DE69208666T2

DE69208666T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Bandprodukten durch Aufsprühen

Info

Publication number: DE69208666T2
Application number: DE69208666T
Authority: DE
Inventors: Gordon Cunningham Eadie
Original assignee: British Steel PLC
Current assignee: British Steel PLC
Priority date: 1991-07-27
Filing date: 1992-07-23
Publication date: 1996-09-26
Anticipated expiration: 2012-07-24
Also published as: WO1993003194A1; GB9116242D0; ATE134716T1; DE69208666D1; JPH06511200A; DK0596934T3; EP0596934B1; AU2361592A; EP0596934A1; GR3019853T3; ES2085633T3; US5393321A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein kontinuierliches Verfahren zur Erzeugung eines Bandes oder eines Bleches (der Einfachheit halber wird dies im folgenden als "Band" bezeichnet) durch eine Spritzformtechnik, bei dem ein Streifen oder ein Sprühstrahl metallischer Partikel oder Tropfen bei erhöhten Temperaturen auf einer geeigneten Empfangsoberfläche abgelagert und von dieser in Bandform entfernt wird.
Bei einem speziellen Verfahren der Sprühstrahlformgebung fällt ein Strom geschmolzenen Metalls frei unter Schwerkraftwirkung herab und wird durch ein System von Hochdruckstrahlen atomisiert, um den erforderlichen Sprühstreifen oder Sprühstrahl von Tropfen zu erhalten, die, wenn sie auf einem geeignet gestalteten Aufnehmer unter geeigneten Bedingungen auftreffen, sich aufbauen, um einen massiven Kunstkörper zu schaffen, der erforderlichenfalls danach unter Hitze verdichtet wird.
Bisher war es durch derartige Verfahren möglich, Bleche oder Platten mit relativ dickem Querschnitt zu erzeugen; aber die richtigen Bedingungen für die kontinuierliche Erzeugung von Bändem mit einer der Enddicke angenäherten Dicke konnte bisher nicht erreicht werden.
Derartige Verfahren sind in der JP-A-56 168 938 (Patent Abstract of Japan Vol 6, Nr. 55) und in der US-A-3 670 400 beschrieben. Keines dieser Dokumente beschreibt jedoch die neuartigen Merkmale der Vorrichtung und der Verfahren, wie sie in dieser Anmeldung veröffentlicht und beansprucht werden.
Die Spritzformtechniken können benutzt werden, um eine große Vielfalt metallischer Bänder unterschiedlicher Zusammensetzung zu erzeugen. Derartige Techniken haben jedoch eine spezielle Anwendung bei der kontinuierlichen Herstellung elektrotechnischer Stähle.
Wie bekannt, hängt die Arbeitsweise von Transformatoren, Motoren, Generatoren und ähnlichen elektrischen Maschinen von dem Phänomen der elektromagnetischen Induktion ab, wobei Stromänderungen in einer (Primär-)Spule magnetisch mit einer benachbarten (Sekundär-)Spule gekoppelt werden, um eine entsprechende Spannung über der Sekundärwicklung abzunehmen, wobei der Wert dieser Spannung von dem Verhältnis von Primär- und Sekundärwindungen abhängt. Der magnetische Kopplungseffekt wird um zahlreiche Größenordnungen vervielfacht, wenn die Wicklungen auf einem Kreis aus eisenhaltigen Materialien ausgebildet sind, wodurch der Wirkungsgrad der Maschine weitgehend verbessert wird. Wenn der Strom in der Primärwicklung sich ändert, um einen Magnetfluß im Kern zu erzeugen, dann fließen kleine Ströme, die Wirbelströme oder Foucault-Ströme genannt werden, im Kemmaterial selbst in einer Ebene normal zur Richtung des im Kern erzeugten Magnetflusses. Wenn sich demgemäß der Strom in der Primärspule mit beispielsweise Netzfrequenz (50 Hz) ändert, dann verursachen diese Wirbelströme eine Erhitzung des Kernmaterials, das elektrisch leitfähig ist. Diese Aufheizeffekte sind in ihrer Größe bezogen auf die zweite Potenz der Erregerfrequenz, und sie repräsentieren einen Leistungsverlust des Maschinensystems. Deshalb sind zahlreiche Versuche unternommen worden, um diese Wirbelströme zu vermindem. Zwei Möglichkeiten werden hierfür benutzt, nämlich:
(a) es wird der Kern aus lamellierten Blechen hergestellt, und jede Blechschicht ist im typischen Fall 0,30 mm dick, und beide Oberflächen tragen eine sehr dünne, im Mikrometer-Bereich liegende Schicht eines elektrischen Isoliermittels;
(b) es wird der dem Material selbst eigene Widerstand erhöht.
Wir sind uns natürlich klar darüber, daß die Gesamtleistungsverluste in einem Maschinensystem eine zweite Komponente, nämlich die Hystereseverluste, aufweisen und daß dies einhergeht mit der Entwicklung der Kornstruktur des Kernmaterials, so daß in der Korngröße und in der Orientierung magnetische Domänen vorteilhafter Form innerhalb eines jeden Korns erzeugt werden, so daß die Flußführungskapazität des Materials mit dem geringsten Energieverlust verbessert wird, der sich selbst als Wärmeverlust manifestiert.
