DE2225684B2

DE2225684B2 - Verfahren und vorrichtung zum kontinuierlichen giessen von faeden

Info

Publication number: DE2225684B2
Application number: DE19722225684
Authority: DE
Inventors: Robert Edward Worthington; Mobley Carroll Edward Columbus; Ohio Maringer (V.StA.); Rudnick, Alfred, Tel Aviv
Original assignee: Batteile Development Corp., Columbus, Ohio (V.StA.)
Priority date: 1971-05-27
Filing date: 1972-05-26
Publication date: 1977-02-24
Also published as: US3838185A; NL7207018A; IT960671B; ES403232A1; GB1396788A; SE378534B; ES403231A1; FR2139020B1; CH555199A; FR2139020A1; JPS518821B1; BE784051A; NO139111B; CA970511A; NO139111C; NL171132B; DE2225684A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierli chen Gießen von Fäden aus einer Schmelze aus Metal oder einer solchen Metallegierung oder anorganischer Verbindung, deren Eigenschaften im Bereich ihrer Schmelzpunkte denen einer Metallschmelze entsprechen, unter Verwendung eines in die Schmelze eintauchenden, rotierenden Körpers, von dem die daran :o erstarrte Schmelze in Fadenform abgelöst wird.

Bei dem herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von Drähten werden Barren gegossen und diese anschließend durch mechanische Bearbeitung in die Form des Endproduktes gebracht. Zusätzlich zu diesen !5 mechanischen Bearbeitungsschritten nacii dem Gießen können intermittierende Wärmebehandiungen notwendig se^;n, Lievor das jeweilige Zwischenprodukt mechanisch weiterverarbeitet werden kann. Die Kosten der konventionellen Drahterzeugung sind somit hoch.
,0 Ältere Veröffentlichungen (US-Patentschriftei, 7 45 786, 28 25 108 und 35 22 836) zeigen viele Verfahren zur Herstellung von metallischem Draht unter Verwendung einer rotierenden scheibenförmigen Oberfläche. Diese Verfahren besitzen in der Regel zum Ausfluß des schmelzflüssigen Metalls eine Öffnung, die die Größe des Endproduktes bestimmt. Der Nachteil der Gegenstände dieser Vorveröffentlichungen besteht im wesentlichen darin, daß die Verwendung einer die Abmessungen des Endproduktes bestimmenden Öffnung oder Düse weder eine Produktion von Fäden in großen Mengen noch mit konstantem Durchmesser ermöglicht, da die Öffnungen einer ständigen Kavitation und somit Querschnittsveränderung ausgesetzt sind. Diese Erscheinung tritt besonders stark bei Materialien mit hohem Schmelzpunkt auf. Die Düsen müssen relativ oft gewechselt werden, was eine Unterbrechung des Produktionsvorganges bedingt.

Außerdem sind sie relativ kostspielig, da sie aus hochwertigen, temperaturbeständigen Materialien gefertigt werden müssen. Schließlich neigen die Düsenöffnungen leicht zum Verstopfen.

In der US-PS 35 40 517 ist ein Verfahren zur Herstellung von Metallbändern, insbesondere Stahlbändern mit einer Dicke von 5-6 mm, beschrieben. Dabei taucht eine gekühlte Walze bis etwa zur Hälfte der Tiefe der in einem Tiegel vorgesehenen Schmelze ein. An der gekühlten Walzenfläche erstarrt die Schmelze, so daß ein relativ dickes Metallband abgezogen werden kann.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eiü Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem insbesondere Metallfäden oder -drahte im großtechnischen Maßstab ohne Zuhilfenahme von sie formenden Öffnungen oder Matrizen hergestelh werden können.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß eine eine schmale Umfangsfläche aufweisende Scheibe mit einer Umfangsgeschwindigkeit von 0,9 m/sec bis 60 m/sec betrieben wird und daß die

Umfangsfläche bis zu einer Tiefe von 1,5 mm unter den Badspiegel der Schmelze eingetaucht wird.

Mit diesem erfmdungsgemäßen Verfahren werden Fäden oder Drähte ohne Verwendung irgendwelcher Offnungen gebildet und dadurch alle Schwierigkeiten überwunden, die den beschriebenen öffnungen zueigen $ind. Die Abmessungen des Fadens sind beeinflußbar und hauptsächlich von der Form und den Eigenschaften der rotierenden Scheibe, von deren Eintauchtiefe in die Schmelze, deren Geschwindigkeit beim Berühren der Schmelze, der Schmelztemperatur und dem schmelzflüssigen Material abhängig.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt mit einer Umfangsgeschwindigkeit der Scheibe von 1.5 m/sec bis 30 m/sec durchgeführt.

