. 3 den Tiegel der Einrichtung gemäss Fig. 2 in einer Darstellung entsprechend Fig. 1 mit den sich hier einstellenden Temperatur-Niveaulinien,
Fig. 4 den Tiegel einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemässen Stranggiesseinrichtung in schematischem Vertikalschnitt,
Fig. 5 einen Horizontalschnitt des Tiegels im Bereich der Mündung gemäss Schnittebene V-V in Fig. 4 und
Fig. 6 eine abgewandelte Tiegelausführung ähnlich derjenigen gemäss Fig. 4 in einer Darstellung entsprechend Fig. 1 und 3 mit den sich hier einstellenden Temperatur-Niveaulinien.
Fig. 1 zeigt die Temperaturverteilung in einem Tiegel 1 üblicher Art, der die Schmelze 2 enthält und aus dem über eine formgebende Mündung 3 ein drahtförmiger Strangkörper 4 vertikal nach unten abgezogen wird. Die Aufheizung der Schmelze erfolgt mittels einer üblichen Induktionsheizung, beispielsweise einer Hochfrequenzheizung, deren Leiter 5 im Querschnitt angedeutet ist. Das von diesem Leiter ausgehende Hochfrequenzfeld induziert in der leitfähigen Schmelze entsprechende Wirbelströme, während innerhalb der im vorliegenden Fall als elektrisch isolierend oder schlecht leitfähig angenommenen Tiegelwandung keine Wärmeentwicklung vorhanden ist. Demgemäss nimmt die Temperatur der Schmelze in den Randbereichen durch radiale Wärmeabströmung über die Tiegelwandung ab. In der angedeuteten Querschnittebene I des Tiegels ergibt sich somit ein nach aussen hin abfallendes Temperaturprofil A.
Im Bereich oberhalb der Mündung 3 des Tiegels stellt sich ein noch steilerer Randabfall der Temperatur der Schmelze ein, weil für die Wärmeabströmung nicht nur der radiale Weg über die zylindrische Tiegelwandung, sondern zusätzlich derjenige schräg nach unten durch den Tiegelboden gegeben ist. Somit ergibt sich in der Querschnittsebene II etwa das angedeutete Temperaturprofil D. Weiterhin hat der radiale und axiale Wärmeabfluss im Mündungsbereich des Tiegels zur Folge, dass die Temperatur-Niveaulinien a bis d im Querschnittsbereich der Tiegelmündung eine nach unten, das heisst in Strangvorschubrichtung gesehen, mehr oder weniger stark konkav gewölbte Form annehmen.
Entsprechendes gilt für die Erstarrungsfront e, die nach den eingestellten Temperaturwerten, das heisst in Abhängigkeit von der Tiegelheizung und der Strangvorschubgeschwindigkeit, eine bestimmte Höhenlage innerhalb der Tiegelmündung einnimmt.
Diese Wölbung der Erstarrungsfront steht einer gerichteten Erstarrung im allgemeinen entgegen, weil einerseits die Vorzugsrichtung der Erstarrungstextur dem Temperaturgradienten, das heisst der Normalen zur Erstarrungsfornt entspricht und anderseits eine ungestörte Ausbildung der Erstarrungstextur über vergleichsweise grosse Strecken im wesentlichen nur in Stranglängsrichtung möglich ist. Dies gilt vor allem für langgestreckte oder fadenartige Kristallite wie z. B.
Whisker, weil diese Kristallite bei einer Vorzugsrichtung des Kristallwachstums, die im Winkel zur Stranglängsrichtung angeordnet ist, vergleichsweise rasch auf Begrenzungen stossen und in ihrem weiteren Wachstum gehemmt werden. Aus diesem Grund ist für eine gerichtete Erstarrung im allgemeinen ein vergleichsweise hoher Ebenheitsgrad der Erstarrungsfront anzustreben, wenn auch eine gewisse Wölbung zulässig und in bestimmten Fällen eine konkave oder konvexe Erstarrungsfront erwünscht sein mag.