Dem Fachmann ist es seit langem klar, daß der Zusatz von Silizium und Aluminium zu dem Eisen einen weiten Bereich elektrotechnischer Strahlbänder ergibt, die diese Merkmale aufweisen und aus denen Maschinenkerne zusammengebaut werden können. Jedoch sind selbst die besten bekannten herkömmlichen Stahlherstellungstechniken im Hinblick auf die Materialwahl und die Wahl der Menge von Silizium und/oder Aluminium beschränkt, das dem Eisen zugesetzt werden kann, um den spezifischen elektrischen Widerstand des Materials zu erhöhen oder die Kornstruktur und damit die dynamischen Domänen zu verbessern, weil der Zusatz derartiger Elemente das Material so spröde macht, daß eine Bearbeitung infolge des groben Kornaufbaus unmöglich wird.
Das Vorhandensein von Silizium/Aluminium in dem Material in Mengen über etwa 3,25 % bedeutet, daß das Material nicht kalt gewalzt werden kann, ohne daß Risse auftreten. Ein Kaltwalzen ist aus ökonomischen Herstellungsgründen erforderlich und auch notwendig, um die gewünschten Eigenschaften bei den wichtigen Qualitäten elektrotechnischer Stähle zu erhalten und die Oberflächenqualität zu verbessern.
Es sind Versuche unternommen worden, um diese Probleme durch Erzeugung amorphen (nicht-kristallinen) Materials durch Schmelzspinnprozesse zu lösen, aber diese Materialien sind bis zum heutigen Tag als Gespinst sehr dünn (etwa 40 µm maximal) und extrem spröde, was sie als ungeeignet zum Aufbau sehr großer elektrischer Maschinen erscheinen
Aus diesem Grunde bietet sich die Anwendung der Spritzformtechnik zur kontinuierlichen Erzeugung elektrotechnischer Stahlbänder als mögliches Mittel zur Erzeugung eines Materials an, das im Hinblick auf die mechanische Behandlung mit herkömmlichem Material vergleichbar ist, welches jedoch einen verbesserten Widerstandswert und/oder verbesserte Korn/Domänen-Aufbauten infolge der Tatsache besitzt, daß die Spritzformtechnik den Zusatz von Silizium/Aluminium mit Prozentsätzen ermöglicht, die weit über den bei herkömmlichen Techniken möglichen Werten liegen, wobei immer noch eine kleine Korngröße aufrechterhalten wird oder die Erzeugung von Legierungen möglich wird, was bei herkömmlicher Bearbeitung beispielsweise infolge der Kristallisation nicht möglich war.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und Verfahren zur kontinuierlichen Erzeugung von Bändem durch ein Bandformungsverfahren zu schaffen, das die bei früheren Techniken vorhandenen Nachteile wenigstens vermindert. Insbesondere, aber nicht ausschließlich, ist es ein Ziel der Erfindung, eine Vorrichtung und Verfahren zu schaffen, durch die elektrotechnische Stahlbänder mit verbesserten magnetischen Eigenschaften kontinuierlich durch eine Spritzgußformgebung erzeugt werden können.
Die Erfindung bezweckt auch die Demonstration weiterer Vorteile, die aus der Benutzung der zu beschreibenden Technik herrühren, beispielsweise die Wiederverwendung von Schrottmaterial, die Benutzung von Zusammensetzungen (Legierungen) mit interessierenden magnetischen Eigenschaften, die bisher wegen der Phasendiagrammbeschränkungen usw. nicht erreichbar waren.
Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Bandes vorgesehen, die einen Zerstäuber aufweist, um einen Sprühnebel aus metallischen Partikeln oder Tropfen bei erhöhten Temperaturen zu schaffen, wobei eine hohle Aufnahmewalze unter dem Zerstäuber angeordnet ist, von der die metallischen Partikel oder Tropfen empfangen werden, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß Heizelemente innerhalb des Körpers der Aufnahmewalze angeordnet sind, die die Wärme kontrolliert auf die äußere Oberfläche der Aufnahmewalze abgeben, auf der die metallischen Partikel oder Tropfen abgelagert werden.
Die Aufnahmewalze kann aus Gußeisen oder Flußstahl hergestellt sein, und ihre Wanddicke wird so gewählt, daß bei Aufrechterhaltung der dimensionellen Stabilität die thermische Masse so weit vermindert ist, daß ein schnelles thermisches Ansprechen auf die im Betrieb erforderlichen thermischen Veränderungen erreicht wird. Im typischen Fall liegt die Wanddicke der Aufnahmewalze im Bereich zwischen 0,64 cm und 3,18 cm (0,25 Zoll bis 1,25 Zoll).
Die Aufnahmewalze kann von einem Lager getragen werden, welches von einer Seite eines Trägerrahmens frei vorsteht, wobei der Trägerrahmen auf der gegenuberliegenden Seite einen freischwebenden Träger für die Heizelemente aufweist.
Der Zerstäuber, die Aufnahmewalze, die Heizelemente und der Trägerrahmen sind vorzugsweise in einer gasdichten Kammer eingeschlossen. Diese Kammer kann mit gasdichten Stopfbuchsen versehen sein, um den Durchtritt von Antriebswellen für die Aufnahmewalze zu ermöglichen.
