DE1583672B2 - Verfahren zum stranggiessen von faeden aus metallen u.dgl. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stranggießen von Fäden aus Metallen, deren Legierungen oder intermetallischen Verbindungen oder anorganischen Werkstoffen, die schmelzflüssig aus einer Stranggießdüse in eine Gasatmosphäre austreten und dort erstarren, zur Verwendung bei Fäden, die unter einer in Austragsrichtung auf sie einwirkenden Zugkraft zum Abreißen neigen, sobald die von der Mündung der Düse aus gemessene Länge des Fadens eine von der Größe der Zugkraft bestimmte Reißlänge übersteigt.

Es wurden bereits Verfahren vorgeschlagen, durch welche ein Faden aus einem schmelzflüssig aus einer Düse in eine Gasatmosphäre austretenden und dort erst erstarrenden Strahl auch dann noch erzeugt werden können, wenn der Durchmesser des Fadens sehr klein ist und die Schmelze des Fadenwerkstoffs nur eine geringe Viskosität hat. In der DT-OS 15 08 895 wird die Lehre erteilt, durch gezielte chemische Reaktion der Schmelze mit der Gasatmosphäre auf der Oberfläche des noch schmelzflüssigen Strahls eine Haut zu erzeugen, die den Strahl bis zu seiner Erstarrung formstabil hält. Diese ältere Lehre geht von der Erkenntnis aus, daß es möglich ist, eine den Strahl formstabil stützende Haut in kürzerer Zeit zu erzeugen, als die vom Austritt des Strahls aus der Düse bis zu seiner Erstarrung gemessene Zeit beträgt. Hierdurch ist es möglich, kontinuieiliehe Fäden auch aus solchen Werkstoffen zu erhalten, die andernfalls unter der Wechselwirkung von Oberflächenspannung und geringen Viskosität des Schmelzstrahls nur in Form von Einzelstücken erhalten werden könnten.

In einer Weiterbildung dieses älteren Vorschlags lehrt die DT-OS 17 29 190, daß ein Verhältnis der Länge zum Durchmesser der Düsenöffnung der Stranggießdüse von weniger als 5 :1 vorteilhaft ist, wenn die vorher erläuterte Hautbildung auf dem schmelzflüssigen Strahl nicht durch ein Schubverformung des schmelzflüssigen Strahls beeinträchtigt werden soll.

In einer weiteren Weiterbildung des genannten älteren Verfahrens wird in der DT-OS 15 96 334 die Lehre erteilt, die an dem ausgetragenen und erstarrten Faden angreifenden, aus der Zähigkeit der Gasatmosphäre herrührenden Widerstandskräfte derart einzustellen, daß eine schädliche Ablenkung des Fadens aus der Austragsrichtung unter Knickbildung und Abreißen des Fadens verhindert ist. Um dies zu erreichen, werden die Austragsbedingungen des Schmelzstrahls, wie die Austragsrichtung und Strang-Austragsgeschwindigkeit, die Gasdichte, Gaszähigkeit und Gasgeschwindigkeit relativ zum Faden in Anpassung an die physikalischen Eigenschaften des Fadenwerkstoffs so eingestellt, daß die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Fadenablenkung in der der Austragsrichtung des Fadens entgegengesetzten Richtung kleiner als die Austragsgeschwindigkeit des Fadens ist.

Jedoch kommt es für das erfolgreiche Stranggießen von Fäden sehr geringen Durchmessers und aus Werkstoffen, deren Schmelze eine sehr geringe Viskosität hat, noch auf weitere Einflußgrößen an, durch welche die Herstellung kontinuierlicher Fäden unbegrenzter Länge verhindert werden kann. Diese Einflußgrößen sind das Eigengewicht des Fadens bzw. sonstige in Austragsrichtung auf ihn einwirkende Zugkräfte.