Zur Verbesserung des Ebenheitsgrades der Erstarrungsfront beim Stranggiessen ist daher in der Einrichtung gemäss Fig. 2 an der Unterseite eines die Schmelze 2 enthaltenden Tiegels 10 ein die Tiegelmündung 12 umgebendes, plattenförmiges Isolierelement 14 angeordnet, welches die Wärmeabströmung im Mündungsbereich des Tiegels stark herabsetzt und somit praktisch keine Wärme aus dem Gussmaterial entnimmt, den Wärmeabfluss innerhalb des Gussmaterials (Schmelze bzw. Festkörper) im Mündungskanal selbst also im wesentlichen auf die Stranglängsrichtung beschränkt.
Unter Annahme eines wiederum elektrisch nicht oder schwach leitenden Tiegelmaterials sowie Einsatz einer elektrischen Induktionsheizung (in Fig. 2 nicht dargestellt) ergibt sich hierdurch eine Temperaturverteilung innerhalb des Gussmaterials und des Tiegels, wie sie in Fig. 3 angedeutet ist.
Wie aus den dargestellten Temperatur-Niveaulinien a' bis d' hervorgeht, ist auch hier infolge der Wärmeabströmung ein nach aussen gerichtetes Temperaturgefälle innerhalb der
Schmelze und der Tiegelwandung vorhanden. Im Mündungs bereich des Tiegels weist z. B. die Niveaulinie a' (räumlich betrachtet gilt entsprechendes für die Temperatur-Niveau flächen) infolge des vergleichsweise grossen Wirkungsabstan des vom Isolierelement 14 noch einen in Strangvorschubrichtung gesehen konkav gewölbten Abschnitt auf, wogegen bereits die Niveaulinie b' infolge der Wärmedämmung durch das Isolierelement 14 im Mündungskanal selbst einen im wesentlichen ebenen Abschnitt e' aufweist, der beispielsweise die Erstarrungsfront darstellen kann. Weiter nach unten hin, im Beispielsfall innerhalb der Niveaulinie d', tritt wieder eine in Strangvorschubrichtung gesehen konkave Krümmung bzw.
Wölbung auf, was jedoch nach erfolgter Erstarrung ohne unerwünschte Wirkungen ist.
Im Bereich der Erstarrungsfront erfolgt also die Wärmeabfuhr aus der Schmelze im wesentlichen axial, das heisst parallel zur Stranglängsrichtung, weil innerhalb der sich längs dem Querschnittsumfang des austretenden Gussmaterials, d. h. Iängs der Bohrungsfläche des Isolierelements 14 erstreckenden Randzone des Gussmaterials kein wesentlicher radialer Wärmeabfluss auftritt. Danach erfolgt Wärmeabfluss wieder zunehmend in Radialrichtung über die Oberfläche des Strangkörpers in das umgebende Medium, beispielsweise das Kühlbad 16 einer in Fig. 2 angedeuteten Kühlvorrichtung.
Der gezogene Strangkörper 4 verlässt das Kühlbad kontinuierlich über eine dichtende Durchführung 18, während die weitere Wärmeabführung aus dem Kühlbad von einem innerhalb eines Aussenmantels 20 durchströmenden Kühlmedium 22 übernommen wird (siehe Fig. 2).
Über die Beeinflussung der Form der Erstarrungsfront hinaus ermöglicht die beschriebene Anordnung eines Isolierelementes die Verwirklichung eines vergleichsweise steilen Temperaturgefälles im Erstarrungsbereich, wie dies für zahlreiche Anwendungen der gerichteten Erstarrung erwünscht ist. Der Beginn der Abkühlungszone, im Beispiel gemäss Fig. 2 die Eintrittsstelle des Strangkörpers in das Kühlbad, kann hier nämlich sehr nahe an die Tiegelmündung heran verlegt werden, ohne die Form der Erstarrungsfront ungünstig zu beeinflussen.
Das Isolierelement verhindert dabei auch eine unzulässige Abkühlung der Tiegelmündung, die zu einer Verschiebung der Erstarrungsfront in den Bereich vor der Mündung und damit zur Bildung eines pilzförmigen Kopfes am oberen Ende des Strangkörpers innerhalb der Schmelze, das heisst zu einer Störung des kontinuierlichen Ziehvorganges führen kann.
