CH658809A5

CH658809A5 - METHOD FOR THE CONTINUOUS PRODUCTION OF AN LONG-TERM METAL OBJECT AND DEVICE FOR IMPLEMENTING THE METHOD.

Info

Publication number: CH658809A5
Application number: CH9446/80A
Authority: CH
Inventors: Hugh Randolph Lowry; Robert Thompson Frost
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 1980-07-02
Filing date: 1980-12-22
Publication date: 1986-12-15
Also published as: ATA629480A; GB2080715B; JPS6116215B2; BR8100899A; PT72234A; PT72234B; FI68993B; JPS6192758A; BE889459A; ES8204324A1; AT397477B; JPS5717351A; FR2485963A1; GB2080715A; FI68993C; HK75985A; SE8008640L; ZA807856B; FR2485963B1; ES498056A0

Description

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit den in Anspruch 6 genannten Merkmalen. Bevorzugte Ausführungsformen haben die in den Ansprüchen 7 bis 10 angegebenen Merkmale. The invention further relates to a device for performing the method with the features mentioned in claim 6. Preferred embodiments have the features specified in claims 7 to 10.

Das erfindungsgemässe Verfahren bietet verschiedene Vorteile. Zunächst kann es mit im Vergleich zum Stand der Technik kleinen und vergleichsweise weniger kapitalintensiven Anlagen durchgeführt werden und erlaubt die wirtschaftliche und betriebssichere Verarbeitung auch bereits mit relativ kleinen Produktionsmengen. Ferner kann das elektromagnetische Feld eine intensive Rührwirkung auf die sich verfestigende Schmelze ausüben und dadurch eine erhebliche Verbesserung der Kornstruktur der nach dem erfindungsgemässen Verfahren erhaltenen Produkte erzielt werden. The method according to the invention offers various advantages. First of all, it can be carried out with small and comparatively less capital-intensive systems compared to the prior art, and allows economical and reliable processing even with relatively small production quantities. Furthermore, the electromagnetic field can exert an intensive stirring effect on the solidifying melt, thereby achieving a considerable improvement in the grain structure of the products obtained by the process according to the invention.

Weiterhin sind zum Entfernen des verfestigten Produkts am oberen Ende des Felds wegen der Minimierung bzw. Ausschaltung von Schwer-, Reibungs- und Haftkräften keine besonderen Massnahmen bzw. keine besonderen Abziehvorrichtungen nötig und lässt sich die Kühlung ohne besondere Probleme bewerkstelligen. Furthermore, to remove the solidified product at the upper end of the field, because of the minimization or elimination of gravitational, frictional and adhesive forces, no special measures or special pulling devices are necessary and the cooling can be accomplished without any particular problems.

Allgemein gestattet das erfindungsgemässe Verfahren die Herstellung von Kupfer- und anderen Metallstäben, die dann in üblicher Weise zur Herstellung von Draht gewalzt, geglüht und gezogen werden können, wobei auf gewissen Produktionsgebieten wesentliche Kostensenkungen erzielbar sind. Beispielsweise können Schweissdrähte und andere Produkte, in welchen die Korngrösse nicht von primärer Bedeutung ist, direkt in der endgültigen Form erhalten werden; die Zusammensetzung des Metalls ist keinen besonderen Beschränkungen unterworfen und man kann z. B. Kupfer mit hohem oder niedrigem Sauerstoffgehalt verarbeiten. Vermutlich als Folge der Lévitation sind die erfmdungsgemäss erhaltenen Produkte im allgemeinen frei von Poren und Lunkern. In general, the method according to the invention permits the production of copper and other metal rods, which can then be rolled, annealed and drawn in the usual way for the production of wire, with substantial cost reductions being achievable in certain production areas. For example, welding wires and other products in which the grain size is not of primary importance can be obtained directly in the final form; the composition of the metal is not particularly restricted and one can e.g. B. Process copper with high or low oxygen content. Presumably as a result of levitation, the products obtained according to the invention are generally free of pores and cavities.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: The invention is explained in more detail with reference to the drawing. Show it:

Fig. 1 die teilweise geschnittene Vorderansicht des Schemas einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens zusammen mit einer Warmwalzvorrich-tung, 1 is a partially sectioned front view of the diagram of a device for carrying out the method according to the invention together with a hot rolling device,

Fig. 2 eine vergrösserte Schnittansicht eines Teils der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung, 2 is an enlarged sectional view of part of the device shown in FIG. 1,

Fig. 3 die nochmals vergrösserte schematische Darstellung des in Fig. 2 dargestellten Teils der Vorrichtung, 3 is a further enlarged schematic representation of the part of the device shown in FIG. 2,

Fig. 4 die schematische Darstellung einer abgeänderten Form des in Fig. 3 dargestellten Teils der Vorrichtung, 4 shows the schematic representation of a modified form of the part of the device shown in FIG. 3,

Fig. 5 das Leitungsnetzschema einer Spule, die in den Vorrichtungen der Fig. 1 bis 4 zur Erzeugung des Levita-tionsfelds verwendet werden kann, 5 shows the line network diagram of a coil which can be used in the devices of FIGS. 1 to 4 for generating the levitation field,

Fig. 6 eine weitere Modifikation des in den Fig. 3 und 4 dargestellten Vorrichtungsteils, 6 shows a further modification of the device part shown in FIGS. 3 and 4,

Fig. 7 die fotografische Darstellung eines nach dem erfindungsgemässen Verfahren erhaltenen Kupferstabs und 7 shows the photographic representation of a copper rod obtained by the method according to the invention and

Fig. 8 eine vergrösserte Darstellung des unteren Endes des Kupferstabs von Fig. 7. 8 is an enlarged view of the lower end of the copper rod of FIG. 7.