Auch liegt es im Rahmen der Erfindung, daß die Umfangsfläche der Scheibe nach Aufbau einer Anhäufung von Schmelze über dem Badspiegel derart angehoben wird, daß die Scheibe in der Anhäufung rotiert. Mit dieser Maßnahme wird erreicht, daß die Scheibe auch bei eingetretener Anhäufung mit ihrer optimalen Eintauchtiefe in den Badspiegel betrieben werden kann.

Die Erfindung ist auch auf eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gerichtet. Diese Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß die Scheibe am Umfang mindestens eine Vorwölbung aufweist und um eine etwa parallel zum Badspiegel angeordnete Achse drehbar ist und daß ein Motor zum Antrieb der Achse sowie eine Vorrichtung zum Heben und Senken der Scheibe relativ zum Badspiegcl vorhanden ist.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann somit die rotierende Scheibe im Bereich des Badspiegels angeordnet und im gewünschten Maße in diesen eingetaucht werden. Gleichzeitig ist es möglich, beim Auftreten der vorbeschriebenen Anhäufung an Schmelze im Bereich der rotierenden Scheibe diese nach Wunsch relativ zum Badspiegel anzuheben.

Mit der Erfindung können sowohl kontinuierliche als auch diskontinuierliche Fäden — letztere auch mit vorzugebender Länge hergestellt werden. Kontinuierliche Fäden erhält man bei ständigem Kontakt der rotierenden Scheibe mit der Schmelze; diskontinuierliche bei diskontinuierlicher Berührung Letztere läßt sich auf vergleichsweise einfache Weise dadurch erreichen. daß der äußere Rand der Vorwölbung der Scheibe eine oder mehrere Ausnehmungen aufweist und daß die Eintauchtiefe der Scheibe in die Schmelze geringer als die Tiefe der Ausnehmungen ist. Die Länge der mit einer solchen Scheibe erzeugten diskontinuierlichen Fäden entspricht dem linearen Abstand der Ausnehmungen am Scheibenumfang.

Sowohl bei der Produktion von kontinuierlichen als auch diskontinuierlichen Fäden triu durch Wärmeent zug am äußeren Umfang der Scheibe eine Verfestigung von Schmelze in Fadenform ein; nach Austritt des jeweiligen Umfangsteils der Scheibe aus der Schmelze erfolgt ein spontanes Ablösen des Fadens oder Drahtes von der Scheibe.

Die erwähnte Anhäufung von schmelzflüssigcm Material über dem Badspiegcl tritt im Bereich der Stelle auf, an der die Scheibe aus der Schmelze austritt. Das Material der Anhäufung besitzt eine geringfügig geringere Temperatur als die eigentliche Schmelze. Es kann zusätzlich an dem zuvor an der Kante der rotierenden Scheibe gebildeten Faden anhaften. Die endeültiee Form des erzeugten Fadens wird durch den

Anteil der Schmelze bestimmt, der sich anfanglich an der Scheibe verfestigt sowie durch den Anteil, der sich auf dem evtl. bereits verfestigten Anteil niederschlägt, wenn dieser beim Austritt aus der Schmelze durch die Anhäufung hindurchtritt.

Die Form des letztlich gebildeten Fadens oder Drahtes hängt auch von der Form der in die Schmelze eingeführten, rotierenden Scheibe ab. Bei der Herstel lung von Fäden oder Drähten ist die Umfangsfläche V-förmig ausgebildet oder abgerundet, wobei jeweils nur die äußerste Umfangsfläche in die Schmelze eingeführt wird.

Fadenförmige Stränge wurden mit Erfolg aus Metallen und Metallegierungen, einschließlich Zinn. Zink, Kupfer, Nickel. Aluminium, Aluminiumlegierungen. Aluminiumbronze. Gußeisen, duktilem Eisen, hohem und niedrigem Kohlenstoffstahl und 18-8 rostfreiem Stahl hergestellt. Das vorliegende Verfahren kann mit Schmelzen durchgeführt werden, deren Eigenschaften im schmelzflüssigen Zustand ähnlich denen von schmelzflüssigem Metall sind; d.h.. das Material muß eine niedrige Viskosität in dem Bereich von 10-^! bis 1 Poise, eine hohe Oberflächenspannung zwischen 10 und 2TOOdVnZCm und einen einigermaßen ausgeprägten Schmelzpunkt besitzen.

