DE4004403A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von metallbanden mit gleichmaessiger dicke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Metallbanden mit gleichmäßiger Dicke. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Metallschmelze aus einem Tiegel mittels einer Ausgußkapillare auf eine gekühlte Oberfläche einer drehenden Kühlscheibe gebracht und dadurch in ein festes Metallband umgewandelt, währenddessen der Abstand zwischen der Ausgußkapillare und der Oberfläche der Kühlscheibe geregelt wird. Die vorgeschlagene Vorrichtung weist einen mit einer Ausgußkapillare versehenen Tiegel zur Aufnahme einer Metallschmelze sowie eine mit einem Spalt von der Ausgußkapillare getrennt verdrehbar angeordnete Kühlscheibe auf, wobei dem Spalt eine Regelanordnung zur Einstellung seiner Größe zugeordnet ist.

In der US-Patentschrift US-PS 41 42 571 (ausgegeben im 1979 im Namen von M. C. Narasimhan et al.) ist ein Gußverfahren zur Herstellung von Metallbanden geoffenbart, wonach aus einem Tiegel mittels einer Ausgußkapillare eine Schmelze eines metallischen Grundstoffes (eines reinen Metalls oder einer Legierung) auf die gekühlte Oberfläche einer Kühlscheibe ausgegeben wird. Die drehende Oberfläche der Kühlscheibe bewirkt die schnelle Kühlung des darauf liegenden Metalls. Derart ist die Herstellung von Metallbanden erwünschter Dicke möglich, welche amorphe Struktur oder kristallines Gefüge von geregelten Eigenschaften aufweisen.

Die Dicke des Metallbandes kann in diesem Verfahren derart eingestellt werden, daß eine Ausgußkapillare, welche mit einem die Metallschmelze aufnehmenden Tiegel verbunden ist, oberhalb der Kühlscheibe in einem vorbestimmten Abstand angeordnet wird. Wenn es notwendig ist, verursacht eine Druckwirkung die Strömung der Metallschmelze mit erwünschter Intensität durch die Ausgußkapillare auf die Oberfläche der Kühlscheibe.

Die Genauigkeit der Dicke und der Breite sowie die Oberflächenqualität des Metallbandes hängen von der Stabilität der Abmessungen des Tiegels und der Ausgußkapillare ab. Das Problem dieses Verfahrens liegt darin, daß der Abstand (der Spalt) zwischen dem Ausgang der Ausgußkapillare und der Oberfläche der Kühlscheibe während des Aufheizens und Durchschmelzens des Metalls infolge der großen (im allgemeinen zumindest 1000°C erreichende) Temperatursteigerung im Bezug zur Größe des Spaltes unannehmbar hohe Änderungen zeigen kann. Eine Lösung dieser Probleme ist die Verwendung eines der Stoffe niedrigen Wärmedehnungskoeffizienten und insbesondere des Quarzes, jedoch sind diese Stoffe nicht genug stark hitzebeständig. Der Erweichungspunkt des Quarzes macht, zum Beispiel, etwa 1350°C aus, was die Verwendung der aus Quarz bestehenden Tiegel stark begrenzt: unter anderem die Eisenlegierungen können damit nicht verarbeitet werden.

Die Ausdehnung der Stoffe höherer Hitzebeständigkeit, wie die der keramischen Stoffe ist während der Aufheizung des metallischen Grundstoffes des Bandes sehr hoch, praktisch macht sie so viel aus, wie die Breite des Spaltes (der Abstand) zwischen der Ausgußkapillare und der Kühlscheibe.

Die Sicherung der Größe des Spaltes zwischen der Ausgußkapillare und der Kühlscheibe kann auf verschiedene Weisen vorgenommen werden.

Eine der bekannten Verfahren besteht in der Unterstützung des unteren Teils des Tiegels, wodurch lediglich die Wärmeausdehnung dieses Elementes als auszugleichende (in Betracht zu ziehende) Verschiebung verbleibt, welches die Ausgußkapillare beinhaltet. Die derart beschränkte Ungenauigkeit der Abmessungen ist jedoch auch ziemlich hoch und erfordert weitere Ausgleichung, falls ein Band mit hoher Oberflächenqualität herzustellen ist.

In der DDR wurde ein Meßverfahren erarbeitet, wonach die zeitlichen Veränderungen der Wärmeausdehnung des verwendeten keramischen Tiegels und der Temperaturverteilung während des Gießens gemessen und als Grund einer programmierten elektronischen Steuerung gemacht werden.