Bei der Ausführung nach Fig. 4 und 5 ist wieder ein aus elektrisch nicht leitendem Material bestehender Tiegel 50 mit Induktionsheizung 52 vorgesehen. Die Formbeeinflussung der Erstarrungsfront erfolgt hier jedoch nicht mittels eines Isolierelementes, sondern durch eine zusätzliche Induktionsheizung 54 mit einem die Tiegelmündung umgebenden, ringförmigen Stromwürmeumsetzer 56, der seinerseits durch eine Isolierung 58 von einer sich an die Tiegelmündung anschliessenden Kühlvorrichtung 60 getrennt ist. Hierdurch werden unerwünschte Wärmeverluste der Mündungsheizung vermieden und ein geringerer Abstand zwischen Kühlzone und Schmelze im Sinne eines steilen Temperaturgefälles im Erstarrungsbereich ermöglicht.
Die Kühlvorrichtung umfasst einen Block 62 aus gut wärmeleitendem Material mit Kühlmittelkammer 64, an die mittels Klammern 66 Zu- und Abflussleitungen 65 bzw. 70 für das Kühlmittel angeschlossen sind. Das von der Kühlmittelkammer 64 umgebene Mittelstück 72 des Blockes 62 bildet einen Durchlass für den austretenden Strangkörper 4 und steht mit diesem auf einem ringartigen Oberflächenabschnitt in Berührung. Über diesen Oberflächenabschnitt erfolgt im Beispielsfall die Wärmeabfuhr unterhalb der Erstarrungs front, die innerhalb des Mündungskanals des Tiegels liegt.
Diese Art der Kühlung ermöglicht ebenfalls ein vergleichsweise steiles Temperaturgefälle ohne Beeinträchtigung der gezielten Einwirkung auf die Form der Erstarrungsfront.
Die durch Aufheizung der Tiegelmündung erzielbare Temperaturverteilung ist in Fig. 6 veranschaulicht Hier ist ein aus elektrisch leitfähigem Material bestehender Tiegel mit induktiver Hauptheizung 82 und Mündungsheizung 84 vorgesehen. Infolge der elektrischen Leitfähigkeit des Tiegelmaterials entfällt die Notwendigkeit eines besonderen Stromwärmeumsetzers an der Tiegelmündung. Die einstellbare Temperaturverteilung entspricht annähernd derjenigen bei einer Einrichtung mit Mündungsheizung gemäss Fig. 4.
Wie die in Fig. 6 angedeuteten Temperatur-Niveaulinien veranschaulichen, ist der Temperaturabfall im Vergleich zu der Ausführung nach Fig. 3 stärker auf die Tiegelwandung bzw. deren äussere Bereiche konzentriert, weil die Wärmeentwicklung ausser in der Schmelze auch in der Tiegelwandung selbst erfolgt. Dies gilt auch für den Bereich 86 der Tiegelmündung, der durch die Heizung 84 von innen heraus aufgeheizt wird. Die so vergleichsweise stark nach aussen verlagerten Temperatur-Niveaulinien treten im mittleren Mündungsbereich horizontal in den Querschnitt des Mündungskanals ein, womit sich beispielsweise ein im wesentlichen ebener Abschnitt e" einstellt, der bei geeigneter Bemessung der Temperaturwerte die Erstarrungsfront bilden kann.
Durch die Aufheizung der Tiegelwandung im Mündungsbereich lässt sich ferner beispielsweise an der weiter zur Schmelze hin gelegenen Temperatur-Niveaulinie d" innerhalb des Mündungskanals ein in Strangvorschubrichtung gesehen konvexer Abschnitt d", bilden, während die weiter nach aussen gelegene Niveaulinie f,' infolge der beginnenden Radialkühlung über die Strangoberfläche innerhalb des Mündungskanals einen in Strangvorschubnchtung gesehen konkaven Abschnitt f,'i aufweist. Durch geeignete Einstellung der Heizwirkung, der Strangvorschub- bzw. Ziehgeschwindigkeit und der übrigen Verfahrensparameter lässt sich die Erstanungsfront somit in eine konvexe, ebene oder konkave Form überführen.
Damit kann unterschiedlichen Anforderungen hinsichtlich der Form der Erstarrungsfront wie auch hinsichtlich der Steilheit des Temperaturgefälles in einem breiten Bereich Rechnung getragen werden.