Ein solcher Schmelzpunkt liegt vor. wenn eine Zustandsänderung eintritt, bei der sich eine diskontinuierliche Viskositätsvergrößerung bei Verringerung der .Schmelztemperatur zeigt. Anorganische Fäden wurden beispielsweise aus einem schmelzflüssigen Wärmebehandlungs- Mkalinitrat-Sal/ hergestellt.

Die Erfindung ist anhand der folgenden Beschreibung sowie anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Herstellung von fadenförmigen Gegenständen nach einer Ausführungsart der Erfindung.

Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch den Behälter für die Schmelze gemäß F i g. 1 und die sich drehende Scheibe während der Herstellung einer Faser oder eines Fadens aus der Anhäufung von schmelzflüssigcm Material über der Oberfläche der Schmelze.

Fig. 3 einen vertikalen Querschnic. durch die Vorrichtung nach den F i g. 1 und 2,

Fig.4 einen vergrößerten Querschnitt der Kante einer Scheibe in einer Schmelze zur Erläuterung der Abmessungen, die die Eigenschaften von fadenförmigen Erzeugnissen hervorrufen,

F i g. 5 einen Querschnitt einer Scheibe, die mit HiIIe eines flüssigen Kühlmittels auf im wesentlichen konstanter Temperatur gehalten wird.

Fig. 6 die Stirnansicht a einer Scheibe zur Herstellung von Fäden mit vorgegebener Länge sowie du Seitenansicht bdieser Scheibe und

Fig. 7 einen Querschnitt durch die Scheibe mit abgerundeter Kante in einer Schmelze bei der Herstellung von Fäden.

F i g. 1 zeigt eine Scheibe 30, die mit Hilfe einer Welle 35 und eines Motors, hier ein Elektromotor 40, in Drehung versetzt wird. Dieser Motor 40 ist au! eine Plattform 4t montiert, die mit einer auf einem Sockel 47 sitzenden Hebevorrichtung 45 ohne erhebliche Drehung um deren Achse vertikal verstellt werden kann. Die Steuerung 42 nach An eines Rheostaten dient zur Überwachung der Drehgeschwindigkeit des Elektromotors 40.

Die Scheibe 30 weist eine verhältnismäßig schmale Umfangsfläche 32 zur Schmelze 10 hin auf. an der ein

fadenförmiger Strang 20 entsteht. Unterhalb des Badspiegels 15 etwa an der Stelle 13 bildet sich an der Fläche 32 ein Keim, der bei weiterer Drehung der Scheibe den Strang 20 bildet. Die Scheibe 30 taucht nur mit einem kleinen Teil ihres Umfangs etwa linienförmig in die Schmelze ein. Dabei ist gemäß Fig.4 die Breite des sich bildenden Stranges 20' und infolgedessen des erstarrten Fadens 20 größer als die Breite des abgerundeten Bereiches der Scheibe 30 an der Stelle r, wobei der Durchmesser des Fadens 20 in der Regel kleiner als 1.5 mm ist.

Die Schmelze 10 wird in einem Tiegel 11 mit Hilfe der Heizelemente 12 über den Schmelzpunkt erhitzt. Die Form der Scheibe 30, wie sie in F i g. 4 wiedergegeben ist. besitzt Abmessungen, die einen Wärmeentzug in erforderlichem Maß bewirken. Die Scheibe 30 wird in die Schmelze 10 mit einer Tiefe d eingeführt. Dabei bedeutet R = Radius der Scheibe 30, T = Dicke der Scheibe 30, D = Durchmesser der Scheibe 30, Θ = der Winkel, den die Schenkel der im Querschnitt V-förmigen Umfangsfläche 32 der Scheibe 30 miteinander einschließen, r = der Krümmungsradius der Umfangsfläche 32 der Scheibe 30. Durch diese Werte sowie die Scheibendrehzahi wird im wesentlichen die Bildung und der Durchmesser des Gießproduktes beeinflußt.

Der Krümmungsradius r an der Scheibenkante 32 beträgt vorzugsweise 0.025 — 2.5 mm.