Der Zerstäuber kann ein Düsenfeld aufweisen, um mehrere Gasstrahlen auf den äußeren Umfang eines Stromes geschmolzenen Metalls zu richten, das frei unter Schwerkraftwirkung herabfällt oder von einer Auslaßdüse eines Tiegels oder dergleichen ausgestoßen wird. Der Tiegel kann innerhalb eines Induktionsofens oder eines Widerstandsheizofens über dem Zerstäuber angeordnet sein.
Es kann ein starres Messer vorgesehen, das mit seiner Schneide in Berührung mit der Oberfläche der Aufnahmewalze steht, um abgelagertes Material in Bandform von der Oberfläche der Aufnahmewalze abzuschälen. Der Anstellwinkel der Schneide des Messers relativ zur Vertikalen kann in einem Bereich zwischen 25 º und 60 º liegen. Das Messer kann in einem kleinen Abstand über dem horizontalen Durchmesser der Aufnahmewalze angeordnet sein. Dieser Abstand liegt im typischen Fall zwischen 2,54 cm und 10,16 cm (1 Zoll und 4 Zoll) bei einer Walze mit einem Außendurchmesser von etwa 22,86 cm. Es kann eine Gewichtsrolle mit ihrer Achse allgemein parallel zur Achse der Aufnahmewalze unmittelbar über dem Messer angeordnet sein, um das abgelagerte Material auf der Oberfläche der Aufnahmewalze zu halten, bevor auf dieses Material durch die Messer eingewirkt wird. Bei einem Außendurchmesser der Aufnahmewalze von etwa 22,86 cm (9 Zoll) hat die Gewichtsrolle im typischen Fall einen Durchmesser zwischen 2,54 cm und 12,7 cm (1 Zoll und Zoll).
Das die Aufnahmewalze verlassende Bandmaterial kann kontinuierlich einem Induktionsofen zugeführt werden, um eine Wiedererhitzung auf eine Temperatur zu bewirken, die im typischen Fall zwischen 900 º und 1300 º liegt. Beim Verlassen des Wiedererhitzungsofens kann das Band auf die erforderliche Dichte zwischen Verdichtungswalzen gepreßt werden.
Gemäß einem weiteren Merkmal schafft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung kontinuierlicher Längen von Metallbändem, wobei ein Sprühnebel aus geschmolzenen Metallpartikeln auf der Oberfläche einer hohlen Aufnahmewalze abgelagert wird. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmewalze innen erhitzt wird, um das abgelagerte Metall auf einer Temperatur zu halten, die ausreicht, um ein Abschrecken des Metalls zu verhindem, und daß die abgelagerten Partikel von der Oberfläche der Aufnahmewalze als kontinuierliches Band mittels eines Messers abgeschält werden, das benachbart zur Oberfläche der Aufnahmewalze oder in Berührung hiermit angeordnet ist, wobei das abgelagerte Material in Berührung mit der Walzenoberfläche durch eine Rolle gehalten wird, die unmittelbar stromauf des Messers in Drehrichtung der Walze angeordnet ist.
Der Sprühnebel aus geschmolzenen Metallpartikeln wird vorzugsweise dadurch erzeugt, daß mehrere Gasstrahlen auf einen Strom geschmolzenen Metalls gerichtet werden, der frei unter Schwerkraftwirkung herabfällt oder aus einem Schmelzofen, einem Schmelztiegel oder dergleichen ausgestoßen wird. Das die Zerstäubung bewirkende Gas kann Helium, Argon oder dergleichen sein. Das geschmolzene Metall kann einer überhitzung unterworfen werden, bevor ein Abstechen erfolgt.
Zu Beginn des Verfahrens kann ein metallisches Judas-Band auf der Oberfläche der Aufnahmewalze angeordnet werden, um das anfänglich zerstäubte Material aufzunehmen. Die Oberfläche des Judas-Bandes kann beispielsweise durch Sandstrahlen aufgerauht sein. Das Judas-Band und das darauf abgelagerte zerstäubte Material wird anschließend über die Oberfläche der Aufnahmewalze gezogen, um von dieser entfernt zu werden. Statt dessen, oder zusätzlich, wird die Oberfläche der Aufnahmewalze (oder eines Teils hiervon) mit einer getrockneten Schicht aus (beispielsweise) kolloidalem Siliziumdioxid überzogen, nachdem das Sandstrahlen erfolgt ist. Die Drehung der Aufnahmewalze wird während einer kurzen Zeitdauer zu Beginn des Zerstäuberverfahrens verzögert, um einen anfänglichen Aufbau des abgelagerten Materials zu ermöglichen.
Die Erfindung betrifft weiter ein Bandmaterial, welches gemäß dem Verfahren hergestellt wurde, das in den vorhergehenden Abschnitten erläutert wurde.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung gemäß der Erfindung,
Fig. 2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht der Aufnahmewalze gemäß der Erfindung,
Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III-III gemäß Fig. 2, und
Fig. 4 in größerem Maßstab ein Messer und eine Aufnahmewalze gemäß der Erfindung.