Das zu giessende geschmolzene Metall wird in einem in Fig. 1 nicht gezeigten kippbaren Warmhalteofen gehalten und von dort nach Bedarf in den Giesstiegel 10 gebracht, um das gewünschte Niveau an flüssigem Metall im Inneren des Formungsraums 11 zu erhalten. Der Formungsraum 11 ist auf dem Tiegel 10 befestigt und erstreckt sich von diesem vertikal nach oben bis zu einem offenen oberen Ende, durch welches das Produkt 12 in die Kühlkammer 13 ausgetragen wird, aus der es zu den Tandem-Warmwalzstationen 14 und 15 überführt, anschliessend abgekühlt und in der Station 16 aufgespult wird. The molten metal to be cast is held in a tilting holding furnace (not shown in FIG. 1) and from there is brought into the casting crucible 10 as required in order to obtain the desired level of liquid metal in the interior of the molding space 11. The forming space 11 is fastened on the crucible 10 and then extends vertically up to an open upper end through which the product 12 is discharged into the cooling chamber 13, from which it is transferred to the tandem hot rolling stations 14 and 15 cooled and wound up in station 16.

Wahlweise kann der Stab 17A direkt in der fertigen Ge-brauchsgrösse hergestellt werden. Die Metallschmelz wird aus dem Tiegel 10 durch Zuführung mit Gefalle als Säule flüssigen Metalls in den Formungsraum 11 aus dem Warmhalteofen verdrängt, der zur Abgabe von geschmolzenem Metall in den Tiegel 10 in Intervallen oder kontinuierlich gekippt wird, wie es zur kontinuierlichen Fertigung erforderlich ist. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Säule 20 (Fig. 2) aus flüssigem Metall zunächst auf diese Weise erzeugt und anschliessend bei einem Niveau oberhalb desjenigen Niveaus gehalten, bei welchem die Gesichtsverminderung bzw. Lévitation durch elektromagnetische Wanderwellen wirksam wird, die den hydrostatischen (metallostatischen) Druck der Säule verringert bzw. eliminiert. Das obere Ende der Säule 20 wird also zunächst in den unteren Teil des Formungsraums 11 gebracht, wo mindestens der obere Teil der Säule 20 im wesentlichen schwerelos wird, wenn die den Formungsraum 11 umgebende elektromagnetische Spule mit Strom versorgt wird. Optionally, the rod 17A can be manufactured directly in the finished size. The molten metal is displaced from the crucible 10 by supplying it with a favor as a column of liquid metal into the shaping space 11 from the holding furnace, which is tipped at intervals or continuously to release molten metal into the crucible 10, as is necessary for continuous production. In the preferred embodiment of the invention, the column 20 (FIG. 2) made of liquid metal is first produced in this way and then kept at a level above the level at which the facial reduction or levitation is effected by electromagnetic traveling waves that affect the hydrostatic ( Metallostatic) pressure of the column reduced or eliminated. The upper end of the column 20 is thus first brought into the lower part of the molding space 11, where at least the upper part of the column 20 becomes essentially weightless when the electromagnetic coil surrounding the molding space 11 is supplied with current.

Der Formungsraum 11 besitzt zunächst ein offenendiges Rohr 25, das aus hitzebeständigem Material bestehen kann und am Tiegel 10 befestigt ist. Mit aufeinanderfolgenden Phasen der mehrphasigen Stromquelle von Fig. 5 sind beispielsweise zwölf Wicklungen der Spule 28 in vertikal unterteilter Anordnung um das Rohr 25 im wesentlichen senkrecht zur Rohrachse angebracht und in Gruppen zu drei verbunden; dadurch wird ein magnetisches Feld erzeugt, das im flüssigen Metall im Rohr 25 Wirbelströme induziert, was zu einer nach oben gerichteten Hubwirkung auf das zu giessende Metall führt. Dieser sechsphasige «Levitator» ist betriebsbereit zur Ausbildung einer fortschreitenden Wanderwelle, die sich mit einer Geschwindigkeit proportional zum Abstand zwischen aufeinanderfolgenden geschlossenen Flussschleifen und der Anregungsfrequenz bewegt. Die Spule 28 ist vertikal längs des Rohrs 25 angeordnet, so dass das Gewicht des flüssigen Metalls und des verfestigten Metalls in allen Abschnitten ausser dem untersten Abschnitt des Rohrs 25 während des gesamten Betriebs im gewünschten Aus-mass, vorzugsweise im wesentlichen bis zur Schwerelosigkeit, vermindert werden kann. The shaping space 11 initially has an open-ended tube 25, which can consist of heat-resistant material and is attached to the crucible 10. With successive phases of the multi-phase power source of FIG. 5, for example, twelve windings of the coil 28 are arranged in a vertically divided arrangement around the tube 25 substantially perpendicular to the tube axis and connected in groups of three; this creates a magnetic field that induces eddy currents in the tube 25 in the liquid metal, which leads to an upward lifting effect on the metal to be cast. This six-phase levitator is ready for the formation of a progressive traveling wave which moves at a speed proportional to the distance between successive closed river loops and the excitation frequency. The coil 28 is arranged vertically along the tube 25 so that the weight of the liquid metal and the solidified metal in all sections except the lowermost section of the tube 25 is reduced to the desired extent during the entire operation, preferably essentially to zero weight can be.