F i g. 5 zeigt eine Scheibe 30 mit einer Einrichtung zur Zirkulation eines Kühlmittels wodurch die Scheibe 30 und die Scheibenkante 32 auf konstanter Temperatur gehalten werden, sobald sich ein thermisches Gleichgewicht eingestellt hat.

Das Verfahren zur Herstellung eines zusammenhängenden fadenförmigen Erzeugnisses ist auch für die Erzeugung von Fäden mit vorgegebenen Längen verwendbar. F i g. 6 zeigt eine Scheibe 30 mit einer Anzahl von Vertiefungen oder Einkerbungen 34 entlang der Scheibenkante 32. Die Aufgabe dieser Vertiefungen liegt darin, die Ausbildung des Fadens 20' auf der Scheibenkante 32 in ausreichendem Maße zu stören damit ein diskontinuierliches Produkt mit einer Längi entsteht, die dem Abstand auf der Scheibenkante l'. zwischen zwei aufeinanderfolgenden Vertiefungen 3' entspricht. Die Form der Vertiefungen 34 entspricht in wesentlichen der Form eines abgeschrägten V. wie die: in F i g. 6 gezeigt ist. Die abgeschrägte V-Forni hat siel zur wirksamen Begrenzung der Fadenlänge bewährt wobei in der Vertiefung 34 keine Ansammlungen vor festem Metall auftraten.

Die Eintauchtiefe dieser Scheibe 30 muß iir wesentlichen geringer als die Höhe der Vertiefunger sein.

F i g. 7 zeigt eine andere Ausführungsart der vorliegenden Erfindung, bei der die Scheibenkante 32 abgerundet ist und in das schmelzflüssige Material mit einer geringeren Tiefe als 0,5 mm eintaucht, um ein fadenförmiges Erzeugnis zu bilden. Wenn das durch diese Ausführungsart erhaltene Produkt fadenförmig sein soll, dann sollte der Radius der Krümmung an der Kante 32 geringer sein als 12,7 mm.

In den folgenden Beispielen besitzt die in die Schmelze eintauchende Oberfläche der Scheibe eine Rauhigkeit von 0.4 bis 0,5, um; die Eintauchtiefe betrug — abgesehen von den angegebenen Ausnahmen — ungefähr 0,25 mm.

Beispiel 1

Unter Verwendung einer Kupferscheibe mit V-förmiger Kante am Umfang und folgenden Abmessungen:

Scheibendurchmesser der Scheibe = 203,2 mm

Scheibendicke = 25,4 mm

Radius an der Spitze des V = 0,635 mm

Winkel des V, θ = 90°

wurden kontinuierliche Drähte oder Fäden hergestellt. Die verarbeiteten Werkstoffe, eingehaltenen Parameter und Abmessungen der Drähte sind wie folgt:

	Fe)	Schmelzememp.	2	Scheibendrehzahl	Scheibentemp.	= 0,38 mm = 90°	Drahtabm.
		Γ Ο	(U/min)	Γ C)	(mm, ca.)
Manganstahl		1480-1540	375	54-182	0.23x0.81
(10Mn. 1 C. Rest
Flußstahl		1515-1570	375	182	0.1 χ 0.46
Nickellegierung	Beispiel	1480	400		0,15x0.89
(3 Al. Rest N)
		50 Radius an der
	Spiu-e des V Winkel des V

Zur Herstellung diskontinuierlicher Fäden wurde eine Kupferscheibe folgender Abmessungen eingesetzt:

Scheibendurchmesser
Scheibendicke

103 mm

Die Scheibe wies am Umfang Ausnehmungen entsprechend den in Fig.6 gezeigten auf. Sie waren etwa 0,75 mm tief und am Umfang 3,8 mm lang.

Die Parameter, verarbeiteten Werkstoffe und Faserabmessungen waren wie folgt:

Schmelzentemp.

rc)

Scheibendrehzahl
(U/min)

Scheibentemp.

CC)

Drahtabmessungen
(ram, ca.)

Zink	477	700	40- 93	0.2 χ 0,4 χ 25.4
Zink Eintauchtiefe.	477	1190	40- 94	0.051x0.29x22.9
ca. 0.05 mm
Sphäroguß Eintauchtiefe, ca. 0.05 mm	1480	3200	24-315	0.254 χ 0.89 χ 25.6

■·>. sw»··

v-p,.