Zum Zweck der speziellen Beschreibung wird Bezug genommen auf die Erzeugung von nicht-orientiertem elektrischem Stahl, der sich von dem durch herkömmliche Verfahren erzeugten Stahl in typischer Weise dadurch unterscheidet, daß er einen kombinierten Silizium-Aluminium-Gehalt zwischen 3 Gew.-% und 3,25 Gew.-% enthält. Es ist jedoch klar, daß die dargestellte Vorrichtung verwendet werden kann, um einen weiten Bereich anderer Materialien mit höheren Anteilen von Legierungsbestandteilen zu erzeugen.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung weist einen Induktionsofen oder einen Widerstandsofen 1 auf, der einen Schmelztiegel 2 aufnimmt, in dem eine Schmelze aus kohlenstofffreiem Elektrostahlschrott oder jungfräulichem Schmelzmaterial erzeugt wird. Der Ofen ist so konstruiert und isoliert, daß die Aufnahme von Kohlenstoff in die Schmelze vermieden wird. Der Schmelztiegel 2 ist mit einer hohlen Stopfenstange 3 ausgestattet, die ein Thermoelement innerhalb des Stopfenstangenrohres derart trägt, daß die Verbindung des Thermoelementes in der Mitte der Schmelze zu liegen kommt, um zu gewährleisten, daß die Temperatur der Masse der Schmelze genau aufgezeichnet wird. Die Stopfenstange 3 und das Thermoelement können selektiv angehoben werden, und zwar vorzugsweise elektromagnetisch, um durch die Öffnung im Boden des Schmelztiegels 2 Zugang zu dem geschmolzenen Metall zu erhalten.
Der gesamte Ofenaufbau ist innerhalb einer Kammer 4 aus rostfreiem Stahl angeordnet, die mit gasdichten oberen und unteren wassergekühlten Mänteln ausgestattet ist. Um das Eintreten von geschmolzenem Metall zu unterstützen, wird der Kammer ein steuerbarer Gasdruck zugeführt. Ein Zuführungsdruck von 0,2 Bar bis 0,6 Bar ist typisch. Die Schmelzkammer ist innen mit einem kohlenstofffreien hitzeisolierenden Material ausgekleidet. Der untere Wassermantel ist mit einem zentral angeordneten Gießloch 5 versehen, in dem eine keramische Konusdüse sitzt, die in der Lage ist, sehr hohe Temperaturen auszuhalten (beispielsweise eine Düse, die aus Bornitrid hergestellt ist), und die mit dem Auslaß des Gießtrichters 2 über ein erhitztes hitzebeständiges Führungsrohr verbunden ist, das einen Innendurchmesser im typischen Fall von 2,5 mm bis 5 mm aufweist. Das Ausgußloch 5 trägt ein Feld fein gearbeiteter und gestalteter Öffnungen, aus denen Gas unter Druck auf den Strom geschmolzenen Metalls gerichtet wird, der aus dem Schmelztiegel 2 austritt, um einen konischen Strahl zerstäubten Metalls 6 zu erzeugen, der einen Konuswinkel von oder einen Halbwinkel von 15 aufweist. Die Zerstäubungsstrahlöffnungen sind so angeschlossen, daß sie mit einem trockenen, verunreinigungsfreien, nicht-oxidierenden Zerstäubungsgas gespeist werden, beispielsweise mit Helium oder Argon aus Flaschen, und dies sind geeignete Gase, obgleich zahlreiche andere Elektrostahlverarbeitungs- Glühgase benutzt werden können, die entsprechend getrocknet, gereinigt und komprimiert sind.
In einem geeigneten Abstand (im typischen Fall 15,24 cm (6 Zoll)) unter der Austrittsöffnung liegt die Oberfläche einer innen erhitzten Aufnahmewalze 10, deren Außendurchmesser im typischen Fall in der Größenordnung von 22,86 cm (9 Zoll) liegt. Die Achse der Aufnahmewalze 10 liegt horizontal, und die Walze wird von einem Rahmen getragen, der außerdem ein starres Messer 11 trägt, dessen Klinge in Berührung mit der Oberfläche der Aufnahmewalze 10 oder dicht benachbart hierzu liegt, und die Funktion des Messers besteht darin, das Metall abzuschälen, das auf der Oberfläche der Aufnahmewalze 10 in Form eines kontinuierlichen Bandes abgelagert wurde. Um die Abschälwirkung zu unterstützen, ist eine Gewichtswalze 12 kleinen Durchmessers, im typischen Fall mit einem Durchmesser von 5,08 cm (2 Zoll), mit ihrer Achse parallel zur Achse der Aufnahmewalze 10 unmittelbar über der Messerklinge 11 so angeordnet, daß austretendes abgeschältes Material auf der Abschälkante des Messers niedergehalten wird.
