DE2032895C3 - Verfahren zum Stranggießen von Fäden aus Metallen und dergleichen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stranggießen von Fäden au« Metallen, deren Legierungen, Metalloiden oder intermetallischen Verbindungen, die schmelzflüssig aus einer Stranggießdüse in eine gasartige Atmosphäre austreten und dort erstarren und in ihrem schmelzfiüssigem Teil unter Wirkung der Oberflächenspannung und der geringen Viskosität der Schmelze zur Einschnürung und anschließenden Zerlegung neigen, wobei vor der Erstarrung auf der ODerfiache des scnmcliimssigcn Strahls durch chemische Reaktion mit der gasartigen Atmosphäre eine tragfähige Haut erzeugt wird.

Ein derartiges Verfahren wurde bereits vorgeschlagen (DT-OS 15 08895). Durch die Ausbildung der tragfähigen Haut längs des schmelzflüssigen Strahls vor seiner Erstarrung können auch aus solchen Werkstoffen kontinuierliche Fäden stranggegossen werden, deren Schmelze eine sehr geringe Viskosität hat, so daß entsprechend der Widerstand gegen ein Zertropfen des schmelzflüssigen Strahls unter Wirkung der Oberflächenspannung gering ist. Der ältere Vorschlag geht dabei von der Erkenntnis aus, daß sich durch chemische Reaktion mit der gasartigen Atmosphäre in kürzerer Zeit eine tragfähige Haut durch chemische Umsetzung mit einer Komponente des Fadenwerkstoffs oder durch Zersetzung der Gasatmosphäre in Gegenwart des Fadenwerkstoffs und Abscheidung einer Komponente der Gasatmosphäre auf den schrnelzflüssigen Strahl '-· bilden läßt, als derjenigen Zeit entspricht, die verstreicht, bis der aus der Düse ausgetretene schmelzflüssige Strahl sich aufgrund seiner Oberflächenspannung zerlegt Hierbei können beispielsweise durch entsprechend«* Auswahl und Konzentration des reaktiven Bestandteils der Gasatmosphäre und Einstellung der Gastemperatur in Anpassung an die Zusammensetzung der Schmelze und die Strang-Austragsgeschwindigkeit, die Geschwindigkeit und das Ausmaß der Hautbildung und die Festigkeit der Haut beeinflußt werden.

t5 Die hinreichend schnelle Ausbildung einer tragfähigen Haut um Jen schmelzflüssigen Strahl wird außerdem durch den Strömungszustand des Strahls nach seinem Austritt aus der Düse beeinfluß'. Innerhalb der Düsenöffnung wird der Umfangsbereich des

^2t> Strahles an den Rändern der Düsenöffnung stärker abgebremst, als der Kernbereich des Strahls und nach dem Austreten aus der Düsenöffnung strebt der flüssige Strahl unter Wirkung seiner, wenn auch geringen Viskosität in einen Gleichgewichtszustand, was zu entsprechenden Verschiebungen der Oberflächenbereiche des Strahls gegenüber dem Inneren des Strahles führt. Wenn solche Flüssigkeitsverschiebungen noch während der Hautbildung auftreten, können in der bereits gebildeten Haut Risse oder sonstige Verformun-

3" gen auftreten, durch welche die Tragfähigkeit der Haut entsprechend beeinträchtigt wird. Um dies zu vermeiden, wird gemäß einem weiterem älteren Vorschlag (DT-OS 17 29 190) vorgeschrieben, durch ein maximales Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Düsenöffnung von 5:1 die in der Düsenöffnung selbt auftretenden Verschiebungen der Flüssigkeitsieilchen möglichst gering zu halten, so daß dann auch die am ausgetragenen Strahl hinter der Düsenöffnung auftretenden, zum Gleichgewicht strebenden Verschiebungen geringer sind.

Auch bei einer solchen Gestaltung der Düsenöffnung kommt es jedoch noch zn einer merklichen Verschiebung der Flüssigkeitsteilchen unmittelbar in den an die Düsenotrnung anschließenden Bereich. Wenn die Haut bereits in diesem Bereich ausgebildet wird, kommt es ebenfalls zu Hautrissen oder Hautverschiebungen, die zu einem ungleichförmigen Querschnitt des erhaltenen Fadens führen. Andererseits beginnt ein nicht durch die Haut stabilisierter Strahl sich bereits ν .τ der endgültigen Zerlegung einzuschnüren. Wenn nun die Haut erst in demjenigen Bereich, in welchem sich schon Einschnürungen am Strahl bilden, fertig ausgebildet wird, kann ebenfalls kein Faden mit gleichförmigem Querschnitt über seine Länge hin erhalten werden. Es entstehen dann vielmehr uufeinander folgende dickere und dünnere Faden teile über seine Länge hin.

