DE1583715C3 - Verfahren zum Kühlen eines schmelzflüssigen Drahtes oder Fadens - Google Patents

Verfahren zum Kühlen eines schmelzflüssigen Drahtes oder Fadens

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Description

Die Flußpartikelchen können mit einem inerten Gas gemischt und dann in die Ionisationszone eingebracht werden.
Sie können auch in Form eines feinen Pulvers in die Ionisationszone eingebracht werden.
Vorzugsweise wird die Corona-Entladung durch negatives Aufladen des schmelzflüssigen Drahtes erreicht, so daß Ionen-Konvektionsströme erzeugt werden.
Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung wird der schmelzflüssige Draht mit einem Reaktionsmittel zum Bilden einer feuerfesten Faser in Berührung gebracht, wobei das Reaktionsmittel etwa ein Gas oder ein feines Pulver sein kann.
Die Erfindung ist im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen ergänzend beschrieben.
F i g. 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zum Abkühlen eines schmelzflüssigen Drahtes gemäß dem Verfahren nach der Erfindung;
F i g. 2 zeigt eine Vorrichtung zum Durchführen m des Verfahrens nach der Erfindung unter Anwendung einer Corona-Entladung;
F i g. 3 zeigt eine Vorrichtung zum Abkühlen eines schmelzflüssigen Drahtes unter gleichzeitiger Verwendung einer Corona-Entladung und Einführung von Flußpartikelchen.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung umfaßt ein poröses Metallrohr 1, durch welches ein inertes Gas unter einem gewünschten Druck geleitet wird. Zwischen diesem Metallrohr und der Ausflußdüse 2 eines Schmelztiegels, aus dem unten ein schmelzflüssigcr Draht 3 austritt, liegt eine Hochspannungsquelle 4, deren negativer Pol an die Ausfiußdüse 2 und deren positiver Pol an das poröse Metallrohr 1 angeschlossen ist.
Die Spannung der Hochspannungsquelle 4 wird so auf den Gasstrom abgestimmt, daß eine seitliche Verschiebung des schmelzflüssigen Drahtes vermieden wird, d. h., daß der Gasstrom und das elektrische Feld mit gleich großer, aber entgegengesetzt gerichteter Kraft an dem schmelzflüssigen Draht 3 an- * greifen.
™ Als inertes Gas kann Helium oder Wasserstoff
verwendet werden wegen deren hohen Wärmeleitfähigkeit. Die Ausdehnung des Gasstromes hängt weitgehend von der gewünschten Abkühlungsgeschwindigkeit und anderen Umständen ab. Ein Abkühlbereich, der sich über eine Länge von 15 bis 122 cm erstreckt, ergibt zufriedenstellende Ergebnisse, und die Geschwindigkeit der Gasströmung kann in einem Bereich zwischen 3,05 und 15,25 m/sec liegen.
F i g. 2 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform einer Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach der Erfindung. Der positive Pol der Hochspannungsquelle 4 liegt an einer Elektrodenanordnung 5, und die Spannung ist so groß gewählt, daß eine Corona-Entladung um den schmelzflüssigen Draht 3 herum auftritt, deren Erstreckung gestrichelt dargestellt ist. Durch die Ionisation wird eine Konvektionsströmung erzeugt, die zur Kühlung des Drahtes beiträgt.
F i g. 3 zeigt eine andere Vorrichtung zum Durchführen eines weitergcbildeten Verfahrens nach der Erfindung, wobei die Ausfiußdüse 2 mit dem positiven Pol der Hochspannungsquelle 4 verbunden ist und die Elektrode 5 mit dünnen Sprühdrähten 6 versehen ist, um die herum eine Corona-Entladung entsteht.