Außer zur Unterstützung der Abschälwirkung des Messers hält die Walze 12 das austretende Material in dichter Berührung mit der Oberfläche der Aufnahmewalze 10, um zu verhindem, daß das Material nach rückwärts nach der Stelle der Ablagerung auf der Aufnahmewalze 10 abgeschält wird, wodurch eine Diskontinuität oder eine andere Beschädigung des austretenden Materials erfolgen könnte. Die Positionierung des Messers 11 relativ zum horizontalen Durchmesser der Walze 10 und der Winkel der Abschälkante des Messers 11 sind von Wichtigkeit. Im typischen Fall wird das Messer so eingestellt, daß eine Abschällinie 3,81 cm (1,5 Zoll) über dem horizontalen Durchmesser der Aufnahmewalze zu liegen kommt, und der Winkel, der von der Messerklinge eingeschlossen wird, zwischen 25 º und 60 º liegt. Der Anstellwinkel der Messerklinge relativ zur Vertikalen liegt im typischen Fall zwischen 3 º und 5 º.
Die Aufnahmewalze 10 ist hohl und besitzt eine geringe thermische Masse, und sie ist daher in der Lage, schnell auf einen Wärmeeingang anzusprechen, der von den Heizelementen 14 geliefert wird, die im Walzenkörper enthalten sind. Es ist möglich, eine aus Flußstahl bestehende Aufnahmewalze 10 zu benutzen; beste Ergebnisse wurden jedoch in Verbindung mit einer Gußeisenwalze erlangt. Die Wanddicke der hohlen Aufnahmewalze 10 liegt im typischen Fall bei etwa 1,5 cm (etwa 1/2 Zoll). Dies ergibt die erforderliche Festigkeit und Dimensionsstabilität für die Walze, wobei die thermische Masse niedrig gehalten wird, um ein schnelles thermisches Ansprechen zu ermöglichen, wenn eine Erhitzung bzw. Abkühlung während der Behandlung erforderlich ist. Um dies zu erreichen, ist ein Lager auslegerartig von einer Seite des Rahmens herausgeführt und trägt die Lagerhülse der Aufnahmewalze 10, während die gegenüberliegende Seite des Rahmens einen auslegerartigen Träger aufweist und die Verdrahtung des Ofens, der auch mit einem Thermoelement ausgestattet ist. Der Zweck der Heizelemente 14 besteht darin, die Oberfläche der Aufnahmewalze 10 zu erhitzen, um eine gewisse Steuerung der Metallablagerungsbedingungen zu ermöglichen.
Die gesamte Aufnahmewalze 10, die Heizelemente 14, der Rahmen usw. sind abgeschirmt umschlossen, und der gesamte Aufbau vom wassergekühlten Gehäuse unter dem Schmelzofen ist ebenso in einer zweiten gasdichten rostfreien Stahlkammer 15 enthalten, die mit einem Zyklon und einem Empfänger ausgestattet ist, um Sprühgut zu entfernen, welches vom Ablagerungsprozeß herrührt.
Die Wände dieser unteren Kammer werden von gasdichten Stopfbuchsen durchsetzt, die das Eintreten elektrischer Antriebswellen in die Kammern ermöglichen, um die Aufnahmewalze 10 zu drehen und um so ein kontinuierliches Verfahren der Sprühablagerung möglich zu machen und von der Oberfläche der Aufnahmewalze 10 den Inhalt des oberen Ofenschmelztiegels abzuschälen.
Das abgeschälte Material wird in eine Öffnung in der Wand der Ablagerungskammer eingeführt und dann auf ein flaches Bett eines Induktionsofens 16 kurzer Baulänge mit hohem Energieeingang abgelegt, um das abgeschälte Material wiederzuerhitzen, bevor dies in einen weiteren, aus rostfreiem Stahl bestehenden Behälter eintritt, in dem zwei Verdichterwalzen 17 angeordnet sind. Der Zweck der Walzen 17 besteht darin, eine hundertprozentige Verdichtung des austretenden Material zu gewährleisten, das dann aufgespult wird. Außerdem ist innerhalb der zweiten Kammer ein Behälter angeordnet, um den austretenden Strom von Metall aufzufangen, bevor die Zerstäubung eingeleitet wird. Sobald die Zerstäubung des Metallstromes eingeleitet ist, kann dieser Behälter mittels eines Arms, der durch eine Stopfbüchse geführt ist und rotiert, aus dem Weg des zerstäubten Stromes herausgenommen werden.
Im Betrieb der beschriebenen Vorrichtung wird eine Ofencharge von kohlenstofffreiem Elektrolyteisen und Eisen- Silizium so vorbereitet, daß die sich ergebende Zusammensetzung im typischen Fall 4,2 Gew.-% Silizium enthält und der Rest Eisen ist.
Der Schmelzofen wird beschickt, und es werden alle Kammern dieser Anlage abgedichtet und evakuiert, um Luft zu entfernen. Dann wird die gesamte Vorrichtung mit Argon (oder einem anderen geeigneten Gas) gespült. Der Ofen wird so programmiert, daß eine geeignete Schmelztemperatur erhalten wird, und mittels des Thermoelementes innerhalb des Stopfenrohres 3 kann das Fortschreiten der Schmelze überwacht werden. Wenn der Schmelzpunkt der charge erreicht ist (ungefähr 1500 ºC), wird der Erhitzungsprozeß fortgesetzt, bis die Schmelze eine Temperatur von 1650 ºC oder, anders ausgedrückt, eine überhitzung von 150 ºC bis 200 ºC erreicht hat. Der Zweck dieser überhitzung besteht darin, das Metall flüssig zu halten, bis es aus der unteren Düse in den Zerstäubungsgasstrom eintritt. Eine gesteuerte Abgabe des Metalls aus dem Ofen 1 wird weiter durch das Auftreten eines positiven Gasdruckes in der oberen Kammer unterstützt, wobei dieser Druck ungefähr 0,3 Bar bis 0,5 Bar aufweist.