Ein Versuchsmodell der erfindungsgemässen Vorrichtung, das zur kontinuierlichen Herstellung von Kupfer-, Aluminium- und Bronzestäben zur Prüfung der Durchführbarkeit des erfindungsgemässen Verfahrens und der Betriebsfähigkeit der Vorrichtung verwendet wurde, besass einen Levitatorabschnitt mit sechsunddreissig Windungen Kupferrohr, die in einem Abstand von sechs Wicklungen auf 2,5 cm gewickelt waren, was eine Levitatorlänge von insge5 An experimental model of the device according to the invention, which was used for the continuous production of copper, aluminum and bronze rods in order to test the feasibility of the method according to the invention and the operability of the device, had a levitator section with thirty-six turns of copper tubing, which were spaced at a distance of six windings on two , 5 cm were wound, which is a total length of 5 levitators

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

658 809 658 809

4 4th

samt etwa 15 cm ergab. Die zwölf Phasen waren um 60° zur Phase ihrer unmittelbaren Nachbarn verschoben und die Länge des Levitators entsprach zwei Wellenlängen. Der Durchmesser der gewichtsverminderten Metallsäulen betrug 22 mm und die Säule wurde bei einer Frequenz von annähernd 1200 Hertz ohne Beschleunigung (d.h. das Ge-wichtsverminderungsverhältnis betrug im wesentlichen 1,0) gehalten; die gesamte Gleichstromzufuhr zu dem als Stromquelle für den Levitator verwendeten Gleichstrom-Wechsel-strom-Umformer lag im Bereich von annähernd 7 bis 10 kW. Es wurde der in Fig. 4 erläuterte Wärmeaustauscher verwendet. totaled about 15 cm. The twelve phases were shifted by 60 ° to the phase of their immediate neighbors and the length of the levitator corresponded to two wavelengths. The diameter of the weight reduced metal columns was 22 mm and the column was held at a frequency of approximately 1200 hertz without acceleration (i.e. the weight reduction ratio was essentially 1.0); the total direct current supply to the direct current / alternating current converter used as the current source for the levitator was in the range of approximately 7 to 10 kW. The heat exchanger explained in FIG. 4 was used.

Obwohl für die erfindungsgemässe Vorrichtung ganz unterschiedliche Wärmeaustauscher verwendet werden können, hat der meist am besten geeignete und demzufolge bevorzugte Wärmeaustauscher den in den Zeichnungen mit der Bezugszahl 30 gekennzeichneten Aufbau. Es handelt sich dabei um eine Konstruktion aus verarbeitetem Walzblech mit oberen und unteren ringförmigen Räumen 31 und 32 sowie einem zylindrischen Abschnitt 33, der anliegend um das Rohr 25 in Kontakt mit dessen ringförmiger Aussenfläche angeordnet ist. Flüssiges Kühlmittel, geeigneterweise Leitungswasser, wird kontinuierlich von einer Quelle (nicht gezeigt) in den oberen Raum 31 eingespeist, strömt während des Betriebs durch den Abschnitt 33 und wird durch den unteren Raum 32 in einen Abfluss geleitet, wobei es die durch das Rohr 25 aus dem darin befindlichen flüssigen Metall und dem frisch verfestigten Metallprodukt absorbierte Wärme mit sich führt. Die Wicklungen der Spule 28 sind wie in Fig. 3 gezeigt ausserhalb des zentralen Abschnitts des Wärmeaustauschers angeordnet, erstrecken sich im wesentlichen in gleichmässig unterteiltem Verhältnis vom einen Raum bis zum anderen und sind nicht stehend radial um den Wärmeaustauscher herum angeordnet. Ein geeigneter Werkstoff für den Wärmeaustauscher 20 ist rostfreier Stahl, der eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit und Wärmeaustauschwirksamkeit bietet. Although very different heat exchangers can be used for the device according to the invention, the most suitable and consequently preferred heat exchanger has the structure identified by the reference number 30 in the drawings. It is a construction of processed rolled sheet metal with upper and lower annular spaces 31 and 32 and a cylindrical section 33, which is arranged adjacent to the tube 25 in contact with its annular outer surface. Liquid coolant, suitably tap water, is continuously fed into the upper space 31 from a source (not shown), flows through the section 33 during operation, and is drained through the lower space 32 into the drain through the pipe 25 the liquid metal contained therein and the freshly solidified metal product absorbs heat. The coils of coil 28 are located outside of the central portion of the heat exchanger, as shown in Fig. 3, extending substantially evenly from one room to another, and are not standing radially around the heat exchanger. A suitable material for the heat exchanger 20 is stainless steel, which offers sufficient corrosion resistance and heat exchange effectiveness.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erlmdungs-gemässen Verfahrens wird der Tiegel 10 mit einer Metallschmelze, wie Kupfer, zur kontinuierlichen Herstellung von Gegenständen mit grosser Längenausdehnung, wie beispielsweise Stäben, beschickt. Zunächst wird das Metall geschmolzen und dem Tiegel 10 aus dem Warmhalteofen zugeführt, um eine Säule aus flüssigem Metall 20 mit ihrem oberen Ende im Inneren des Levitators des Formungsraumes 11 zu bilden. Ein Anfahrstab 40 wird durch das obere Ende des Rohrs 25 eingeführt, um das untere Ende des Stabs mit dem Oberteil der Säule aus flüssigem Metall in Kontakt zu bringen. Durch Leitungswasser, das mit hoher Geschwindigkeit durch den Wärmeaustauscher hindurchfliesst, wird der obere Teil der flüssigen Säule in Kontakt mit dem Stab verfestigt. Der Stab 40 und das angeschmolzene Stabende werden dann mit annähernd der Geschwindigkeit der Bildung von festem Stab nach oben aus dem Rohr 25 gezogen. Die flüssige Säule wird mindestens über den grössten Teil ihrer Länge im wesentlichen schwerelos und auf diese Weise bei Betrieb des Levitators in dieser Lage in einem, im wesentlichen drucklosen Kontakt mit dem Rohr 25 gehalten; bei kontinuierlichem Betrieb wird ein endloser und vollständig blasenfreier Metallstab mit glatter, glänzender, leicht welliger Oberfläche erhalten. Dieser Stab wird durch die Kammer 13 geführt und dort durch Besprühen mit Wasser soweit abgekühlt, dass er mit oder ohne vorhergehendes Warmwalzen abschliessend gekühlt und gewickelt werden kann. In a preferred embodiment of the method according to the invention, the crucible 10 is charged with a molten metal, such as copper, for the continuous production of objects with a large length, such as rods. First, the metal is melted and fed to the crucible 10 from the holding furnace to form a column of liquid metal 20 with its upper end inside the levitator of the molding space 11. A start-up rod 40 is inserted through the upper end of tube 25 to bring the lower end of the rod into contact with the top of the liquid metal column. Tap water flowing through the heat exchanger at high speed solidifies the upper part of the liquid column in contact with the rod. The rod 40 and the melted rod end are then pulled up out of the tube 25 at approximately the rate of solid rod formation. The liquid column is kept essentially weightless at least over most of its length and in this way is kept in essentially unpressurized contact with the tube 25 when the levitator is operated in this position; continuous operation gives an endless and completely bubble-free metal rod with a smooth, shiny, slightly wavy surface. This rod is guided through the chamber 13 and cooled there by spraying with water to such an extent that it can be finally cooled and wound with or without previous hot rolling.