Bekanntlich reißt ein Faden, wenn seine Reißlänge überschritten wird. Die Reißlänge des Fadens ist besonders klein, wenn Fäden sehr geringen Durchmessers aus einem Werkstoff erzeugt werden sollen, dessen einem Abreißen des Fadens entgegenwirkenden Zähigkeitskräfte verglichen mit der Zugbelastung des Fadens klein sind, oder dessen Bruchfestigkeit im Bereich des Erstarrungspunktes sehr dicht an der Fließgrenze des Werkstoffs liegt. Ersichtlich hat hier der Durchmesser des Fadens einen entscheidenden Einfluß auf die Reißlänge. Bei dem oben erwähnten älteren Verfahren, bei welchem auf dem schmelzflüssigen Teil des Stranges eine den Strang formstabil stützende Haut erzeugt wird, hat auch die Festigkeit dieser Haut einen Einfluß auf die Reißlänge. Andererseits muß bei einem Verfahren der vorliegenden Art der Faden über eine gewisse Strecke hin frei ausgetragen werden, damit ausreichend Zeit für seine Erstarrung vorhanden ist.

Durch die Erfindung wird somit die Aufgabe gelöst, bei einem Verfahren der vorliegenden Art eine derartige Verfahrensführung anzugeben, daß stranggegossene Fäden aus einem Werkstoff geringer Reißlänge erhalten werden.

Dies wiro. erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der stranggegossene Faden an einer in geringerem Abstand von der Mündung der Düse als die Reißlänge liegenden Stelle abgebremst wird, die stromabwärts von einem Bereich liegt, in welchem eine Abbremsung des Fadens zu seiner Zerlegung in Einzelstücke führt.

Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Abbremsen des Fadens in einem Abstand von der Stranggießdüse, welcher geringer als die Reißlänge des Fadens ist, wird vermieden, daß der Faden unter den in seiner Austragsrichtung auf ihn einwirkenden Zugkräften abreißt und dadurch nur kurze Einzelstücke des Fadens erhalten werden können. Darüber hinaus muß jedoch gemäß der Erfindung noch ein sich stromabwärts an die Stelle, an welcher der Faden erstarrt ist, anschließender Fadenbereich berücksichtigt werden, in welchem die Bruchfestigkeit des im Strang gegossenen Fadens noch zu gering ist, als daß dieser den Abbremskräften ausreichend entgegenwirkende Kräfte entgegensetzen könnte. Wird jedoch in der erfindungsgemäßen Weise stromab von diesem Bereich abgebremst, so kann ein Abreißen des Fadens aufgrund der in Austragsrichtung auf ihn einwirkenden Zugkräfte wirksam vermieden werden, so daß kontinuierliche Fäden großer Länge erhalten werden können.
Die erfindungsgemäfle Abbremsung des Fadens kann

durch geregelte Anwendung von magnetischen, elektrostatischen, aerodynamischen oder mechanischen Kräften oder durch eine Kombination davon erreicht werden. Beispielsweise kann der Faden zum Abbremsen durch einen Gasbereich höherer Gaszähigkeit und Gasdichte geführt werden.

Je nach den Stranggießbedingungen kann es vorkommen, daß der Abstand der stromabwärtigen Grenze des Bereichs, in welchem eine Abbremsung des Fadens zu seinem Abbrechen führen würde, von der Düse größer als die Reißlänge ist. Dies kann jedoch durch eine entsprechende Abstimmung einer oder mehrerer Stranggießbedingungen verhindert werden. Wenn beispielsweise der Schmelzstrahl vor der Erstarrung durch eine Oberflächenhaut gemäß dem erwähnten älteren Vorschlag gestützt wird, kann deren Eigenfestigkeit zur Steigerung der Gesamtfestigkeit des Fadens und damit zur Verkürzung des Bereichs, in welchem nicht abgebremst werden kann, und Vergrößerung der Reißlänge beispielsweise durch Steigerung der Konzentration des Reaktionsteilnehmers erhöht werden. Entsprechend lassen sich auch die Eigenschaften der Gasatmosphäre, insbesondere ihre Viskosität, Dichte und der Wärmeübertragungskoeffizient einstellen, um die Geschwindigkeit einer Hautbildung zu beeinflussen oder das auf den Faden über die Reibung in der Gasatmosphäre einwirkende Kräftesystem entsprechend einzustellen.

Ähnlich ist auch die Austragsgeschwindigkeit des Fadens von Einfluß auf die Lage und Größe des für die wirksame Abbremsung möglichen Bereichs. Eine Vergrößerung der StrangAustragsgeschwindigkeit führt zu einer Zunahme der Reißlänge aufgrund der Stützwirkung der Gasatmosphäre, die mit zunehmender Relativgeschwindigkeit zwischen dem Faden und der Gasatmosphäre entsprechend deren Zähigkeit und damit des auf den Faden wirkenden Bewegungswiderstandes größer wird. Mit zunehmender Strang-Austragsgeschwindigkeit vergrößern sich zwar auch die Abstände der Stelle, an welcher der Faden erstarrt ist, und der stromabwärtigen Grenze des Bereichs, in welchem nicht abgebremst werden darf, von der Stranggießdüse, jedoch ist diese Abstandsvergrößerung geringer als die Vergrößerung der Reißlänge, so daß dennoch eine Vergrößerung des Bereichs, in welchem wirksam abgebremst werden kann, erreicht wird.