Nachdem ein Metallstrom frei in eine Fangeinrichtung abgezogen ist, die unter der Düse des Schmelztiegels liegt, wird das Zerstäubungsgas mit einem Druck von etwa 17 Bar zugeführt, worauf der Sprühstrahl erzeugt wird, und die Fangvorrichtung wird aus dem Weg geschwenkt.
Bei diesem Schritt fällt das zerstäubte Metall nicht auf die Aufnahmewalze 10, sondem auf ein anfänglich stationär gehaltenes Führungsband aus geglühtem (um es biegsam zu machen), dünn bemessenem elektrotechnischem Stahlband, welches vorher durch Sandstrahlen behandelt und durch die gesamte Vorrichtung geführt wurde. Die Antriebe werden in Bewegung gesetzt, und das Führungsband, das nunmehr mit dem zerstäubten Material bedeckt ist, das als Metallschicht abgelagert wurde, wird durch das System geführt. Wenn das Ende des Führungsbandes über die Aufnahmewalze 10 läuft, deren Oberfläche ebenfalls durch Sandstrahlen behandelt wurde, dann trifft der zerstäubte Strahl direkt auf die Oberfläche der Aufnahmewalze, und das so gebildete Material wird durch das System gezogen. Die Oberfläche der Aufnahmewalze wird durch die Heizung der Aufnahmewalze erhitzt, um das abgelagerte Material auf etwa 600 ºC zu halten und um ein Abschrecken zu verhindem. Es ist Vorsorge dafür getroffen, die Verdichtungswalzen anzuheben, damit der Führungsstreifen hindurchlaufen kann, und dann wird der Walzspalt auf die gewünschte Abmessung verringert, um eine hundertprozentige Dichte des austretenden Materials zu gewährleisten. Wenn das so durch Zerstäuben gebildete Band von der Aufnahmewalze 10 durch das Messer 11 und die Brechwalze 12 abgeschält ist, dann wird das Band auf etwa 900 ºC bis 1000 ºC in dem Flachbett-Indiktionsofen 16 wiedererhitzt und dadurch weich genug gemacht, um eine Verdichtung des Materials mit einer guten Oberflächenbeschaffenheit zu gewährleisten, nachdem das Band die Verdichtungswalzen 17 durchlaufen hat. Es hat sich gezeigt, daß die Benutzung eines Führungsbandes vermieden werden kann, indem geeignet gestaltete ebene Metallblechführungsoberflächen vorgesehen werden, um das aufgespritzte Material in den Wiedererhitzungsofen und dann zwischen die Verdichtungswalzen und die Aufspulvorrichtung zu überführen. Es kann auch eine abgewandelte Ausführungsform benutzt werden, bei der die Führungen aus breiten, miteinander verbundenen Kettengliedem bestehen.
Es hat sich außerdem gezeigt, daß das Verfahren ohne Benutzung eines Führungsbandes eingeleitet werden kann, indem die Aufnahmewalze 10 mit einer getrockneten Schicht aus kolloidalem Silizium überzogen wird, nachdem diese Oberfläche sandgestrahlt wurde. Bevor die Ablagerung beginnt, wird die Aufnahmewalze um eine halbe Umdrehung gedreht, um einen heißen Abschnitt der Oberfläche dem Sprühstrahl darzubieten, und dann läßt man den zerstäubten Strahl auf der Aufnahmewalze 10 ungefähr 4 Sekunden lang zu Beginn der Zerstäubung verweilen, bevor die Aufnahmewalze veranlaßt wird, sich zu drehen.
Die kurze Periode der statischen Ablagerung ergibt einen verdickten anfänglichen Rand für das Messer 11, um darunterzugreifen und den Rand von der Oberfläche der Aufnahmewalze abzuheben.
Die Geschwindigkeit der Drehung der Aufnahmewalze 10, der Führungswalzen und der Verdichtungswalzen sowie der Aufspulvorrichtung bestimmt die Spritzdicke des Bandes, die, auf die Enddicke bezogen, etwa eine 50-%ige Reduktion bedeutet, und im typischen Fall beträgt die Vorlaufgeschwindigkeit etwa 2,54 cm (1 Zoll) pro Sekunde, wodurch eine Zerstäuberdicke von 2 mm bis 3 mm erhalten wird, wenn ein 2,5-mm-Führungsrohr benutzt wird und die erwähnten Schub- und Zerstäuberdrücke angewandt werden.
Die Breite des unter diesen Bedingungen abgelagerten Bandes ändert sich mit der Rate der Metallzuführung, mit der Größe des Führungsrohres einschließlich Winkel des Sprühkonus, und die Breite hängt außerdem davon ab, ob oder ob nicht ein Abtastzerstäuber benutzt wurde, um ein abgeflachtes Band von 15,24 cm (6 Zoll) Breite oder größer zu erhalten.