In der Sowjetunion wurde ein weiteres Meßverfahren geschaffen, wonach eine Gasströmung durch den Spalt hervorgerufen wird. Die Geschwindigkeit der Strömung, welche gemessen wird, ist von der Größe des Spaltes stark abhängig. Aufgrund dieser Messung kann die Stabilität der Größe des Spaltes gewährleistet werden, jedoch spielen hier unbestimmte Faktoren auch wichtige Rollen, und insbesondere ist es zu beachten, daß sich die Temperatur des Gases im Spalt mit dem Grundstoff auch stark veränderlich ist. Die die Gasströmung verursachenden Elemente sind dabei besser nicht in der Nähe des Tiegels anzuordnen (wegen der Wärmebelastung); demgegenüber ist bei einer größeren Entfernung davon die Meßgenauigkeit unannehmbar niedrig.

Die bekannten drei Verfahren können lediglich mittelbar die Größe des Spaltes kennzeichnen und deswegen ist die genaue Regelung praktisch unmöglich.

Die Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, womit die Größe des Spaltes zwischen der Ausgußkapillare eines Tiegels und der drehenden Kühlscheibe mit hoher Genauigkeit, praktisch unabhängig von den Temperaturänderungen eingestellt und geregelt werden kann, wodurch die Qualität des herzustellenden Bandes bedeutend erhöhbar ist.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Größe des Spaltes mittels einer optischen Anordnung überwacht werden soll.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe wurde ein Verfahren zur Herstellung von Metallbanden mit gleichmäßiger Dicke erarbeitet, wobei aus einem Tiegel mittels einer Ausgußkapillare eine Metallschmelze auf eine gekühlte Oberfläche einer drehbar angeordneten Kühlscheibe gebracht und dadurch in ein festes Metallband umgewandelt wird, währenddessen der Abstand zwischen der Ausgußkapillare und der Oberfläche der Kühlscheibe geregelt wird, und es ist erfindungswesentlich, daß der Abstand durch optische Abbildung eines diesen Abstand vertretenden, zwischen der Ausgußkapillare und der Oberfläche der Kühlscheibe vorhandenen Spaltes mittels eines Photoelementes erfaßt wird, welches ein elektrisches Ausgangssignal entsprechend der Größe des Spaltes erzeugt, und aufgrund des elektrischen Ausgangssignals die Ausgußkapillare und/oder die Kühlscheibe zwecks Einstellung einer festgestellten Größe des Spaltes bewegt wird.

Gleichfalls zur Lösung der gestellten Aufgabe wurde auch eine Vorrichtung geschaffen, welche über einen mit einer Ausgußkapillare versehenen Tiegel zur Aufnahme einer Metallschmelze sowie eine mit einem Spalt von der Ausgußkapillare getrennt angeordnete verdrehte Kühlscheibe verfügt, wobei dem Spalt eine Regelanordnung zur Einstellung seiner Größe zugeordnet ist, und vorliegender Erfindung nach enthält die Regelanordnung ein den Spalt abbildendes optisches Gerät, einen Motor zur Einstellung des Abstandes zwischen der Ausgußkapillare und der Kühlscheibe durch Verschiebung zumindest einer der letzteren Elemente sowie eine elektronische Steuereinheit zur Steuerung des Motors, wobei das optische Gerät mit einer ein den Spalt durchleuchtendes Lichtbündel erzeugenden Lichtquelle, einer das den Spalt verlassende Lichtbündel weiterleitenden optischen Abbildungseinheit und einem hinter dem Spalt angeordneten, aufgrund des die optische Abbildungseinheit verlassenden Lichtbündels ein elektrisches Ausgangssignal erzeugenden und der elektronischen Steuereinheit zugeschalteten Photoelement ausgebildet ist.

Die vorgeschlagene Vorrichtung kann den veränderlichen Bedingungen nach eingestellt werden, wenn das Photoelement auf einem Schirm angeordnet ist und der Schirm mit Teilen zur Sicherung der erwünschten Position des Photoelementes ausgerüstet ist.

Die Genauigkeit der Einstellung kann weiters verbessert werden, wenn die Lichtquelle in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung des Lichtbündels mit die Linie des Ausganges der Ausgußkapillare berührender optischer Achse angeordnet ist, wobei das Photoelement in Richtung des Randes des Lichtbündels verschoben angeordnet ist.

Den Erfahrungen nach kann die Regelung der Größe des Spaltes am besten durch eine solche Anordnung der vorgeschlagenen Vorrichtung gewährleistet werden, worin der Motor ein Fortschaltmotor ist, und die elektronische Steuereinheit einem Signalgenerator zugeschaltet ist, welcher Signale von veränderlicher Frequenz entsprechend dem Ausgangssignal des Photoelementes erzeugt.