Oberhalb der Elektrode 5 befinden sich Rohre 7 zum Einführen von Flußpartikelchen in den Elektrodenraum. Die Flußpartikelchen können in Form von feinem Pulver in die lonisationszone eingebracht werden, und zwar periodisch oder kontinuierlich als Suspension in einem inerten Gas. Die Flußpartikelchen werden durch Aufprallen auf die Gasionen negativ aufgeladen und in Richtung auf den schmelzflüssigen Draht 3 angezogen und am Strahl entladen,
ίο Die Flußpartikelchen können aus folgenden Stoffen bestehen:
Al2O3, SiO2, MgO, MgO -f- Al2O3, CaO + MgO, CaO + Al2O3, Na2O + SiO2, MgO + SiO2,
MgO-L TiO2, PbO + SiO2, AI2O3 + SiO2.
Falls die Flußpartikelchen ausschließlich zum Kühlen des schmelzflüssigen Drahtes verwendet werden, sollten sie dem Material des Drahtes gegenüber inert sein und sich auch nicht bei der Temperatur des Drahtes ionisieren. Das Material der Flußpartikelchen sollte einen Schmelzpunkt haben, der tiefer liegt als derjenige des Materials, aus dem der Draht besteht, so daß die Flußpartikelchen beim Kontakt mit dem schmelzflüssigen Draht schmelzen und dabei einen Wärmebetrag absorbieren, der der latenten Wärme des Materials der Flußpartikelchen entspricht.
Die Flußpartikelchen sollten einen Durchmesser
von 20 Mikron oder kleiner haben. Für verschiedene Zwecke dürfen die Flußpartikelchen am Draht verbleiben. Für andere Zwecke können sie mit Hilfe einer chemischen Nachbehandlung entfernt werden. Für manche Zwecke ist es erwünscht, daß die Flußpartikelchen mit dem Draht reagieren, daß sie also gleichzeitig als Reaktionsmittel und als Kühlmittel wirken. So lassen sich z. B. Drähte aus Borkarbid herstellen, indem ein Draht aus schmelzflüssigem Bor geformt und anschließend Graphit in Form einer pulverförmigen Suspension in einem inerten Gas eingeführt wird. Das Graphit reagiert unter diesen Bedingungen sehr schnell mit dem schmelzflüssigen Bor und dem Borkarbid.
Eine ähnliche Reaktion kann auftreten, wenn als gasförmiges Reaktionsmittel Methan an Stelle von Graphit verwendet wird.
Ähnlich lassen sich Titan-Bor-Drähte herstellen, indem als schmelzflüssiges Material entweder Titan oder Bor verwendet wird und anschließend entweder Titan oder Bor als feinverteiltes Pulver in die Abkühlungszone eingeführt wird.
Das Verfahren nach der Erfindung eignet sich insbesondere zur Drahtherstellung aus allen faserbildenden Metallen, vorzugsweise Nickel, Chrom und Chromlegierungen, austenitischer Stahl, Beryllium, Bor, Titan, und aus nichtmetallenen Stoffen, z. B. Aluminiumoxid allein oder in Mischung mit Magnesiumoxid und/oder Siliziumdioxid, Kalziumoxid sowie Siliziumdioxid.
Das Verfahren ist auch anwendbar bei schmelzflüssigen Stoffen, die eine eutektische Legierung von zwei oder mehr Metallen bilden, und wenn das Material, das elektrostatisch auf dem schmelzflüssigen Draht abgelagert wird, entweder eines dieser Metalle oder eine Legierung aus beiden Metallen bildet. In
verschiedenen Fällen entsteht ein Draht aus einer Legierung, die nicht hätte erschmolzen werden können. Im folgenden sind einige Beispiele für die Bildung von Eutektika angegeben.