Wenn die Metalltröpfchen auf die Aufnahmewalze auftreffen, wird eine poröse Schicht gebildet, aber wenn weitere Tröpfchen auftreffen, wird eine "Verspratz"-Wirkung erzeugt, wodurch halbflüssige Tröpfchen faktisch miteinander verschmelzen, aber so schnell abkühlen, daß keine Zeit zur Erzeugung großer Körner verbleibt, wie dies der Fall wäre, wenn das Band gleicher Zusammensetzung durch herkömmliche Verfahren hergestellt worden wäre. Infolge der Tatsache, daß die Zerstäubung eine Tröpfchenausbreitung bewirkt, bei denen die mittlere Größe zwischen 50 µm und 200 µm liegt, vorzugsweise zwischen etwa 80 µm bis 100 µm, ist diese Tröpfchenabmessung klein genug, um ein Kaltwalzen des fertigen Bandes zu ermöglichen, um eine gute Oberflächenbeschaffenheit und genaue Abmessungen zu erzeugen, wobei auch nur ein Kaltdurchlauf möglich ist. Es wird auch auf der oberen Oberfläche eine poröse Lage erzeugt, weil das Zerstäubungsgas eindringt, und die Oberflächentextur ist sehr rauh, weil die obere Oberfläche nicht in Berührung mit irgendeinem Substrat steht. Alle diese Defekte werden jedoch durch die Heißverdichtung aufgehoben.
Die Flugzeit und die Geschwindigkeit der verschiedenen Partikelgrößen, die in der Zerstäuberwolke enthalten sind, werden durch die Schub- und Zerstäuberdrücke, die Größe des Führungsrohres oder der Austrittsdüse, durch die Natur des Zerstäubungsgases und dadurch beeinflußt, ob oder ob nicht eine Abtastung benutzt wird, und eine weitere Beeinflussung erfolgt durch die Trennungsdistanz zwischen dem austretenden Strahl und der Aufnahmeoberfläche Es ist dabei zu berücksichtigen, daß die Zerstäubergasgeschwindigkeit sehr hoch ist und daß es notwendig ist, daß der Durchmesser des Behälters, in dem die Ablagerung durchgeführt wird, groß genug ist, um eine Turbulenz oder Pufferung zu vermeiden, die den Zerstäuberkegel stören und fehlerhaftes Material erzeugen könnte. Das Hochgeschwindigkeitsgas verursacht auch eine sehr schnelle Abkühlung, und daher sollten die benutzten Gasmengen so klein als möglich sein.
Kurz gesagt, ist für ein System zur kontinuierlichen Erzeugung eines Bandes eine Vorrichtung erforderlich, die eine Aufnahmeoberfläche veranlaßt, mit einem Kegel zerstäubter Partikel in einer geeigneten Distanz von der Quelle zusammenzuwirken, damit diese Oberfläche kontinuierlich erneuert wird, und es muß eine geeignete Temperatur für das abgelagerte Material eingehalten werden, damit dieses abgeschält und verdichtet werden kann. Die vorstehend beschriebenen Verfahren erfüllen diese Erfordernisse, und es kann dadurch das Band kontinuierlich hergestellt werden.
Die Aufnahmewalze 10 ist in den Fig. 2 und 3 der Zeichnung in weiteren Einzelheiten erkennbar. Wie dargestellt, beherbergt der äußere Mantel 21 des Walzengehäuses eine elektrische Heizvorrichtung 22, die aus mehreren Heizröhren 23 besteht, die sich über die volle Breite der Walze 10 erstrecken. Die Rohre 23 werden über ein Kabel 24 mit Elektrizität versorgt. Die Walze 10 ist auf einem Walzenständer 25 montiert und wird über ein Antriebskettenrad 26 angetrieben. Die relativen Stellungen des Abschälmessers 11 und der Gewichtswalze 12 sind deutlicher aus Fig. 3 erkennbar. Aus dieser Figur ist ersichtlich, daß das Messer in einem Halter 27 montiert ist, der auf einer Seite der Walze 10 befindlich ist, und die Gewichtsrolle 12 wird von einem elastisch gelagerten Arm 28 getragen, der über der Walze 10 liegt. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, kann der Anstellwinkel der Schneide des Messers 11 sich zwischen 25 º und 60 º ändern. Andere Variable umfassen den tatsächlichen Angriffspunkt zum Abschälen, die Breite des abgeschälten Bandes und dessen Dicke sowie die Bandspannung, die Bandtemperatur und seine Zusammensetzung, sowie Walzendurchmesser.
Aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sich, daß das System benutzt werden kann, um Legierungen mit gewünschten magnetischen oder anderen Eigenschaften der Type mit 13 % bis 16 % Aluminium, Rest Eisen, zu schaffen, wobei derartige Legierungen bisher nicht zu walzen oder kommerziell herstellbar waren, bis das erfindungsgemäße Verfahren der kontinuierlichen Banderzeugung durch Zerstäuberbildung geschaffen wurde.