Die auf einem optischen Prinzip basierte Erfindung ermöglicht die genaue Regelung des die Qualität des durch ein Gußverfahren hergestellten Bandes bestimmenden Spaltes zwischen der Ausgußkapillare und der Oberfläche der verdrehten Kühlscheibe.

Die Erfindung wird weiters anhand von beispielsweise dargestellten Verwirklichungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung näher erläutert, wobei Bezug auf die Zeichnung genommen wird. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 das Blockschema der erfindungsgemäßen, auch zur Verwirklichung des Verfahrens fähigen Vorrichtung.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird zur Vorbereitung eines Metallbandes verwendet, wobei der Grundstoff des Bandes in einem Tiegel angeordnet, und der Tiegel mit einer zu seiner Verschiebung vorgesehenen mechanischen Anlage gekoppelt wird. Der Tiegel weist eine Ausgußkapillare auf, welche in Richtung einer gekühlten Oberfläche einer um eine waagerechte Achse verdrehbar aufgestellten Kühlscheibe geöffnet ist. Der Abstand zwischen der Ausgangsöffnung der Ausgußkapillare und der Kühlscheibe wird in kaltem Zustand der Anordnung genau eingestellt. Das Bild des durch diesen Abstand bestimmten Spaltes wird mit einer optischen Abbildungseinheit auf einen Schirm projeziert, worauf ein lichtempfindliches Element einen charakteristischen Teil des das Bild des beleuchteten Spaltes tragenden Lichtbündels erfaßt.

Nach dieser Grundeinstellung wird der im Tiegel vorhandene Stoff verschmolzen, was intensive Energiezuführung erfordert. Unter Wärmeeinwirkung erfolgt die Wärmeausdehnung des Tiegels und damit der Ausgußkapillare, was zur Verminderung des Spaltes und Veränderung, im allgemeinen zu einer linearen Verschiebung seines Bildes führt. Die erfaßte Veränderung wird in ein elektrisches Signal umgewandelt, welches mittels einer elektronischen Steuerung die Verschiebung des Tiegels und derart die der Ausgußkapillare in einer Richtung zur Ausgleichung der Wärmeausdehnung verursacht. Diese Verschiebung dient zur Gewährleistung eines ständigen Abstandes zwischen der Kühlscheibe und dem Ausgang der Ausgußkapillare, d. h. zur Aufrechterhaltung eines lediglich in einem ziemlich engen Regelungsbereich veränderlichen Spaltes.

Zur Verschiebung des Tiegels kann eine mit einem Motor verdrehte Schraubenspindel verwendet werden, welche zur Unterstützung des Tiegels dient.

Die zur Verwirklichung des obenan geschilderten Verfahrens vorgesehene erfindungsgemäße Vorrichtung (Fig. 1) ist mit einer Regelanordnung ausgebildet, welche die Größe eines Spaltes S zwischen einer drehbar unterstützten Kühlscheibe 2 und einer oberhalb der letzteren angeordneten Ausgußkapillare 3 kontrolliert, einstellt. Die Ausgußkapillare 3 gehört zu einem Tiegel, der einen metallischen Grundstoff (ein Metall, eine Legierung) zur Vorbereitung eines Bandes aufnimmt. Das Metallband entsteht auf bekannte Weise, wenn die Metallschmelze aus dem Tiegel über die Ausgußkapillare auf die drehende Oberfläche der Kühlscheibe 2 fließt, wovon nach erfolgter Erstarrung kontinuierlich entnommen werden kann.

Die Regelanordnung besteht aus einem optischen, einem elektronischen und einem mechanischen Teil.

Der optische Teil weist eine Lichtquelle 1, eine ein Bild des Spaltes S erzeugende optische Abbildungseinheit 4, insbesondere eine Linse sowie ein Photoelement 6 auf. Das letztere ist auf einem Schirm 5 angeordnet. Der Schirm 5 ist vorteilhaft mit Elementen zur genauen Einstellung der Position des Photoelementes 6 versehen, i. e. ist er mit einem Raster versehen oder gitterförmig ausgebildet usw. Die Lichtquelle 1 kann eine einfache Glühlampe mit einer Kollektivlinse sein.