Erschmolzenes Metall Schmelzpunkt, °C Reaktionsmittel
mtal + 20 Atomprozent Bor
anadium + 15 Atomprozent Bor
ttrium + 25,5 Atomprozent Bor
iobium + 14 Atomprozent Bor
or + 2 Atomprozent Kohlenstoff
hrom + 13 Atomprozent Tantal
isen + 65,3 Atomprozent Yttrium
isen -\- 71 Atomprozent Titan
lizium + Kohlenstoff
itan -f- Kohlenstoff 		1775
1550
1290
1600
1900
1700
900
1005
nicht nutzbar
nicht nutzbar		 Bor oder Tantalborid
Bor oder Vanadiumborid
Bor oder Yttriumborid
Bor oder Niobiumborid
Borkarbid oder Kohlenstoff
Tantal
Eisen oder Yttrium
Titan
Siliziumkarbid oder Kohlenstoff
Titankarbid oder Kohlenstoff
Es gibt eine Reihe von verwendbaren Metallegierungen und Oxidgemengen, welche wichtige lektrische Eigenschaften besitzen. Zum Beispiel iahen Fasern, die aus (3 Nb + Sn) oder (Mn + Bi) geformt sind, wenn sie mit hoher Geschwindigkeit •rstarren, eine genügend feine Kornstruktur, so daß durch anschließende Wärmebehandlung der Fasern .ine Umwandlung derselben in Nb3Sn bzw. MnBi auftritt. Es lassen sich auch andere Verbindungen mit Hilfe des Schnellabkühlverfahrens nach der Erfindung herstellen, etwa BaTiO3 und KNbO3 sowie Eutektika /.wischen BaFe12O19 und BaFe2O4.
Gewisse Metalle, welche an der Luft kohärente Oxidfilme bilden, können bei niedrigen Abkühlungsgeschwindigkeiten zu Draht geformt werden. Die hohen Abkühlungsgeschwindigkeiten, die sich mit dem Verfahren nach der Erfindung erzielen lassen, ergeben dabei einen glatteren Draht und weniger Schleifen, Beulen und Krümmungen. Da die Korngröße mit zunehmender Abkühlgeschwindigkeit abnimmt, entsteht ein homogeneres Produkt.
Beispiel 1
Durch ein 3,8 cm dickes Kühlrohr mit 0,16 cm Wandstärke und 61 cm Länge wird mit Hilfe eines Zentrifugalgebläses mit einem Durchsatz von 38 mkp/s bei 12 000 U/min Luft geleitet. In einem Tiegel wird schmelzflüssiges Zinn bereitgehalten, der mit einer kleinen Öffnung versehen ist, durch welche das geschmolzene Zinn als schmelzflüssiger Strahl mit 0,13 mm Durchmesser gepreßt wird. Die Geschwindigkeit des ausfließenden Strahls beträgt dabei etwa 138 m/min. Das obere Ende des Kühlrohres liegt 10 cm unter der Tiegelöffnung, und die Luft tritt mit einer Strömungsstärke von 1,5 m3/min aus dem Kühlrohr auf den Zinnstrahl.
Zwischen Tiegel und Kühlrohr liegt eine Gleichspannung von 1100 Volt, wobei das Kühlrohr mit dem positiven Pol der Spannungsquelle verbunden ist und der Tiegel mit dem negativen. Bei einem Abstand des Zinnstrahles von der Kühlrohrfläche von annähernd 1,27 cm war der Zustand des Zinnstrahles stabil.
Der gleiche Versuch wurde wiederholt, wobei anstatt von Luft Helium mit einer Strömungsstärke von 1,85 m3/min benutzt wurde.
Beispiel 2
Es wurde schmelzflüssiges Bor in den Tiegel eingefüllt, der mit dem positiven Pol der Spannungsquelle verbunden war. Aus dem Tiegel trat ein Borstrahl in einer Stärke von 0,076 mm aus. 3,8 cm vom Strahl entfernt und 30,5 cm unterhalb des Tiegels befand sich eine negativ geladene Elektrode. Unterhalb des Tiegels wurde eine Mischung aus Propan und Bortrichlorid eingeblasen, so daß eine Borkarbidschicht auf der Oberfläche des Borstrahles entstand. 30,5 cm unterhalb des Tiegels wird ein Aerosol eingespritzt, das aus feingepulvertem Quarz in einem Gemisch von Helium und Bortrichlorid besteht. Bei einem Elektrodenpotential von 6000 Volt schlägt sich das Silikatpulver auf dem Borstrahl nieder, unterbricht die Ablagerung von Borkarbid und kühlt gleichzeitig den Borstrahl. Das fertige Produkt ist eine Borkarbidfaser mit einem Silikatüberzug.