PATENTANSPRUCH I
Verfahren zur gerichteten Erstarrung von geschmolzenem Gussmaterial, bei dem ein langgestreckter, wenigstens abschnittsweise prismatischer, insbesondere strangförmiger Festkörper aus einer Schmelze fortschreitend über eine die Erstarrungsfront enthaltende Mündungszone der Schmelze ausgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Erstarrungsfront der Schmelze eine sich längs dem Umfang des Querschnitts des austretenden Gussmaterials und sich im wesentlichen quer zur Längsrichtung des austretenden Festkörpers erstreckende Randzone des Gussmaterials erzeugt wird, innerhalb deren kein wesentlicher radialer Wärmeabfluss durch die Oberfläche des Gussmaterials nach aussen erfolgt.
UNTERANSPRÜCHE
1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die von radialem Wärmeabfluss im wesentlichen freie Randzone des Gussmaterials durch Wärmezufuhr über die Oberfläche der Schmelze in deren Mündungsbereich oberhalb der Erstarrungsfront erzeugt wird.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die von radialem Wärmeabfluss im wesentlichen freie Randzone des Gussmaterials durch Wärmeisolierung in einem die Erstarrungsfront übergreifenden Abschnitt der Oberfläche des Gussmaterials erzeugt wird.
3. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der von radialem Wärmeabfluss im wesentlichen freien Randzone des Gussmaterials eine Radialkühlung durch Wärmeabfuhr über die Oberfläche des Festkörpers herbeigeführt wird.
4. Verfahren nach Patentanspruch I und Unteranspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialkühlung durch Eintritt des Festkörpers in ein flüssiges Kühlbad unterhalb der im wesentlichen wärmeübergangsfreien Randzone herbeigeführt wird.
PATENTANSPRUCH II
Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufnahme der Schmelze ein Tiegel (10 bzw. 50) vorgesehen ist, der im Bereich seiner Mündung eine den Mündungsquerschnitt umgebende Zone ohne wesentlichen radialen Wärmezufluss aus dem in der Tiegelmündung befindlichen Gussmaterial aufweist.
UNTERANSPRÜCHE
5. Einrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufnahme der Schmelze ein im Bereich seiner Mündung wärmeisolierter Tiegel (10) vorgesehen ist.
6. Einrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufnahme der Schmelze ein im Bereich seiner Mündung aufheizbarer Tiegel (50) vorgesehen ist.
7. Einrichtung nach Patentanspruch II und Unteranspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die Aufheizung des Tiegels (50) eine elektrische Hochfrequenzheizung, vorzugsweise eine Induktionsheizung, mit im Bereich der Tiegelmündung befindlichem Stromwärmeumsetzer (56) vorgesehen ist.
8. Einrichtung nach Patentanspruch II und Unteranspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Tiegelwandung im Bereich der Tiegelmündung als Strom wärmeumsetzer ausgebildet ist.
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The invention relates to a method for the directional solidification of molten casting material, in which an elongated, at least partially prismatic, in particular strand-shaped solid is discharged from a melt progressively over an opening zone of the melt containing the solidification front. The subject matter of the invention also includes a device for carrying out such a method.
It is known that directional solidification of, for example, metallic melts, depending on the components forming the melt and their properties, can produce materials with crystalline structures that are desired for many purposes. These are in particular multi-phase structures in which the preferred growth direction of the crystallites of certain phases during solidification over microscopic or macroscopic areas, possibly also more or less over the entire workpiece cross-section, are uniformly aligned with one another and in a certain way with respect to the longitudinal direction of the mostly strand-shaped Workpiece are oriented.
The orientation of the crystallite growth direction and thus the orientation of the microstructure is essentially dependent on the direction of the temperature gradient in the area of the solidification front and thus on the shape of the solidification front progressing in relation to the workpiece or the melt.
For example, it is often desirable to keep the solidification front not only in the central cross-sectional area of a strand-like workpiece drawn from a melt, but also as far as possible up to the cross-sectional edges, at least approximately flat, under steady-state conditions over the period of time or over time Duration of the continuous drawing process. If necessary, orientation changes or other structural changes can be controlled in a targeted manner between successive, inherently stationary process sections. During the individual, stationary process sections, however, the setting and maintenance of a solidification front that is predetermined within certain limits and, in particular, at least approximately flat, is often important.