Somit wird durch die Erfindung die Aufgabe gelöst,

bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art, bei

,' welchem der schmelzfiüssige Strahl durch eine Haut

to gegen eine Zerlegung vor der Erstarrung gestutzt wird, die Herstellung von Fäden mit über ihre Länge hin ; gleichförmigem Querschnitt zu gewährleisten.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß durch Einstellen der zur Hautbildung führenden Bedingungen,

⁶S wie die Konzentration des reagierenden Anteils der' Gasatmosphäre, die Temperatur der Gasatmosphäre, der Eintrittsstelle des Strahls in die Gasatmosphäre im Abstand von der Mündung der Stranggießdüse, der

ίο

Gasgeschwindigkeit relativ zum Strahl und der Austragsgeschwindigkeit des Strahls die Ausbildung der Haut zwischen einer ersten Stelle am Strahl (Entspannungspunkt}, wo das Strömungsprofil des Strahls im wesentlichen ausgebildet ist, und einer zweiten Stelle am Strahl (Stelle maximal zulässiger Einschnürung), an welcher die unter der Wirkung der Oberflächenspannung einsetzende Durchmesserverringerung desStrahls 10% des Ausgangsstrahldurchmessers übersteigt, eingeleitet wird.

Dadurch ist gewährleistet, daß die Hautbildung einerseits in demjenigen Bereich des schmelzflüssigen Strahls, in welchem es noch zu wesentlichen Flüssig keitsverschiebungen an der Strahloberfläche kommt, nicht bereits so weit fortgeschritten ist, daß die Flüssigkeitsverminderungen zu den entsprechenden Verschiebungen der Haut bzw. zu Hautrissen führen, andererseits die Haut bereits ausreichend iragfähig ist, um wesentliche Einschnürungen des Strahls unter Wirkung der Obe^r Tächenspannung zu verhindern.

Die erfindungsgemäße Steuerung der Hautbildung kann durch entsprechende Wahl der Zusammensetzung und Konzentration der r :aktionsfähigen Bestandteile der Gasatmosphäre vorgenommen werden. Der reaktionsfähige Bestandteil kann beispielsweise aus Sauerstoff bestehen. In zahlreichen Fällen kann es jedoch zweckmäßig sein, in Anpassung an die Zusammensetzurg der Schmelze einen gasförmigen Kohlenwasserstoff, wie Propan, zu verwenden. Außerdem können gegebenenfalls . .mmoniak, Bortrichlorid und Wasser, Schwefelkohlenstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid oder andere reaktionsfähig-: haut' ',ldende Gase verwendet werden. Hohe Konzentrat'onen des reaktionsfähigen Bestandteils können eine voncitige Ausbildung der Haut verursachen, während umgekehrt niedrige Konzentrationen zur hinreichenden Abstützung des

• schmelzfidssigen Strahles vor Erreichen der Stelle maximal zulässiger Einschnürung unzureichend sein können, in ähnlicher Weise kann eine sehr hohe Schmelztemperatur die die Hautbildung verursachende chemische Reaktion beschleunigen, so daß sich dann eine vorzeitige Ausbildung der Haut ergibt

Zur praktischer. Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann auch auf die Lage des genannten Entspannungspunktes am schmelzflüssigen Strahl und der Stelle maximal τ 'lässiger Einschnürung Einfluß genommen werden. Mit der Zunahme der bekannten Reynokis-Zahl, die für die Strömung durch die Düsenoffnung gebildet wird, nimmt der Abstand des Entspannungspunktes von der Düsenoffnung zu. Wenn man daher für eine Schmelze mit gegebenen physikalischen Kenngrößen bei gegebenem Durchmesser der Düs^nöffnung die Stranggießgeschwindigi'eit erhöht,

' vergrößert sich der Abstand des tntspannungspunktes von der Düse ebenfalls. Auch der Abs tar d der Stelle maximal zulässiger Einschnürung von der Düse nimmt mit größerer Stranggießgeschwindigkeit zu. Andererseits kann die StranggieSgeschwmdigkeit für ein 'erfolgreiches. Stranggießen nicht ütermäßig gesteigert

'''■werden, .weil· dann der Bewegungswidenuand des Fadens in der Gasatmosphäre aufgrund & Oaszähig·