Beispiel 3

Diskontinuierliche Fasern aus Manganstahl (12.4 Mn. 1.3 C, Rest Eisen) wurden außerdem unter Verwendung einer Kupferscheibe mit folgenden Abmessungen hergestellt:

Scheibendurchmesser der Scheibe = 203 mm

Scheibendicke = 25,4 mm

Radius ander Spitze des V = 0.827 mm

Winkel des V = 90^r

An der V-förmigen Kante besaß die Scheibe gleichartige Vertiefungen wie die Scheibe in den Beispielen 9. 10 und 11, und zwar in einem Abstand auf dem Umfang der Scheibe von 25,4 mm. Die Scheibe rotierte mit 550 LJpM. was einer Umfangsgeschwindigkeit von 5.85 m'scc entspricht. Die Betriebstemperatur der Scheibe lag zwischen b6 und 227°C. Die Manganstahl-Schmelze hatte eine Temperatur von etwa 159O⁰C. Die erzeugten Fäden halten einen V-förmigen Querschnitt mit einer Höhe von 0,254 mm und einer Breite von 1,24 mm bei einer Länge von 25.4 mm.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum kontinuierlichen Gießen von Fäden aus einer Schmelze aus Metall oder einer solchen Metallegierung oder anorganischen Verbindung, deren Eigenschaften im Bereich ihrer Schmelzpunkte denen einer Metallschmelze entsprechen, unter Verwendung eines in die Schmelze eintauchenden, rotierenden Körpers, von dem die daran erstarrte Schmelze in Fadenform abgelöst wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine eine schmale Umfangsfläche aufweisende Scheibe (30) mit einer Umfangsgeschwindigkeit von 0,9 m/sec bis 60 m/sec betrieben wird und daß die Umfangsfläche bis zu einer Tiefe von i,5 mm unter den Badspiegel (15) der Schmelze eingetaucht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (30) mit einer Umfangsgeschwindigkeit von !,5 m/sec bis 30 m/sec betrieben ic wird.

3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangsfläche der Scheibe (30) nach Aufbau einer Anhäufung von Schmelze (10) über den Baaspiegel (15) derart angehoben wird, 2.« daß sie in der Anhäufung rotiert.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 -3, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (30) am Umfang mindestens eine Vorwölbung (31) aufweist und um eine etwa parallel jo zum Badspiegel (15) angeordnete Achse (35) drehbar ist und daß ein Motor (40) zum Antrieb der Achse (35) sowie eine Vorrichtung (45) zum Heben und Senken der Scheibe (30) relativ zum Badspiegel (15) vorhanden sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwölbung (31) im Querschnitt eine im wesentlichen V-förmige Kante (32) aufweist und daß der Winkel zwischen den Schenkeln dieser Kante (32) zwischen 60° und 120° und der Krümmungsradius der Spitze der Kante (32) zwischen 0,025 mm und 2,5 mm beträgt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwölbung (31) der Scheibe (30) im Querschnitt nach außen abgerundet ist, wobei der Krümmungsradius der Abrundung kleiner als 12,7 mm ist.

7. Vorrichtung nach Ansprüchen 4 — 6, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Rand der Kante (32) eine oder mehrere Ausnehmungen (34) aufweist und daß die Eintauchtiefe der Scheibe (30) in die Schmelze (10) geringer als die Tiefe der Ausnehmun gen (34) ist.

8. Vorrichtung nach Ansprüchen 4-7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Scheiben (30) neben- ss einander angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach Ansprüchen 4-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (30) im wesentlichen aus Kupfer besteht.

10. Vorrichtung nach Ansprüchen 4-9. gekenn- (<n zeichnet durch eine Gesamtausbildung der Scheibe derart, daß infolge der damit gegebenen thermischen Kapazität der Scheibe eine vollständige Verfestigung des Fadens auf der Scheibe (30) vor dessen Ablösung(20) eintritt. (^

11. Vorrichtung nach Ansprüchen 4-9, gekennzeichnet durch Ausbildung der thermischen Kapazität der Scheibe (30) derart, daß eine vollständige Verfestigung des Fadens vor dessen Ablösung voder Scheibe (30) noch nicht eintritt und daß de Faden nach Ablösung von der Scheibe (3C mindestens teilweise wieder aufschmilzt.

12. Anwendung des Verfahrens nach Ansprüche] 1 -3 auf das kontinuierliche Gießen von Fäden au einer Metallegierung auf der Basis von Eisen, Nicke Aluminium, Kupfer oder Zink.