Die Einstellung der Schmelztemperatur führt zu einer entsprechenden Änderung der Wärmeübertragungserfordernisse bis zur Erstarrung des Fadens und indirekt auch zur Beeinflussung einer Hautbildung auf der Oberfläche des Schmelzstrahls. Bei geringerer Stranggießtemperatur wird schneller eine ausreichende Fadenfestigkeit erhalten, was zu einer Vergrößerung des Bereichs, in welchem wirksam abgebremst werden kann, führt.

Um die erfindungsgemäß zu beachtenden Fadenbereiche nach Lage und Größe durch entsprechende Einstellung des auf den Faden entgegen der Austragsrichtung einwirkenden Bewegungswiderstandes in der Gasatmosphäre <n Abhängigkeit von der Größe der auf den Faden in Austragsrichtung einwirkenden Zugkraft und der Fadenfestigkeit zu beeinflussen, kann man auch das Gas der Gasatmosphäre entsprechend im Gleichstrom oder Gegenstrom mit dem Faden führen, wobei die Gasgeschwindigkeit bei einer Gleichstromführung geringer sein kann, als die Austragsgeschwindigkeit.

Wenngleich das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt bei der Herstellung von Fäden gemäß den erwähnten älteren Vorschlägen angewendet wird, nach denen zur formstabilen Abstützung des Fadens in seinem noch schmelzflüssigen Bereich bis zur Erstarrung eine Haut auf der Oberfläche des Schmelzstrahls gebildet wird, kann das erfindungsgemäße Verfahren erfolgreich auch bei sonstigen Stranggießverfahren der vorliegenden Art angewendet werden, bei denen der schmelzflüssige Teil des Fadens auf andere Weise formstabil gehalten wird, beispielsweise durch den Einfluß eines magnetischen oder elektrostatischen Feldes mit entsprechender Intensität und Richtung oder durch eine hydrodynamische Regelung. Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, daß das mit der Hautbildung arbeitende Stranggießverfahren aufgrund seiner höheren Zuverlässigkeit und einfachen Durchführbarkeit zu bevorzugen ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt:

F i g. 1 eine graphische Darstellung der typischen Wechselbeziehung zwischen erzielbarer Fadenlänge und Abstand der Abbremsstelle von der Düse,

Fig.2 einen Vertikalschnitt einer zur Durchführung des Verfahrens geeigneten einfachen Vorrichtung und
Fig.3 in schematischer Darstellung eine Schaltung, die zur Überwachung und Aufzeichnung der Fadenkontinuität angewendet werden kann.

Die praktische Ausführung des vorliegenden Verfahrens erfolgt unter der Annahme einer wirksamen Stabilisierung des Fadens in seinem flüssigen Bereich und sorgt dafür, daß dieser Bereich von solchen Abreißkräften, die normalerweise während des weiteren Fortschreitens des nun verfestigten Fadens auftreten, bewahrt wird. Das Verfahren beruht auf der Feststellung, daß bei Schmelzen niedriger Viskosität stromabwärts vom Erstarrungpunkt Do des Fadens ein Punkt Da, bis zu welchem der Faden ohne Abreißen oder Brechen nicht wirksam abgebremst werden kann, und ein Punkt Db vorhanden sind, hinter dem ein nicht abgebremster Faden aufgrund der in Austragsrichtung auf ihn wirkenden Zugkräfte reißt (F i g. 1). Der Abstand des Punktes Db von der Stranggießdüse entspricht der Reißlänge. Außerdem kann das Kräftesystem, daß auf einen Faden einwirkt, so eingeregelt werden, daß der Punkt Da stromaufwärts von Db liegt, so daß dadurch die Möglichkeit geschaffen ist, den Faden zwischen diesen beiden Punkten abzubremsen und zu sammeln, ohne daß dadurch der Faden bricht.