Wenn das Niveau der flüssigen Metallsäule 20 während des Betriebs absinkt, wird zusätzliche Schmelze unter Zuführung mit Gefälle in den Giesstiegel 10 eingeführt und der Betrieb ohne Unterbrechung fortgesetzt. If the level of the liquid metal column 20 drops during operation, additional melt is introduced into the casting crucible 10 with supply at a gradient and the operation is continued without interruption.

Das erfindungsgemässe Verfahren hat sich unter Verwendung der bechriebenen Vorrichtung in zahlreichen Versuchen mit unterschiedlichen Metallen bewährt. Insbesondere wurden Aluminium, Kupfer und Bronzelegierung nach der beschriebenen Arbeitsweise zu Stäben von etwa 22 mm Durchmesser verarbeitet, die vollständig blasenfrei waren, eine durchgehend gleichmässige Zusammensetzung und eine glatte glänzende, etwas wellige Oberfläche aufwiesen. Die dem Levitator zugeführte elektrische Leistung wurde jedoch entsprechend den verarbeiteten Metallen variiert, um das Ausmass der Gewichtsverminderung dem Gewicht des jeweiligen Materials anzupassen, d.h. einen Beschleunigungszustand von im wesentlichen Null einzustellen und aufrechtzuerhalten. Entgegen der Erwartungen ist eine genaue Steuerung der elektromagnetischen Feldstärke zur Erhaltung dieses Gleichgewichts von Lévitation und Gewicht nicht notwendig. The method according to the invention has proven itself in numerous experiments with different metals using the device described. In particular, aluminum, copper and bronze alloy were processed according to the procedure described to bars of about 22 mm in diameter, which were completely free of bubbles, had a consistently uniform composition and a smooth, shiny, somewhat wavy surface. However, the electrical power supplied to the levitator was varied according to the metals processed in order to adapt the extent of the weight reduction to the weight of the respective material, i.e. set and maintain a substantially zero acceleration condition. Contrary to expectations, precise control of the electromagnetic field strength is not necessary to maintain this balance of levitation and weight.