Beispiel 3
Der Tiegel wurde mit schmelzflüssigem Chrom gefüllt, das aus diesem in einer Stärke von 0,05 mm austrat. Der Tiegel war wiederum positiv geladen und die negative Elektrode entsprechend Beispiel 2 angebracht. 5,0 cm unterhalb des Tiegels wird ein Aerosol bestehend aus feingepulverter Kieselerde in Helium so eingespritzt, daß es parallel zum Strahl fließt. Bei einem Elektrodenpotential von 6000 Volt schlägt sich das Kieselerdepulver auf dem Chromstrahl nieder, wobei es diesen kühlt und gleichzeitig einen Glasüberzug auf diesen aufbringt. Ähnliche Ergebnisse erhält man bei Verwendung von Nickel statt Chrom.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

richtung eignet sich jedoch nur für Drähte aus Metall. Patentansprüche: Außerdem wird die Abkühlung des Drahtes durch die von dem hindurchfließenden Strom erzeugte
1. Verfahren zum Kühlen eines aus einer Joulesche Wärme behindert. Im übrigen hat eine Schmelze, insbesondere aus hochschmelzenden 5 derartige Vorrichtung nur Sinn, wenn ein Metalldraht Metallen, durch eine öffnung lotrecht nach unten in einer von der Vertikalen abweichenden Richtung schmelzflüssig austretenden Drahtes oder Fadens, geführt werden soll.
wobei dieser durch einen Gasstrom gekühlt wird, Es ist ferner bereits bekannt, Fasern äußerster dadurch gekennzeichnet, daß der Feinheit aus einer Schmelze herzustellen, indem durch Gasstrom horizontal und einseitig gerichtet ge- ίο eine Luftströmung in der Nähe einer Austrittsnase führt wird und daß ein elektrostatisches Feld an eines Schmelztiegels ein Strahl aus feinen Fäden herden austretenden Faden angelegt wird, wobei die gestellt wird, welche sodann einem elektrischen Feld Geschwindigkeit des Gasstromes und die Größe ausgesetzt werden, das die Einzelfäden auf eine Samdes elektrostatischen Feldes so abgestimmt werden, nietvorrichtung hin anzieht. Das elektrische Feld daß die an dem Faden angreifenden horizontalen 15 wirkt hierbei in der Richtung der Bewegungsbahn Kräfte sich aufheben. der Einzelfasern. Als Weiterbildung bei dieser Vor-
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- richtung ist vorgesehen, daß em zusätzliches elektrikennzeichnet, daß der Gasstrom auf eine solche sches Wechselfeld quer zur Bewegungsrichtung der Strömungsgeschwindigkeit eingestellt wird, daß Einzelfasern angelegt wird. Dieses Wechselfeld dient die Abkühlungsgeschwindigkeit (Wärmeübergangs- 20 dazu, wechselnde Kräfte auf die Einzelfäden auszuzahl) des schmelzflüssigen Drahtes 0,001 bis üben, um diese zu kräuseln.