• keitskrafte zu groß wird und dadurch uer Fader aus seiner Austragsrichtung stark a' g'-ipnkt wird, was zu

'_ - unerwünschten Knickstelien und-c lersei = ium Abre^; i,j%i Ben des Fadens führen kann. Der für das ei f'^· ngsge * ^δ>1 mäße Verfahren praktisch verwirklichbare uere»ch für "'"' 'die Stranggießgeschwindigke,: kann durch eine sogenannte Rayleigh-Zahl Ra=- V|/i DA· beschrieben

den, die zwischen 1 und 25, insbesondere zwischen 2 und tO liegt, v/obei V die Austragsgeschwindigkeit dss Strahls, ρ die Dichte der Schmelze, D den Durchmesser des Strahls und die Oberflächenspannung des schmelzflüssigen Strahls bedeuten. Da die geschwindigkeitsabhängigen Widerstandskräfte, die am Faden bei seiner Bewegung in der Gasatmosphäre erzeugt sind, zu Störungen führen, durch weiche der Beginn einer Strahleinschnürung beschleunigt werden kann, kann die Lage der S'.dle maximal zulässiger Einschnüiung in ihrem Abstand von der Düsenoffnung durch Änderung der Stranggießgeschwindigkeit erhöht oder gesenkt werden.

Zur richtigen Einstellung der zur Bildung einer tragfähigen Haut führenden Bedingungen sind auch die physikalischen Eigenschaften der Schmelze bestimmend. Da in die oben gegebene Definition der Rayleigh-Zahl die Dichte der Schmelze und deren Oberflächenspannung eingehen, wird die Größe der Ray!eigh-Zahl entsprechend geändert, wenn andere Schmelzzusammensetzungen verwendet werden. Die Dichte und Oberflächenspannung der Schmelze werden außerdem von der Schmelzentemperatur beeinflußt und nehmen beide mit zunehmender Schmelzentemperatur ab. Wenn daher mit unterschiedlichen Schmelzenzusammensetzungen und/oder unterschiedlichen Temperaturen gearbeitet w:rd, ist es für die Einhaltung einer bestimmten Rayleigh-Zahl wichtig, eine genaue Regelung der Stranggießgeschwindigkeit vorzunehmen.

Einen Einfluß auf die Lage des Entspannungspunktes haben auch die Abmessungen der Düsenöffnung. Je größer der Durchmesser der Düsenoffnung, um so geringer muß das Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Düsenoffnung sein. Andererseits ist mit der Zunahme der Stranggießgeschwindigk ;it die Zunahme dieses Verhältnisses bei gleichbleibendem Durchmesser der Düsenöffnung zu! -»ig. Umgekehrt ist der Einfluß des Ausgleichs des Geschwindigkeitsprofils im schmelzflüssigen Strahl nach dem Austritt uus der Düse auf die Herstellung von Fäc en mit gleichförmigem Querschnitt um so geringer, je kleiner der Durchmesser der Düsenoffnung und das Längen/Durchmesser-Verhältnis der Düsenoffnung sind.

Das Maß für ein hinreichend fertig ausgebildetes Strömungsprofi! als Kennzeichnung für den Entspannungspunkt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist abhängig von HauHehnungen, die zulässig sind, bevor es bei noch stattfindenden Flüssigkeitsverschiebungen zu Rißbildungen und unzulässigen Teilverschiebungen der Haut kommt Für die meisten zur Abstützung des srhmelzfiüssige- Strahles angewendeten Hautzusammensetzungen hegt eine hinreichende Ausbildung des Strömungsprofils des Strahls an einer Stelle vor, wo die e^hwindiskeii de* »"hmel^flüssiicren

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Strahls sich bis au^f 99% dsr idealen Stopfenströmung angenähert hat, :!che durch ein im wesentlichen fishes, sich '.icht mehr änderndes Strömungsprofil charakterisiert ist Unter den meisten Bedingungen kann daher eine Hautbi'cfunp bers is vor dem Punkt vollständigen Ausgleichs des Strömungsprofils eintreten, jedocH darf dies keine schädlichen Finwirnungen auf die Gleichförmigkeit des F,?dens brt n.

Zur Erzielung einer hinreichen«·' . agfähip*¹ Haut bis ζ der Steüe maximal zulässiger F ,v'irung ist ersichtlich auch die Hautbildungsgeschwindigkeü und daher auch die Größe des für k erf. tiungsgemäße Verfahren ausntn/baren Bere'chs vi τ Einflu!* Es wurde festgestellt, daß de \ost^nd des hntspannungspunktes

von der Stranggießdüse bevorzugt gleich oder weniger als der Hälfte des Abstandes der Stelle maximal zulässiger Einschnün—.g von der Düse betragen soll. Unter diesen Bedingungen steht für gewöhnlich eine ausreichende Zeit zur fertigen Ausbildung der Haut bis zur Stelle maximal zulässiger Einschnürung zur Verfugung.