Vor Erläuterung dieses Mechanismus wird zunächst eine vereinfachte Stranggießanordnung zur Durchführung des Verfahrens anhand von F i g. 2 erläutert. Die Vorrichtung weist einen Schmelztiegel 10 mit einer oberen Deckplatte 12 und einer unteren Düsenplatte 14 auf, die beide abdichtend am Schmelztiegel 10 anliegen, so daß eine gasdichte Schmelzkammer 16 vorhanden ist.

Die Düsenplatte 14 trägt in ihrer Mitte eine Düse 18 mit einer Düsenöffnung 20, die beispielsweise einen Durchmesser von 100 Mikron und ein Längen/Durchmesser-Verhältnis von 1 hat. Zum Schmelzen des Fadenwerkstoffs sind elektrische Widerstandsheizelemente 22 und zum Messen der Schmelztemperatur eine Thermoelementanordnung 24 vorgesehen. Das anfängliche Schmelzen geschieht vorzugsweise unter Unterdruck und das Auspressen der Schmelze aus der Düsenöffnung unter dem Druck eines Inertgases.

Mittels der gezeigten Anordnung 26 aus einem Zweiwegeventil und zugehörigen Leitungen kann die Schmelzkammer 16 abwechselnd evakuiert und unter Druck gesetzt werden. Unterhalb der Düsenplatte

schließt ein Glasrohr 27 an, in welchem die Gasatmosphäre aufrechterhalten wird, in welche der aus der Düse 18 austretende Schmelzstrahl ausgetragen wird. Das Gas wird durch eine Leitung 28 zugeführt, die innerhalb des Rohres 27 in einen Verteilerring 30 mit Gasöffnungen 32 in gleichmäßigen Abständen endet. Vor dem Stranggießen in das gewünschte Gasgemisch wird das Rohr 27 vorzugsweise unter Vakuum ausgespült, was mittels der Ventilanordnung 34 geschehen kann.

Der stranggegossene Faden kann in vorgegebenen Abständen unterhalb der Düse mittels einer Sammeloberfläche 36 beispielsweise in Form einer Metallplatte gesammelt werden. Die Sammeloberfläche 36 kann in senkrechter Richtung verstellt weiden, damit der Abstand der Sammeloberfläche 36 von der Düse verstellt werden kann. Die Platte kann waagerecht stehen, jedoch kann sie auch unter weitgehend sich ändernden Winkeln gehalten werden, ohne daß dadurch ein wesentlicher Einfluß auf die Fadenlängen, die erhalten werden können, ausgeübt wird.

Die gezeigte Sammeloberfläche 36 dient hier symbolisch als Bremseinrichtung für den stranggegossenen Faden. Im Falle einer festen Oberfläche wird das Abbremsen durch den plötzlichen Aufprall des Fadens auf die feste Oberfläche erzielt. Der Faden kann stattdessen jedoch auch allmählich abgebremst werden, beispielsweise dadurch, daß der Faden durch eine wesentlich dichtere und/oder im Gegenstrom geführte Gasatmosphäre hindurchgeführt wird. In ähnlicher Weise kann eine allmählichere Abbremsung des Fadens durch die Anwendung eines geeigneten elektrostatischen Feldes erreicht werden.

Der Abstand der Sammeloberfläche 36 von der Düse 18 repräsentiert hier den Abstand der Abbremsstelle von der Düse gemäß Fig. 1. Gemäß Fig. 1 ist der stranggegossene Faden stromaufwärts vom Punkt Do noch geschmolzen, so daß hier kein Sammeln eines Fadens erreicht werden kann. Für Abbremsstellen zwischen den Punkten Do und Da nimmt die dadurch erzielbare Fadenlänge mit größerem Abstand der Abbremsstelle von der Stranggießdüse exponentiell zu. Wenngleich der Faden in diesem Bereich wenigstens teilweise fest ist, wird durch eine plötzliche Abbremsung aufgrund des Aufschiagens des Fadens auf der Sammeloberfläche eine Störung für den Faden erzeugt, welche zu seinem Brechen führt. Hingegen kann bei einer Abbremsung zwischen den Punkten Da und Db ein kontinuierlicher Faden erhalten werden. Wenn der Faden über dem Punkt Db hinaus frei fällt, ist die Zugkraft aufgrund der zunehmenden Fadenlänge und daher des zunehmenden Fadengewichts ausreichend, um den Faden abzureißen. Somit werden beim Abbremsen an Stellen stromabwärts von Db im wesentlichen konstante Fadenstücke unabhängig vom jeweiligen Abstand der Abbremsstelle zur Düse erhalten.