This applies in particular to the production of infiltrated composite structures, e.g. B. in eutectic copper tungsten, aluminum-carbon systems and the like, in which a more or less strong curvature or arching of the solidification front results in a statistically irregular crystallization direction of the solidifying melt and therefore a macroscopically undirected structure. In such cases, the realization of the desired microstructures depends directly on the setting and maintenance of a solidification front that is flat within comparatively narrow limits. The situation is often further complicated by the fact that the formation of the desired texture is dependent on compliance with certain minimum amounts of the temperature gradient in the area of the solidification form.
The object of the invention in this context is to create a solidification process for elongated, in particular strand-like solids, which enables the setting and maintenance of given curvatures of the solidification front and in particular a solidification front that is at least approximately flat within certain limits, with a possibly steep temperature gradient in the area of the first solidification front.
The inventive solution to this problem is characterized in a method of the type mentioned above mainly in that in the area of the solidification front of the melt, an edge zone of the casting material extending along the circumference of the cross section of the emerging casting material and essentially transversely to the longitudinal direction of the emerging solid is generated , within which there is no significant radial heat dissipation through the surface of the casting material to the outside.
By generating such an edge zone of the casting material, i.e. the melt or the solid, which is essentially free of radial heat flow to the outside, depending on the position of the material point above or below the solidification front, in conjunction with a corresponding setting of the solidification front in the direction of advance of the emerging solid in relation to the z. B. a stationary edge zone free of heat flow, a flat, but optionally also a deliberately concave or convex shape of the solidification front can be realized.
The object of the invention relating to a device for performing the aforementioned method is characterized in that a crucible is provided for receiving the melt, which in the area of its mouth has a zone surrounding the mouth cross-section without any significant radial heat inflow from the casting material located in the crucible mouth . A crucible that is thermally insulated in the area of its mouth or a crucible that can be heated in this area is preferably used for this purpose.
The last-mentioned embodiment in particular is suitable for generating a steep temperature gradient in the area of the solidification front because, due to the heating of the crucible mouth with respect to a given position of the solidification front, the cooling zone can be brought close to the crucible mouth, with the expansion of the edge zone free of heat transfer in the direction of strand advance decreases accordingly. This results in the desired steep temperature gradient, while on the other hand, in the middle area between the heating and cooling zones, an area without radial heat flow still remains. As a result, even with such a steep temperature gradient and a narrow, heat transfer-free edge zone, concave, flat and convex solidification front shapes are possible in a targeted manner.
An approximately desired transition to a flatter temperature gradient can be achieved by setting a greater length expansion of the heat transition-free edge zone in the strand feed direction, which facilitates and promotes compliance with a flat solidification front.
The invention is further explained using exemplary embodiments with reference to the drawings.
Herein shows:
Fig. 1 shows the schematic vertical section of a conventional continuous casting crucible with a mouth and exiting, wire-shaped strand body with a group of temperature level lines reproducing the temperature distribution within the vertical section and two associated temperature profiles, based on different cross-sectional planes of the crucible and the melt or the strand body .
2 shows a first embodiment of a device according to the invention for continuous casting in a schematic longitudinal section of the crucible and a downstream cooling device.
3 shows the crucible of the device according to FIG. 2 in a representation corresponding to FIG. 1 with the temperature level lines established here,
4 shows the crucible of a second embodiment of the continuous casting device according to the invention in a schematic vertical section,
5 shows a horizontal section of the crucible in the region of the mouth according to section plane V-V in FIGS. 4 and
6 shows a modified crucible design similar to that according to FIG. 4 in a representation corresponding to FIGS. 1 and 3 with the temperature level lines established here.
1 shows the temperature distribution in a crucible 1 of the usual type which contains the melt 2 and from which a wire-shaped strand body 4 is drawn vertically downwards via a shaping mouth 3. The melt is heated by means of a conventional induction heater, for example a high-frequency heater, the conductor 5 of which is indicated in cross section. The high-frequency field emanating from this conductor induces corresponding eddy currents in the conductive melt, while there is no development of heat within the crucible wall, which in the present case is assumed to be electrically insulating or poorly conductive. Accordingly, the temperature of the melt in the edge areas decreases as a result of the radial flow of heat over the crucible wall. In the indicated cross-sectional plane I of the crucible, there is thus an outwardly sloping temperature profile A.