Es sind somit bestimmte Variable vorhanden, die bequem qeändert werden können, um den Abstand zwischen dem Entspannungspunkt und der Stelle maximal zulässiger Einschnürung zu ändern, wie beispielsweise die Stranggieß^eschvcindigkeit, das L/B-Verhältnis der Düsenöffnur.g und die Länge der Düsenöffnung. Zu anderen Varisb: ι gehören die Konzentration des reagierenden "-'»■Standteils der Gasatmosphäre, die Schmeizei.^n—cratur und die Zusammensetzung der SchrneS/.*

Es kann jedoch auch daft gesorgt werden, daß die Gasatmosphäre mit d" - schme'vzfliissigen Strahl nicht in Kontakt gelangt, Di. r das Strömungsprofil des Strahls im wesentlichen ausgebildet ist. Dies wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung dadurch erreicht, daß der austretende Strahl im Anschluß an die Düsenöffnung mit einem inerten Gas umgeben wird, aus welchem der Strahl in die hautbildende gasartige Atmosphäre austritt. In weiterer Ausgestaltung dieser Lösung kann das inerte Gas im Gleichstrom mit dem Strahl und mit größerer Geschwindigkeit als der Strahl geführt werden. Dies führt dazu, daß di« Oberflächenbereiche des schmelzflüssigen Strahles unter dem Einfluß der Zähigkeitskräfte des Inertgases beschleunigt werden, so daß Geschwindigkeitsunterschiede über den Strahlquerschnitt hin schneller ausgeglichen werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist, wie oben bereits angesprochen, mehr oder weniger auf solche Schmelzen beschränkt, die geringe Viskositäten haben, da bei Schmelzen mit höheren Viskositäten ein Aufreißen der Haut aufgrund des Ausgleichs des Gescl.windigkeitsprofils nicht gleichermaßen gegeben ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit fü" Schmelzen mit Viskositäten wesentlich, die bei 1 Poise oder geringer liegen. Beispiele für geschmolzene Werkstoffe mit solchen Viskositäten sind Metalle, wie Kupfer, Blei, Zinn, Aluminium und Eisen, Legierungen von Metallen, wie Blei—Zinn, Stahl, Stahllegierungen, Messing, Metalloide, wie Arsen, Bor und Silizium und Zwischen-Metallverbindungen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Beispielen erläutert.

Beispiel 1

Eine Legierung aus 62 Gew.-% Zinn wurde in einem Schmelzbehälter aus rostfreiem Stahl geschmolzen und hei 350°C und einer Ravleigh-Zahl von 5,4 durch eine Stranggießdüse aus Aluminiumoxid mit einem Längen/ Durchmesser-Verhältnis von 1 und einem Durchmesser vom 0,01 cm in eine Gasatmosphäre von reinem Sauerstoff stranggegossen. Die erhaltenen Fäden wiesen im Abstand voneinander angeordnete Knoten auf, da durch die starb reaktionsfähige Gasatmosphäre eine Haut an der Oberfläche des Schmelzstrah'i gebildet wurde, bevor das Strömungsprofil d;s Schmelzstrahls fertig ausgebildet war, so daß die bereits gebildete Haut durch noch auftretende Flüssigkeitsverschiebungen aufriß, was zu der Knotenbildung führte. Nach Stranggießen bei einer Rayleigh-Zahl von 6./ und einer Temperatur von 300⁰C durch eine Düsenöffnung mit einem Längen/Durchmesser-Verhältnis von etwa 0,5 und einem Durchmesser von 0,01 cm wurden jedoch kontinuierliche gleichmäßige Fäden gebildet. Der Abstand des Entspannungspunktes wurde zu 0,54 des Abstandes der Stelle von der Düse berechnet, wo sich der ungestützte Strahl unter Wirkung seiner Oberflächenspannung zerlegt. Durch den kurzen Abstand des Entspannungspunktes von der Stranggießdüse wurde die Hautbildung nach der fertigen Ausbildung des Strömungsprofils, jedoch vor der Ausbildung wesentlicher Einschnürungen ermöglicht. Beim Stranggießen der Legierung bei einer Rayleigh-Zahl von 6,5 durch eine Düsenöffnung mit einem Längen/Durchmesser-Verhältnis von 1,4 und einem Durchmesser von 0,01 cm wurden ebenfalls noch gleichförmige kontinuierliche Fäden erhalten. Obwohl der Abstand des Entspannungspunktes von der StranggießdC.; einen wesentlichen Teil der Strahllänge bis zur Zerlegun^stelle des ungestützten Strahls darstellte, bildete sich der größere Anteil der stützenden Haut stromab vom Entspannungspunkt. Wurde jedoch die Legierung bei einer Rayleigh-Zahl von 5,4 durch eine Düsenöffnung mit einem La- 'en/ Durchmesser-Verhältnis von 2 und einem Durchmesser von 0,01 cm stranggegossen, dann entsprach der Abstai.d des Entspannungspunktes von der Düse nahezu dem Abstand der Zerlegungsstelle des ungestützten Strahls so daß diskontinuierliche und knotige Fadenstücke gebildet wurden. Die gebildete Haut wurde wiederholt im Abstand der Zerlegungsstelle aufgebrochen und hatte nach der Ausbildung des Strömungsprofils keine ausreichende Festigkeit, um den Strahl gegen eine Einschnürung und Zerlegung aufgrund der Oberflächenspannung zu stützen.