Bezüglich Gewichtsverminderung bzw. Lévitation wird die Säule aus flüssigem Metall nach oben beschleunigt, wenn die Hub- oder Levitationskraft grösser als das Gewicht ist: dies führt als Folge der Herabsetzung des Querschnitts der Säule zu einer Verringerung der Hubkraft, während das Gegenteil der Fall ist, wenn die Hubkraft kleiner als das Gewicht ist. Solange dieser Effekt des Levitatorfelds auf einen erheblichen Teil der Länge der Säule aus flüssigem Metall und aus verfestigtem Produkt im Inneren der Formungszone wirkt, werden diejenigen Teile der Säule am unteren und oberen Ende des Rohrs 25, wo die Levitationskräfte durchschnittlich nur etwa die Hälfte der Obigen betragen, vom Druckgefalle zum Ansteigen der flüssigen Säule auf die anfängliche Höhe bzw. durch die Hubkraft des Anfahrstabs 40 gestützt. Demgemäss wird beim Aufbau der flüssigen Säule durch die Levitationskräfte im Bereich des unteren Säulenendes eine kleine nach oben gerichtete Beschleunigung erzeugt; wenn sich die Säule aus flüssigem Metall dann langsam nach oben bis zu einem Punkt etwa gleich dem Radius der Levitatorwicklungen bewegt, gelangt sie in Felder, die ausreichend stark sind, um die Säule in einen im wesentlichen schwerelosen Zustand zu bringen und diesen aufrechtzuerhalten, so dass der Kontakt mit der Innenfläche der Formungszone, z.B. dem Rohr 25, im wesentlichen drucklos ist. Durch Erhöhen des Druckgefalles ist es daher möglich, die nach oben gerichtete Strömungsgeschwindigkeiten zu erhöhen; gewöhnlich kann das anfängliche Druckgefälle zur Regulierung der Geschwindigkeit einer derartigen Strömung verwendet werden, wobei die Spule dann dazu dient, eine solche anfangliche Strömung relativ konstant über den oberen Teil der flüssigen Säule zu halten. With regard to weight reduction or levitation, the column of liquid metal is accelerated upwards if the lifting or levitation force is greater than the weight: this leads to a reduction in the lifting force as a result of the reduction in the cross section of the column, while the opposite is the case, if the lifting force is less than the weight. As long as this effect of the levitator field acts on a significant portion of the length of the column of liquid metal and solidified product inside the forming zone, those parts of the column at the bottom and top of tube 25 where the levitation forces average only about half of the above amount, supported by the pressure drop to increase the liquid column to the initial height or by the lifting force of the starting rod 40. Accordingly, when the liquid column is built up, a small upward acceleration is generated by the levitation forces in the area of the lower end of the column; if the column of liquid metal then slowly moves up to a point approximately equal to the radius of the levitator windings, it will enter fields that are strong enough to bring the column into a substantially weightless condition and maintain it so that contact with the inner surface of the forming zone, e.g. the pipe 25 is essentially depressurized. By increasing the pressure drop it is therefore possible to increase the upward flow velocities; usually the initial pressure drop can be used to regulate the speed of such a flow, the coil then serving to keep such an initial flow relatively constant over the top of the liquid column.

Im Interesse der Begrenzung der Grösse der erfindungsgemässen Vorrichtung und insbesondere der Spule für das Levitatorfeld und auch zur Verringerung der zum Halten der Säule erforderlichen Leistung ist eine maximale Wärmeaustauschwirksamkeit zweckmässig; der oben beschriebene Wärmeaustauscher kann einen Zustand bewirken, der annähernd dem Abschrecken mit Wasser entspricht und durch Umhüllen der aufsteigenden Säule aus flüssigem Metall mit einem rasch fliessenden, turbulenten Strom mit relativ kleinem ringförmigem Querschnitt eines flüssigen Kühlmittels erzielt wird. Der Wärmeaustausch zwischen der Metallsäule 20 und einem umgebenden Graphitrohr 25, welches die Innenwandung der Wärmeaustauscheranordnung aus rostfreiem Stahl an der zylindrischen Oberfläche trägt, bietet einen sehr wirksamen Wärmeübergang. In der beschriebenen Ausführungsform des Wärmeaustauschers kann diese Fähigkeit durch kurze ringförmige Innenrippen 43 erhöht werden, die eine laminare Strömung verhindern und Turbulenz in der Kühlflüssigkeit verursachen, welche vom oberen Ringraum In the interest of limiting the size of the device according to the invention and in particular the coil for the levitator field and also to reduce the power required to hold the column, a maximum heat exchange efficiency is expedient; the heat exchanger described above can cause a condition approximately equivalent to water quenching and is achieved by enveloping the liquid metal ascending column with a rapidly flowing, turbulent stream having a relatively small annular cross section of liquid coolant. The heat exchange between the metal column 20 and a surrounding graphite tube 25, which carries the inner wall of the heat exchanger arrangement made of stainless steel on the cylindrical surface, offers a very effective heat transfer. In the described embodiment of the heat exchanger, this capability can be increased by short annular inner fins 43 which prevent laminar flow and cause turbulence in the cooling liquid coming from the upper annulus

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

5 5

658 809 658 809

31 durch den Wärmeaustauscher zum unteren Ringraum 32 strömt. 31 flows through the heat exchanger to the lower annular space 32.

Obwohl die Querschnittsgrösse der nach dem erfindungsgemässen Verfahren erhältlichen Produkte theoretisch unbeschränkt ist, wird aus mehr praktischen Erwägungen bei der Herstellung von Stäben mit einem Durchmesserbereich von 5 mm bis 50 mm gearbeitet, wobei für Kupferstäbe Durchmesser von 8 bis 30 mm bevorzugt werden. Durch Warmwalzen kann der gewünschte Stabdurchmesser nötigenfalls vermindert und eine für das Ziehen von Draht ausreichend feine Kornstruktur erzielt werden. Vorzugsweise werden der Innendurchmesser des Rohrs 25 und die Verfahrensparameter so gewählt, dass zwischen dem flüssigen Metall der Säule 20 und dem Rohr 25 ein minimaler ringförmiger Spalt vorhanden ist. Dies gilt unterhalb des Punkts, an dem eine Verfestigung des flüssigen Metalls zu einer Schrumpfung des Querschnitts der Säule führt, obwohl diese Schrumpfung ziemlich gering ist. Der in den Fig. 2 und 2 mit der Bezugsziffer 45 bezeichnete Spalt ist lediglich schematischer Natur und soll weder die Lage noch die Dimensionen des ringförmigen Spalts wiedergeben. Although the cross-sectional size of the products obtainable by the process according to the invention is theoretically unlimited, more practical considerations are used to produce bars with a diameter range from 5 mm to 50 mm, with diameters from 8 to 30 mm being preferred for copper bars. If necessary, the desired rod diameter can be reduced by hot rolling and a grain structure which is sufficiently fine for the drawing of wire can be achieved. Preferably, the inside diameter of tube 25 and the process parameters are chosen so that there is a minimal annular gap between the liquid metal of column 20 and tube 25. This is below the point at which solidification of the liquid metal causes the cross section of the column to shrink, although this shrinkage is quite small. The gap designated by reference numeral 45 in FIGS. 2 and 2 is merely schematic in nature and is not intended to reflect the position or the dimensions of the annular gap.