In the area above the mouth 3 of the crucible, there is an even steeper edge drop in the temperature of the melt, because not only the radial path over the cylindrical crucible wall, but also the downward slope through the crucible bottom is given for the heat outflow. This results in the indicated temperature profile D in cross-sectional plane II. Furthermore, the radial and axial heat dissipation in the mouth area of the crucible means that the temperature level lines a to d in the cross-sectional area of the crucible mouth one down, i.e. viewed in the strand advance direction, more or take on a less concave shape.
The same applies to the solidification front e, which, according to the set temperature values, that is, as a function of the crucible heating and the strand feed rate, assumes a certain height within the crucible mouth.
This curvature of the solidification front generally stands in the way of directional solidification because, on the one hand, the preferred direction of the solidification texture corresponds to the temperature gradient, i.e. the normal to the solidification shape, and, on the other hand, an undisturbed formation of the solidification texture over comparatively large distances is essentially only possible in the longitudinal direction of the strand. This is especially true for elongated or thread-like crystallites such. B.
Whiskers, because these crystallites encounter limitations comparatively quickly in a preferred direction of crystal growth which is arranged at an angle to the longitudinal direction of the strand and their further growth is inhibited. For this reason, a relatively high degree of flatness of the solidification front is generally to be aimed for for directional solidification, even if a certain curvature is permissible and in certain cases a concave or convex solidification front may be desirable.
In order to improve the degree of evenness of the solidification front during continuous casting, a plate-shaped insulating element 14 surrounding the crucible mouth 12 is therefore arranged in the device according to FIG. 2 on the underside of a crucible 10 containing the melt 2, which insulator element 14 greatly reduces the heat flow in the mouth area of the crucible and is therefore practical does not remove any heat from the casting material, so the heat flow within the casting material (melt or solid body) in the mouth channel itself is essentially limited to the longitudinal direction of the strand.
Assuming a crucible material that is again electrically non-conductive or weakly conductive, and the use of electrical induction heating (not shown in FIG. 2), this results in a temperature distribution within the casting material and the crucible, as indicated in FIG. 3.
As can be seen from the temperature level lines a 'to d' shown, there is an outward temperature gradient within the due to the heat flow
Melt and the crucible wall present. In the mouth area of the crucible, for. B. the level line a '(spatially speaking, the same applies to the temperature level areas) due to the comparatively large effective distance of the insulating element 14 still has a concavely curved section seen in the strand feed direction, whereas the level line b' is already due to the thermal insulation by the insulating element 14 in the mouth channel itself has an essentially flat section e ', which can represent the solidification front, for example. Further down, in the example within the level line d ', there is again a concave curvature or curve seen in the strand feed direction.
Bulge, which, however, has no undesirable effects after solidification.
In the area of the solidification front, the heat is dissipated from the melt essentially axially, that is to say parallel to the longitudinal direction of the strand, because within the area along the cross-sectional circumference of the exiting casting material, ie. H. No significant radial heat dissipation occurs along the edge zone of the casting material extending along the bore surface of the insulating element 14. Thereafter, heat is drained away again increasingly in the radial direction via the surface of the strand body into the surrounding medium, for example the cooling bath 16 of a cooling device indicated in FIG. 2.
The drawn strand body 4 leaves the cooling bath continuously via a sealing passage 18, while the further heat dissipation from the cooling bath is taken over by a cooling medium 22 flowing through within an outer jacket 20 (see FIG. 2).
In addition to influencing the shape of the solidification front, the described arrangement of an insulating element enables the implementation of a comparatively steep temperature gradient in the solidification area, as is desirable for numerous applications of directional solidification. The beginning of the cooling zone, in the example according to FIG. 2 the entry point of the strand body into the cooling bath, can be moved very close to the crucible mouth without adversely affecting the shape of the solidification front.
The insulating element also prevents inadmissible cooling of the crucible mouth, which can lead to a shift of the solidification front into the area in front of the mouth and thus to the formation of a mushroom-shaped head at the upper end of the strand body within the melt, which can lead to a disruption of the continuous drawing process.
In the embodiment according to FIGS. 4 and 5, a crucible 50 made of electrically non-conductive material with induction heating 52 is again provided. The shape of the solidification front is not influenced by an insulating element here, but by an additional induction heater 54 with an annular flow flux converter 56 surrounding the crucible mouth, which in turn is separated by an insulation 58 from a cooling device 60 connected to the crucible mouth. This avoids unwanted heat losses from the nozzle heater and enables a smaller distance between the cooling zone and the melt in the sense of a steep temperature gradient in the solidification area.