Den Eingang des elektronischen Teils der Vorrichtung bildet ein Verstärker 7, welcher mit dem Ausgang des Photoelementes 6 verbunden ist. Der Ausgang des Verstärkers 7 ist in einem elektronischen Schalter 8 angeschlossen, mit welchem ein Signalgenerator 9 gekoppelt ist. Der Signalgenerator 9 dient zur Erzeugung von Signalen mit Frequenz, welche dem Pegel des Ausgangssignals des Photodetektors 6 folgt. Dem elektronischen Schalter 8 ist eine elektronische Steuereinheit nachgeschaltet, welche zur Speisung und Steuerung eines elektrischen Motors 11 vorgesehen ist. Ein Eingang der elektronischen Steuereinheit ist einer Bedienungseinheit 13 zugeführt, welche zur Aus- und Einschaltung der Vorrichtung, zur Eingabe von erforderten Daten, Parametern usw. vorgesehen ist.

Da in der Vorrichtung die Aufheizung des Metalls im allgemeinen mit Verwendung von Mikrowellen erfolgt, sollen die elektronischen Einheiten und das Photodetektor in einem metallischen Gehäuse angeordnet werden.

Der mechanische Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht aus einem mit der Welle des Motors 11 verbundenen mechanischen Antrieb 12. Dieser Antrieb kann zum Beispiel ein Schraubenspindel sein, wodurch eine sehr präzise, hochgenaue Bewegung des Tiegels (zum Beispiel in Schritten von 0,01 mm) gemeinsam mit der Ausgußkapillare 3 und/oder der Kühlscheibe 2 in senkrechter Richtung von oben nach unten oder umgekehrt ermöglicht wird, insbesondere im Falle, wenn als Motor 11 ein Fortschaltmotor vorgesehen ist.

Die vorgeschlagene Vorrichtung arbeitet auf die folgende Weise.

Das durch die Lichtquelle 1 erzeugte Lichtbündel beleuchtet den in kaltem Zustand (vor dem Durchschmelzen des metallischen Grundstoffes) auf die notwendigen Größe eingestellten, zwischen der um eine horizontale Welle verdrehbar angeordneten Kühlscheibe 2 und der Ausgußkapillare 3 vorhandenen Spalt S. Zweckmäßig wird die Lichtquelle 1 so angeordnet, daß die optische Achse (die Symmetrieachse) des Lichtbündels in diesem kalten Zustand die untere Linie der Ausgußkapillare 3 berührt. Dabei liegt das Photoelement 6 auf dem Schirm 5 in einer Position, wo es in Ganzem durch das Bild des Spaltes S beleuchtet ist.

Während der Aufheizung des sich im Tiegel befindenden metallischen Grundstoffes tritt eine bedeutende Wärmeausdehnung auf, was an sich offensichtlich ist, da die Temperatur zumindest um etwa 1000°C erhöht wird. Im Verlauf der Temperatursteigerung erfolgt die Verschiebung des Ausgußkapillars 3, was in Verminderung des beleuchteten Teils des Photoelementes 6 resultiert. Diese Verminderung des Beleuchtungsbereiches verursacht auf eine bekannte Weise die elektronische Steuerung des Motors 11 und derart eine Bewegung des Tiegels und der Ausgußkapillare 3 in Richtung, welche zur Vergrößerung des beleuchteten Teiles des Photodetektors 6 führt. Die Bewegung kann sowohl von oben nach unten, als auch von unten nach oben gewährleistet werden, abhängig davon, in welcher Richtung die Veränderung des Beleuchtungsbereiches erfolgt.

Es wird vorgeschlagen, zur elektronischen Steuerung den Signalgenerator 9 zu verwenden, welcher elektrische Signale mit veränderlicher Frequenz erzeugt, und die Frequenz hängt davon ab, wie hoch der Ausgangspegel des Photodetektors 6 ist. Derart kann die diskontinuierliche Bewegung des Motors 11 gewährleistet werden.

Zur noch besseren Darstellung des Wesens der Erfindung wird nachstehend ein konkretes Beispiel beschrieben.

Beispiel

In einen keramischen Tiegel wurde 1 kg FeNiSi Legierung eingegeben. Der Tiegel war mit einer Ausgußkapillare 3 von Abmessungen 10,5 × 0,6 mm ausgebildet, wobei die Ausgußkapillare 3 im Abstand 0,3 mm oberhalb der Kühlscheibe 2 angeordnet war, d. h. die Größe des Spaltes S 0,3 mm war. Nach erfolgtem Durchschmelzen der Legierung wurde leichter Überdruck zum Anfangen des Gießens verwendet.