Bei Versuchen zum Testen der Eignung des erfindungsgemässen Verfahrens für die Herstellung von im wesentlichen homogenen Produkten aus Legierung mit Tendenz zur selektiven Entmischung und Verfestigung in getrennten Komponenten wurde eine Aluminium-Bronze-Legierung geschmolzen und zu drei unterschiedlichen Zeitpunkten mit der erfindungsgemässen Vorrichtung mit der Änderung verarbeitet, dass (I) der Wärmeaustauscher ein einfaches Kupferrohr war, das um das Rohr 25 gewickelt und sich in Wärmeaustauschkontakt mit diesem befand (wie in Fig. 4 gezeigt) und (2), dass eine Säule 20 aus flüssigem Metall aufgebaut und durch Verdrängen der Schmelze aus dem Tiegel 10 mit einem Kolben anstelle der Zuführung mit Gefalle aus einem Warmhalteofen aufrechterhalten wurde. Die Analysenergebnisse der zur Herstellung der Schmelze und der drei stabför-migen Produkte verwendeten Legierungen sind in der Tabelle angegeben; es zeigt sich, dass innerhalb der Genauigkeit der Probenentnahme und der Analysemethoden die Legierungszusammensetzung erhalten bleibt. In tests to test the suitability of the method according to the invention for the production of essentially homogeneous alloy products with a tendency to selectively separate and solidify in separate components, an aluminum-bronze alloy was melted and processed at three different times with the device according to the invention with the change that (I) the heat exchanger was a simple copper tube wrapped around and in heat exchange contact with the tube 25 (as shown in Fig. 4) and (2) that a column 20 was constructed from liquid metal and by displacing the Melt from the crucible 10 was maintained with a flask instead of being fed from a holding furnace. The analysis results of the alloys used to produce the melt and the three rod-shaped products are given in the table; it can be seen that the alloy composition is preserved within the accuracy of the sampling and the analysis methods.

Tabelle table

Element element

Ausgangsmaterial Source material

Vers. 1 Vers. 1

Vers. 2 Vers. 2

Vers. 3 Vers. 3

Fe Fe

2,64% 2.64%

2*69% 2 * 69%

2,65% 2.65%

2,71% 2.71%

Sn Sn

0,01% 0.01%

0,03% 0.03%

0,01% 0.01%

0,02 0.02

Zn Zn

0,01% 0.01%

0,03% 0.03%

0,02 0.02

0,02% 0.02%

AI AI

10,35% 10.35%

10,12% 10.12%

10,02% 10.02%

10,05 10.05

Mn Mn

0,49% 0.49%

0,76% 0.76%

0,68% 0.68%

0,72% 0.72%

Si Si

0,028% 0.028%

0,049% 0.049%

0,039% 0.039%

0,046% 0.046%

Ni Ni

5,00% 5.00%

4,99% 4.99%

4,90% 4.90%

4,99% 4.99%

Andere Other

0,03% 0.03%

Cu Cu

Rest rest

Die Vorrichtung von Fig. 4 ist eine Einrichtung, die ein Rohr 50 und eine Reihe von zwölf getrennten Kühlrohren aus Kupfer 52 enthält, die auf das Rohr 50 gewickelt, über dessen Länge verteilt angeordnet und getrennt mit Kühlflüs-sikeit, beispielsweise Leitungswasser (nicht gezeigt) versorgt werden. Die Rohre 52 sind auch in Dreiergruppen mit aufeinanderfolgenden Phasen der mehrphasigen elektrischen Stromquelle gemäss Fig. 5 verbunden. Wie in Fig. 3 werden die einzelnen Wicklungen mit den Buchstaben A, B, C bezeichnet, die sich auf die drei Phasen von Fig. 5 beziehen. Diese Einrichtung ersetzt das Rohr 25 des Wärmeaustauschers 30 und die zwölf Spulen 28 der Vorrichtung von Fig. 3. Auch hier wird die Säule des flüssigen Metalls 55 über den grössten Teil ihrer Länge schwerelos, aber wegen des ringförmigen Spalts 57 über die gleiche Länge berührungsfrei zum Rohr 50 gehalten. The device of FIG. 4 is a device that includes a tube 50 and a series of twelve separate copper 52 cooling tubes that are wound on the tube 50, distributed along its length, and separated with cooling fluids such as tap water (not shown) ) are supplied. The tubes 52 are also connected in groups of three to successive phases of the multi-phase electrical power source according to FIG. 5. As in FIG. 3, the individual windings are designated with the letters A, B, C, which relate to the three phases of FIG. 5. This device replaces the tube 25 of the heat exchanger 30 and the twelve coils 28 of the device of Fig. 3. Again, the column of liquid metal 55 is weightless for most of its length, but because of the annular gap 57 over the same length without contact Pipe 50 held.