The cooling device comprises a block 62 made of a material that conducts heat well with a coolant chamber 64, to which inlet and outlet lines 65 and 70 for the coolant are connected by means of clamps 66. The center piece 72 of the block 62, which is surrounded by the coolant chamber 64, forms a passage for the exiting strand body 4 and is in contact therewith on an annular surface section. In the example, this surface section is used to dissipate heat below the solidification front, which lies within the opening channel of the crucible.
This type of cooling also enables a comparatively steep temperature gradient without impairing the targeted effect on the shape of the solidification front.
The temperature distribution that can be achieved by heating the crucible mouth is illustrated in FIG. 6. Here, a crucible made of electrically conductive material with an inductive main heater 82 and mouth heater 84 is provided. As a result of the electrical conductivity of the crucible material, there is no need for a special current heat converter at the crucible mouth. The adjustable temperature distribution corresponds approximately to that of a device with a muzzle heater according to FIG. 4.
As the temperature level lines indicated in FIG. 6 illustrate, the temperature drop in comparison to the embodiment according to FIG. 3 is more concentrated on the crucible wall or its outer areas, because the heat development takes place in the crucible wall itself as well as in the melt. This also applies to the area 86 of the crucible mouth, which is heated from the inside by the heater 84. The temperature level lines, which are relatively strongly shifted to the outside in this way, enter the cross section of the mouth channel horizontally in the central mouth area, whereby, for example, an essentially flat section e ″ is established, which can form the solidification front if the temperature values are appropriately dimensioned.
As a result of the heating of the crucible wall in the mouth area, for example, a section d ", which is convex in the strand feed direction, can be formed on the temperature level line d" located further towards the melt within the mouth channel, while the level line f, 'which is further outwards, is due to the beginning Radial cooling via the strand surface within the mouth channel has a concave section f, 'i viewed in the strand advance direction. By suitably setting the heating effect, the strand feed rate or drawing speed and the other process parameters, the initial front can thus be converted into a convex, flat or concave shape.
Different requirements with regard to the shape of the solidification front as well as with regard to the steepness of the temperature gradient can thus be taken into account over a wide range.
PATENT CLAIM I
A method for the directional solidification of molten casting material, in which an elongated, at least partially prismatic, in particular strand-shaped solid is discharged from a melt progressively over an opening zone of the melt containing the solidification front, characterized in that in the area of the solidification front of the melt, a solid body extends along the circumference of the cross-section of the exiting casting material and the edge zone of the casting material extending essentially transversely to the longitudinal direction of the emerging solid body, within which there is no substantial radial heat dissipation through the surface of the casting material to the outside.
SUBCLAIMS
1. The method according to claim I, characterized in that the edge zone of the casting material, which is essentially free of radial heat flow, is generated by supplying heat over the surface of the melt in its mouth area above the solidification front.
2. The method according to claim 1, characterized in that the edge zone of the casting material, which is essentially free of radial heat flow, is produced by thermal insulation in a section of the surface of the casting material that overlaps the solidification front.
3. The method according to claim I, characterized in that below the edge zone of the casting material which is essentially free of radial heat flow, radial cooling is brought about by heat dissipation via the surface of the solid body.
4. The method according to claim 1 and dependent claim 3, characterized in that the radial cooling is brought about by the entry of the solid into a liquid cooling bath below the edge zone, which is essentially free of heat transfer.
PATENT CLAIM II
Device for carrying out the method according to claim 1, characterized in that a crucible (10 or 50) is provided for receiving the melt, which in the area of its mouth has a zone surrounding the mouth cross-section without any substantial radial heat inflow from the casting material located in the crucible mouth .
SUBCLAIMS
5. Device according to claim II, characterized in that a crucible (10) which is thermally insulated in the region of its mouth is provided for receiving the melt.
6. Device according to claim II, characterized in that a crucible (50) which can be heated in the region of its mouth is provided for receiving the melt.
7. Device according to claim II and dependent claim 6, characterized in that for heating the crucible (50) an electrical high-frequency heater, preferably an induction heater, is provided with a current heat converter (56) located in the region of the crucible mouth.
8. Device according to claim II and dependent claim 7, characterized in that at least a part of the crucible wall is designed as a current heat converter in the region of the crucible mouth.
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