0,04 Kalorien pro Sekunde und cm2 und Grad Es ist ferner bereits bekannt, schmelzflüssige Drähte (T\
Celsius beträgt. gemäß dem eingangs genannten Verfahren in der
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch Weise durch einen Gasstrom zu kühlen, daß das Gas gekennzeichnet, daß das elektrische Feld so stark 25 von unten nach oben im wesentlichen parallel zur gewählt wird, daß eine Corona-Entladung an dem Bewegungsrichtung des austretenden Fadens durch schmelzflüssigen Draht auftritt. einen Schacht geleitet wird. Hierbei treten jedoch
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch ge- unregelmäßige Luftströmungen auf, welche in radialer kennzeichnet, daß Flußpartikelchen in die Ioni- Richtung auf den zu kühlenden Draht wirkende sationszone der Corona-Entladung eingebracht 30 Kräfte erzeugen, so daß der Draht insbesondere bei werden. schneller Abkühlung leicht zerreißt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch ge- Hier setzt nun die Erfindung ein. Eine Abkühlung kennzeichnet, daß die Flußpartikelchen in Form des schmelzflüssigen Drahtes oder Fadens ohne Eineines feinen Pulvers in die lonisationszone ein- wirkung von Kräften auf denselben wird dadurch gebracht werden. 35 erzeugt, daß der Gasstrom horizontal und einseitig
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch ge- gerichtet geführt wird und daß ein elektrostatisches kennzeichnet, daß die Flußpartikelchen mit einem Feld an den austretenden Faden angelegt wird, wobei inerten Gas gemischt in die Tonisationszone ein- die Geschwindigkeit des Gasstromes und die Größe gebracht werden. des elektrostatischen Feldes so aufeinander abge-
7. Verfahren nach Anspruch 3 bis 6, dadurch 40 stimmt werden, daß die an dem Faden angreifenden gekennzeichnet, daß die Corona-Entladung durch horizontalen Kräfte sich aufheben. Es kann selbst negatives Aufladen des Drahtes erzeugt wird. dann keine Deformierung oder Zerteilung des Fadens
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch auftreten, wenn dieser noch ganz schmelzflüssig ist f% gekennzeichnet, daß der schmelzflüssige Draht und keine öberflächenkruste aufweist. ^-^ mit einem Reaktionsmittel zum Bilden eines feuer- 45 Vorzugsweise wird der Gasstrom auf eine solche festen Überzuges mit dem Material des Drahtes Strömungsgeschwindigkeit eingestellt, daß die Ab-
in Berührung gebracht wird. kühlungsgeschwindigkeit (Wärmeübergangszahl) des
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch ge- schmelzflüssigen Drahtes 0,001 bis 0,04 Kalorien kennzeichnet, daß als Reaktionsmittel ein Gas pro Sekunde und cm2 und °C beträgt. Die bevorverwendet wird. 50 zugten Werte für einige ausgewählte Stoffe sind z. B.
10. Verfahren nach Ansprüche, dadurch ge- (in 10~4 cal/sec · cm2 · 0C) Aluminium 193, Eisen 20, kennzeichnet, daß als Reaktionsmittel ein feines Bor 275, Silizium 365, Nickel 226, Chrom 184, Beryl-Pulver verwendet wird. Hum 187, und Aluminium-Oxid 25,5.
Gemäß einer besonderen Weiterbildung wird das 55 elektrostatische Feld so stark gewählt, daß eine
Corona-Entladung an dem schmelzflüssigen Draht
auftritt. Da die gebildeten Ionen eine bestimmte Masse haben, entsteht durch diesen Ionenfluß zwischen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen dem Draht und der anderen Elektrode des elektroeines aus einer Schmelze, insbesondere aus hoch- 60 statischen Feldes ein Umlauf von Gas, durch den schmelzenden Metallen, durch eine öffnung lotrecht eine zusätzliche Kühlung des schmelzflüssigen Drahtes nach unten schmelzflüssig austretenden Drahtes oder bewirkt wird.
Fadens, wobei dieser durch einen Gasstrom gekühlt Gemäß einer anderen Weiterbildung werden Flußwird, partikelchen in die lonisationszone der Corona-
Es ist bereits bekannt, einen stromleitenden Metall- 65 Entladung eingebracht. Diese Flußpartikelchen werden draht zwischen magnetischen Feldern frei schwebend in der lonisationszone ionisiert und vom Draht anzu führen, um eine Beschädigung der Oberfläche gezogen, wobei sie mit dem Draht in Berührung durch Reibung zu vermeiden. Eine derartige Vor- kommen und Wärme von diesem abführen.
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