Ein Schutzgas kann in beliebiger Weise in den Raum 57 eingeführt werden; beim Giessen von Kupfer wird Stickstoff oder eine Mischung von Stickstoff, Wasserstoff und Kohlen-monoxid bevorzugt. A protective gas can be introduced into the space 57 in any way; when casting copper, nitrogen or a mixture of nitrogen, hydrogen and carbon monoxide is preferred.

Auch die in Fig. 6 gezeigte Einrichtung kann anstelle der entsprechenden Einrichtung von Fig. 3 verwendet werden, wenn eine elektromagnetische Gewichtsverminderung nicht erforderlich, aber ein elektromagnetisches Halten gewünscht oder für die kontinuierliche Herstellung nötig ist. Dabei wird die Säule 60 aus flüssigem Metall berührungsfrei zum Rohr 61 über mindestens einen Teil der Säule gehalten, in welchem sich die Säulenoberfläche verfestigt. Dabei erstreckt sich der elektromagnetische Formungseffekt wie bei dem in Fig. 4 erläuterten Betrieb auch hier wegen des ringförmigen Spalts 63 im allgemeinen bis gut unter die Erstarrungsgrenze der Säulenoberfläche. The device shown in FIG. 6 can also be used instead of the corresponding device of FIG. 3 if an electromagnetic weight reduction is not required but an electromagnetic holding is desired or is necessary for the continuous production. The column 60 made of liquid metal is held without contact to the tube 61 over at least part of the column, in which the column surface solidifies. The electromagnetic shaping effect here, as in the case of the operation explained in FIG. 4, generally extends well below the solidification limit of the column surface because of the annular gap 63.

Ähnlich wie Fig. 4 hat die Vorrichtung gemäss Fig. 6 eine Reihe von Kupferrohrwicklungen 62, die jedoch mit einer einphasigen elektrischen Stromquelle 64 verbunden sind und zusätzlich zur Kühlung dienen, indem sie in gutem Wärmeübergang mit dem Graphitrohr 61 stehen, das bezüglich Struktur und Funktion den Rohren 25 und 50 entspricht. Im Betrieb wird Wasser aus einer geeigneten (nicht gezeigten) Versorgungsquelle mit maximaler Strömungsgeschwindigkeit in die Wicklungen 62 geführt. Das Wasser, das die vom heissen Metall innerhalb des Rohrs 61 absorbierte Wärme enthält, wird entweder aus den Wicklungen 62 in ein Reservoir zum Abkühlen geführt und rezirkuliert oder in einen Abflusskanal geleitet. Similar to FIG. 4, the device according to FIG. 6 has a series of copper tube windings 62, which, however, are connected to a single-phase electrical power source 64 and additionally serve for cooling by being in good heat transfer with the graphite tube 61, in terms of structure and function corresponds to the pipes 25 and 50. In operation, water is fed into the windings 62 from a suitable supply source (not shown) at maximum flow rate. The water, which contains the heat absorbed by the hot metal within the tube 61, is either passed out of the windings 62 into a reservoir for cooling and recirculated, or passed into a drainage channel.

In den Fig. 7 und 8 ist ein nach dem erfindungsgemässen Verfahren mit einer Vorrichtung gemäss Fig. 3 kontinuierlich hergestellter Kupferstab gezeigt. Dabei wurde so gearbeitet, wie im Zusammenhang mit den Fig. 1 bis 3 beschrieben. Die leicht wellige, glatte, glänzende Oberfläche des Stabs kommt dadurch zustande, dass die Säule aus flüssigem Kupfer im Bereich der Verfestigung ihrer Oberfläche keinen Druck auf die Innenwand der Formungszone ausübt; vermutlich tragen auch die im sich verfestigenden Kupfer induzierten Wirbelströme zum charakteristischen Aussehen des Produkts bei; das im übrigen vollkommen dichte (gemessene Dichte = 8,9) und dementsprechend blasenfreie Produkt hatte durchgehend eine offenbar gleichmässige Zusammensetzung. Der Stabdurchmesser betrug ziemlich genau 16 mm, was dem Innendurchmesser des Rohrs 25 entsprach. Im Bereich des glatten matten Bands am unteren, d. h. in der Figur linken Ende des Stabs hatte dieser einen um etwea 50 |im grösseren Durchmesser als im glänzenden welligen Bereich der Staboberfläche; im Bereich dieses matten Bands hatte sich der Stab unterhalb des Bereichs der wirksamen Lévitation und in Druckkontakt des geschmolzenen Kupfers mit der Innenfläche der Formungszone verfestigt. 7 and 8 show a copper rod which is produced continuously by the method according to the invention with a device according to FIG. 3. The procedure was as described in connection with FIGS. 1 to 3. The slightly wavy, smooth, shiny surface of the rod comes about because the column made of liquid copper does not exert any pressure on the inner wall of the forming zone in the area of the solidification of its surface; presumably the eddy currents induced in the solidifying copper also contribute to the characteristic appearance of the product; the otherwise completely dense (measured density = 8.9) and accordingly bubble-free product had an apparently uniform composition throughout. The rod diameter was almost exactly 16 mm, which corresponded to the inner diameter of the tube 25. In the area of the smooth matte tape at the bottom, i.e. H. in the figure, the left end of the rod had a diameter that was somewhat larger than that in the shiny, wavy area of the rod surface; in the area of this matte tape, the rod had solidified below the effective levitation area and in pressure contact of the molten copper with the inner surface of the forming zone.