Durch zweckmäßige Änderung der Verfahrensbedingungen können die relativen und absoluten Lagen der Punkte Do, Da und Db eingeregelt werden. Wenn unter gegebenen Bedingungen der Punkt Db stromaufwärts von Da liegt, können große Fadenlängen nicht erhalten werden. In diesen Fällen muß das Kräftesystem, das auf den Faden einwirkt, durch entsprechende Einregelung der Verfahrensbedingungen so geändert werden, daß der Punkt Db stromabwärts vom Punkt Da verschoben wird, wenn eine Herstellung von Fäden unbestimmter Länge erzielt werden soll.

Zur Prüfung, ob der Faden in Abhängigkeit vom Abstand der Abbremsstelle zur Stranggießdüse reißt, kann eine sehr einfache elektrische Prüfschaltung verwendet werden, die als Beispiel in F i g. 3 dargestellt ist. Die dargestellten Schaltungsanschlüsse werden mit der Sammelplatte 36 bzw. dem Schmelztiegel 10 (Fig. 2) verbunden, so daß über einen elektrisch leitenden Faden, der mit der Sammeloberfläche 36 und dem Schmelztiegel 10 elektrisch verbunden ist, festgestellt werden kann, ob der Faden zwischen der Sammeloberfläche und der Düse durchgeht oder hier unterbrochen ist.

Im unteren Teil von Fig. 1 ist eine Aufzeichnung eines solchen Prüfgeräts für die im oberen Teil von Fig. 1 aufgetragene typische Kurve gezeigt. Stromaufwärts vom Punkt Do ist über den schmelzfiüssigen Strahl eine durchgehende elektrisch leitende Verbindung zwischen der Sammeloberfläche und dem Schmelztiegel vorhanden, wie dies in Fig. 1 durch die kontinuierliche positive Ablenkung auf der Aufzeichnungskurve angegeben ist. Für Anordnungen der Sammeloberfläche zwischen den Punkten Do und Da können nur kurze Fadenstücke erhallen werden, wie aus der Aufzeichnungskurve ersichtlich. Beim Abbremsen des Fadens stromabwärts von Da bis zum Punkt Db werden kontinuierliche Fäden erhalten, so daß die elektrische Verbindung über den Faden nicht unterbrochen ist, wie durch die Aufzeichnungskurve dargestellt wird. Jedoch zeigt die Aufzeichnungskurve deutlich, daß für größere Abstände der Abbremsstelle als die durch Db repräsentierte Reißlänge der Faden vor dem Auftreffen auf die Sammeloberfläche reißt, da die auf die Schwerkraft zurückgehende Kraft hier größer wird, als die Summe der Widerstandskraft des Fadens aufgrund seiner Fadenfestigkeit und der entgegen der Austragsrichtung auf den Faden wirkenden Bewegungswiderstandskraft aufgrund der Zähigkeit der Gasatmosphäre. Für diesen Bereich zeigt die Aufzeichnung entsprechend einen dauernd offenen Stromkreis. Prüfungen der Bruchstellen haben gezeigt, daß der Faden in einem sehr heißen festen Fadenbereich oder in seinem schmelzfiüssigen Bereich bricht. Meist findet der Fadenbruch in der Nähe des Erstarrungpunktes statt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zum Stranggießen von Fäden aus Metallen, deren Legierungen oder intermetallischen Verbindungen und anorganischen Verbindungen, die schmelzflüssig aus einer Stranggießdüse in eine Gasatmosphäre austreten und dort erstarren, zur Verwendung bei Fäden, die unter einer in Austragsrichtung auf sie einwirkenden Zugkraft zum Abreißen neigen, sobald die von der Mündung der Düse ausgemessene Länge des Fadens eine von der Größe der Zugkraft bestimmte Reißlänge übersteigt, dadurch gekennzeichnet, daß der Faden an einer in geringerem Abstand von der Mündung der Stranggießdüse als Reißlänge liegenden Stelle abgebremst wird, die stromabwärts von einem Bereich (Do —Da) liegt, in welchem eine Abbremsung des Fadens zu seiner Zerlegung in Einzelstücke führt.