Die Mikrowellenstrahlung bewirkte das Durchschmelzen der Legierung in 13 Minuten und derart entstand im Tiegel eine Metallschmelze von Temperatur 1300°C. Die früheren Messungen bewiesen, daß zu dieser Temperatursteigerung eine Wärmeausdehnung gehört, welche die Versenkung der Ausgußkapillare um 0,25 mm bewirkt. Während der Aufheizung der Legierung konnte die Vorrichtung die erwähnte Versenkung in einigen Schritten ausgleichen und die Position des Tiegels korrigieren.

Nach erfolgtem Durchschmelzen wurde die Legierung in 41 Sekunden in ein Band umgewandelt. Am Anfang des Gießens waren die Temperaturbedingungen nicht gleichmäßig und praktisch kontinuierliche Korrektion war notwendig, was etwa 4 Sekunden dauerte. Danach müßten schon kleinere Verschiebungen gewährleistet werden und die Interventionen waren je etwa 5 Sekunden notwendig.

Die Vorrichtung stellt ein über 650 m langes und etwa 10,5 mm breites Band her, welches mit gleichmäßiger, sehr langsam sich vermindernder Dicke, fast nicht sichtbaren Oberflächenwellen und annähernd genau geraden Randlinien gekennzeichnet werden konnte. Am Anfang und beim Ende sollten kürzere Strecken abgeschnitten werden. So war die Ausbeute ganz hoch, etwa 95%. Daher konnte ein Metallband von amorpher Struktur erzeugt werden, welches den gewöhnlichen Qualitätsanforderungen entspricht.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung von Metallbanden mit gleichmäßiger Dicke, wobei aus einem Tiegel mittels einer Ausgußkapillare eine Metallschmelze auf eine gekühlte Oberfläche einer drehenden Kühlscheibe gebracht und dadurch in ein festes Metallband umgewandelt wird, währenddessen der Abstand zwischen der Ausgußkapillare und der Oberfläche der Kühlscheibe geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand durch optische Abbildung eines diesen Abstand vertretenden Spaltes (S) zwischen der Ausgußkapillare (3) und der Oberfläche der Kühlscheibe (2) mittels eines Photoelementes (6) erfaßt wird, welches ein elektrisches Ausgangssignal entsprechend der Größe des Spaltes (S) erzeugt, und daß aufgrund des elektrischen Ausgangssignals die Ausgußkapillare (3) und/oder die Kühlscheibe (2) zur Einstellung einer festgestellten Größe des Spaltes (S) bewegt wird.

2. Vorrichtung zur Herstellung von Metallbanden mit gleichmäßiger Dicke, welche einen mit einer Ausgußkapillare versehenen Tiegel zur Aufnahme einer Metallschmelze sowie eine mit einem Spalt von der Ausgußkapillare getrennt angeordnete verdrehte Kühlscheibe aufweist, wobei dem Spalt eine Regelanordnung zur Einstellung seiner Größe zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelanordnung ein den Spalt (S) abbildendes optisches Gerät, einen Motor (11) zur Einstellung des den Spalt (S) bestimmenden Abstandes zwischen der Ausgußkapillare (3) und der Kühlscheibe (2) sowie eine elektronische Steuereinheit (10) zur Steuerung des Motors (11) enthält, wobei das optische Gerät mit einer ein den Spalt (S) durchleuchtendes Lichtbündel erzeugenden Lichtquelle (1), einer das den Spalt (S) verlassende Lichtbündel weiterleitenden optischen Abbildungseinheit (4) und einem hinter dem Spalt (S) angeordneten, aufgrund des die optische Abbildungseinheit (4) verlassenden Lichtbündels ein elektrisches Ausgangssignal erzeugenden und der elektronischen Steuereinheit (10) zugeschalteten Photoelement (6) ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Photoelement (6) auf einem Schirm (5) angeordnet ist und der Schirm (5) mit Teilen zur Einstellung der Position des Photoelementes (6) ausgerüstet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) zur Erzeugung des Lichtbündels mit die Linie des Ausganges der Ausgußkapillare (3) berührender optischer Achse angeordnet ist, wobei das Photoelement (6) in Richtung des Randes des Lichtbündels verschoben angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (11) ein Fortschaltmotor ist, und die elektronische Steuereinheit (10) mit einem Signalgenerator (9) verbunden ist, welcher Signale von veränderlicher Frequenz entsprechend dem Ausgangssignal des Photoelementes (6) erzeugt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (11) zur Verschiebung der Ausgußkapillare (3) einem mit dem Tiegel verbundenen mechanischen Antrieb (12) zugeschlossen ist.