Beispiel 2

Mit Hilfe einer Platte wurde unmittelbar unterhalb der Stranggießdüse eine Inertgaszone ausgebildet, in welche Helium mit einem Durchsetz von 250 cmVmin mit einer Temperatur von 140⁰C eingebracht wurde. Die Düsenöffnung hatte ein Längi-n/Durchmesser Verhältnis von 6 und einen Durchmesser von 0,01 cm.

Die Legierung aus Beispiel 1 wurde durch die Düsenöffnung bei einer Rayleigh-Zahl von 6,5 über die Inertgaszone in die hautbildende Atmosphäre ausgetragen. Ohne Berücksichtigung der Wirkung des Inertgases würde sich unter diesen Bedingungen ein Abstand des Entspainungspunktes von der Düse ergeben, der das \2fache des Abstandes der Zerlegungsstelle des ungestümen Strahls beträgt. Unter der Wirkung des Inertgases wurden dennucii gJwmönr-igc Fädsn gebildet, da hierdurch das Strömungsprofil des Schmslzstrahls schneller, noch vor dem Eintritt in die hautbilürnde Atmosphäre ausgebildet wurde. Man kann daher die den Schnwlzstrahl stützende Haut in der gewünschten raschen-Weise rings .des Schmelzstrahls ausbilden, selbst wen»! Düsenöffnungen mit hohem Längen/Durchmesser-Verhältnis angewendet werden.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Stranggießen von Fäden aus Metallen, deren Legierungen, Metalloiden oder intermetallischen Verbindungen, die schmelzflüssig aus einer Stranggießdüse in eine gasartige Atmo-

'tiphäre austreten und dort erstarren und in ihrem ichmelzflüssigen Teil unter Wirkung der Oberfläf chenspannung und geringen Viskosität der Schmelze ' zur Einschnürung und anschließenden Zerlegung neigen, wobei vor der Erstarrung auf der Oberfläche des schmelzflüssigen Strahls durch chemische Reaktion mit der gasartigen Atmosphäre eine tragfähige Haut erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß durch Einstellen der zur Hautbildung führenden Bedingungen wie die Konzentration des reagierenden Anteils der Gasatmosphäre, die Temperatur der Gasatmosphäre, der Eintrittssteile des Strahls in die Gasatmosphäre im Abstand von der Mündung der Stranggießdüse, der Gasgeschwindigkeit relativ zum Strahl und der Austragsgeschwindigkeit des Strahls, die Ausbildung der Haut zwischen einer ersten Stelle am Strahl (Entspannungspunkt), wo das Strömungsprofil des Strahls im wesentlichen ausgebildet ist, und einer zweiten Stelle am Strahl (Stelle maximal zulässiger Einschnürung), an welcher die unter der Wirkung der Oberflächenspannung einsetzende Durchmesser verringerung des Strahls 10% des Ausgangsstrahldurchmessers übersteigt, eingeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichn ;t, daß der austretende Strahl im Anschluß an die Stranggießdüse mit einem inerten Gas umgeben wird, aus v/elchem der Strahl in die hautbildende gasartige Atmosphäre austritt

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das inerte Gas im Gleichstrom mit dem schmelzflüssigen Strahl und mit größerer Geschwindigkeit als der Strahl geführt wird.