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

S S

2 Blatt Zeichnungen 2 sheets of drawings

Claims

658 809

PATENT CLAIMS

1. A process for the continuous production of an elongated metal object, in which process liquid metal is introduced from below into an elongated, upwardly moving electromagnetic field and is removed as a solidified product at the upper end of the field, characterized in that the electromagnetic field is inside a forming zone is maintained in which the electromagnetic field acts on a solidifying metal column such that the hydrostatic pressure of the solidifying metal column is reduced to a majority of the outer surface of the liquid metal column in pressure-free contact with the surrounding inner surface of the To keep the forming zone so that a good heat transfer between the column and the forming zone is effected and at the same time the heavy, friction and adhesive forces acting on the column are kept low.

2. The method according to claim 1, characterized in that in the initial phase of the method a metal rod is connected to the column of molten metal moving upwards through the field by solidifying the molten metal contacting the rod.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the metal used is copper, aluminum, steel, a copper-based alloy or an aluminum-based alloy.

4. The method according to claim 1, characterized in that a rod with a diameter of 8 to 30 mm is produced as the product.

5. The method according to claim 1, characterized in that one produces a rod with a diameter of about 15 mm as the product.

6. Device for carrying out the method according to claim 1, characterized by an upright, elongated tubular shaping space (11, 25, 50, 61) for receiving the column of solidifying metal; means (10) for introducing liquid metal into a lower part of the molding space; heat exchanger means (30,31,32) surrounding the molding space to cool and solidify liquid metal; Means for discharging the solidified product from the upper part of the molding space; and an electromagnetic coil (28, 52, 62) surrounding the molding space and extending over part of its length.

7. The device according to claim 6, characterized in that the coil has a plurality of windings (28, 52) for connection to successive phases of a multi-phase electrical power source.

8. The device according to claim 6, characterized in that the molding space (11, 25, 50, 60) has a tube (11, 25, 50, 61) made of heat-resistant material with a substantially uniform inside diameter.

9. The device according to claim 6, characterized by a crucible (10) for receiving molten metal (20), which crucible communicates with the lower end of the molding space (11, 25), and by a device for liquid metal in the molding space (11 , 25) up to a height above the lower end of the coil (28).

10. The device according to claim 7, characterized in that the current source is a three-phase generator capable of generating a uniform symmetrical electromagnetic field.

Continuous processes for the shaping processing of molten metals are known in particular in the form of continuous casting processes, about which there is extensive literature, including patent literature. However, only comparatively few methods have been used for the operational series, which has various reasons and is often based on problems of the solidifying melt coming into contact with the walls of the mold or mold.

In order to remedy the disadvantages of contact of the melt with the formation walls, various methods have been described which are based on the use of electromagnetic fields for guiding the metal melt; typical of this is the process described in US Pat. No. 3,735,799, which, like the methods proposed later in accordance with FIG. 15, US Pat downwards, ie towards gravity, and causes significant operational safety problems, e.g. in the event of a power failure and then an uncontrolled outflow of the melt 20 downwards.

US Pat. Nos. 3,746,077 and 3,872,913 describe processes for the continuous casting of molten metals upwards, that is to say opposed to gravity, in which the molten metal to overcome gravity is neither "hydrostatic" (more precisely: "metallostatic" ) is pressed up or sucked up. These methods could solve the problem of the operational safety of the continuous casting processes working with electromagnetic fields with regard to uncontrolled outflow of the molten metal downward, but only at the expense of the inevitable contact of the melt with a forming or forming wall.

From published Japanese patent application No. 48-5413, the task is known to introduce liquid metal from below into an elongated, upward-moving electromagnetic field for the continuous production of elongated metal objects and to remove solidified product at the upper end of the field. However, an operational solution to the problem is not described and is also not possible with the means specified.

This object is achieved according to the invention by a method for the continuous production of an elongated metal object, in which method liquid metal is introduced from below into an elongated, upward-moving electromagnetic field and solidified product is removed at the upper end of the field, and which method characterized in that the electromagnetic field is maintained inside a forming zone in which the electromagnetic field acts on a column of solidifying metal in such a way that the hydrostatic pressure of the column of the solidifying metal is reduced by a predominant part of the outer surface keep the column of liquid metal in pressure-free contact with the surrounding inner surface of the forming zone, so that good heat transfer between the column and the forming zone is achieved and at the same time the gravitational, frictional and adhesive forces acting on the column are kept low n.

The result of the pressure-free contact 60, which is essential according to the invention, between the column of liquid metal and the inner surface of the forming zone surrounding the column is shown, among other things, by the fact that the surface of elongated metal objects obtainable by the process according to the invention, e.g. Rods, does not correspond to the inner surface of the forming zone used, but is slightly cross-ribbed or slightly cross-corrugated In this respect, the usual form terminology of continuous casting technology is not applicable to the method according to the invention, because the surface

3rd

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of a conventional, continuously obtained casting product is completely determined from the inner surface of the mold, that is to say “shaped”, while this is not the case with the method according to the invention. In a typical product of the method according to the invention, e.g. In a round bar with a diameter of 8 to 30 mm, for example 15 mm, the outside diameter of the bar is about 25 to 50 micrometers smaller than the inside diameter of the inside wall of the forming zone.

In the following description, the effect of the electromagnetic field in the method according to the invention is briefly referred to as “lifting action” and the state of practically complete weight compensation or weightlessness of the column achieved with a sufficient lifting action is referred to as “levitation”. Accordingly, a field that is not only capable of holding the metal column contact-free, but also of achieving the practical weightlessness of the column, is briefly referred to as the “levitation field”.

Preferred embodiments of the method according to the invention have the features specified in claims 2 to 4.