Claims

1. Vorrichtung zur Erzeugung eines Bandes mit einem Zerstäuber zur Erzeugung eines Sprühnebels aus metallischen Partikeln oder Tropfen mit erhöhten Temperaturen und mit einer hohlen Aufnahmewalze, die unter dem Zerstäuber angeordnet ist und auf der die metallischen Partikel oder Tropfen abgelagert werden, dadurch gekennzeichnet, daß Heizelemente (23) innerhalb des Körpers der Aufnahmewalze (10) angeordnet sind, die die Wärme kontrolliert auf die äußere Oberfläche der Aufnahmewalze (10) abgeben, auf der die metallischen Partikel oder Tropfen abgelagert werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmewalze (10) aus Gußeisen oder Flußstahl hergestellt ist, und daß ihre Wanddicke so gewählt ist, daß bei Aufrechterhaltung der dirnensionellen Stabilität die thermische Masse so weit vermindert ist, daß ein schnelles thermisches Ansprechen auf die im Betrieb erforderlichen thermischen veränderungen erreicht wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke der Aufnahmewalze (10) in dem Bereich zwischen 0,64 und 3,18 cm (0,25 bis 1,25 Zoll) liegt.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmewalze (10) von einem Lager getragen wird, welches von einer Seite eines Trägerrahmens frei vorsteht, und daß der Trägerrahmen auf der gegenüberliegenden Seite einen freischwebenden Träger für die Heizelemente aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Zerstäuber, die Aufnahmewalze, die Heizelemente und der Trägerrahmen in einer gasdichten Kammer eingeschlossen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher die Kammer mit gasdichten Stopfbuchsen versehen ist, um den Durchtritt von Antriebswellen für die Aufnahmewalze zu ermöglichen.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Zerstäuber ein Düsenfeld aufweist, das so geschaltet ist, daß mehrere Gasstrahlen auf den äußeren Umfang eines Stromes geschmolzenen Metalls gerichtet werden, das frei unter Schwerkraftwirkung herabfällt oder von einer Auslaßdüse eines Tiegels o. dgl. ausgestoßen wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei welcher der Tiegel innerhalb eines Induktionsofens oder eines Widerstandsheizofens über dem Zerstäuber angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher ein starres Messer mit seiner Schneide in Berührung mit der Oberfläche der Aufnahmewalze stehend vorgesehen ist, um abgelagertes Material in Bandform von der Oberfläche der Aufnahmewalze abzuschälen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei welcher der Anstellwinkel der Schneide des Messers relativ zur Vertikalen in einem Bereich zwischen 20 und 100 liegt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Messer (11) in einem kleinen Abstand über dem horizontalen Durchmesser der Aufnahmewalze (10) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Messer (10) in einem Abstand zwischen 2,54 und 10,16 cm (1 Zoll bis 4 Zoll) bei einer Walze mit einem Durchmesser von etwa 22,86 cm (9 Zoll) Außendurchmesser angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gewichtsrolle (12) mit ihrer Achse allgemein parallel zur Achse der Aufnahmewalze (10) unmittelbar über dem Messer (11) angeordnet ist, um das abgelagerte Material auf der Oberfläche der Aufnahmewalze (10) zu halten, bevor auf dieses Material durch das Messer (11) eingewirkt wird.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewichtsrolle (12) einen Durchmesser von 2,54 bis 12,7 cm (1 Zoll bis 5 Zoll) aufweist.

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das die Aufnahmewalze (10) verlassende Bandmaterial kontinuierlich einem Induktionsofen (16) zugeführt wird, um eine Wiedererhitzung auf eine Temperatur zwischen 900º und 1300ºC zu bewirken.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Band nach Verlassen des Wiedererhitzungsofens (16) zwischen Verdichtungswalzen (17) auf die erforderliche Dichte gepreßt wird.

17. Verfahren zur Erzeugung kontinuierlicher Längen eines Metallbandes, bei dem ein Sprühnebel aus geschmolzenen Metallpartikeln auf der Oberfläche einer hohlen Aufnahmewalze abgelagert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmewalze innen erhitzt wird, um das abgelagerte Metall auf einer Temperatur zu halten, die ausreicht, um ein Abschrecken des Metalls zu verhindem, und daß die abgelagerten Partikel von der Oberfläche der Aufnahmewalze als kontinuierliches Band mittels eines Messers (11) abgeschält werden, das benachbart zur Oberfläche der Aufnahmewalze (10) oder in Berührung hiermit angeordnet ist, wobei das abgelagerte Material in Berührung mit der Walzenoberfläche durch eine Rolle (12) gehalten wird, die unmittelbar stromauf des Messers (11) in Drehrichtung der Walze angeordnet ist.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Sprühnebel aus geschmolzenen Metallpartikeln dadurch erzeugt wird, daß mehrere Gasstrahlen auf einen Strom geschmolzenen Metalls gerichtet werden, der einen Tiegel verläßt.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das die Zerstäubung bewirkende Gas ein inertes Gas ist.

20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß das geschmolzene Metall einer Überhitzung unterworfen wird, bevor ein Abstechen erfolgt.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß ein metallisches Band auf der Oberfläche der Aufnahmewalze angeordnet ist, um das anfänglich zerstäubte Material aufzunehmen.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Metallbandes aufgerauht ist, und daß das darauf abgelagerte zerstäubte Material anschließend über die Oberfläche der Aufnahmewalze (10) gezogen wird, um von dieser entfernt zu werden.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Aufnahmewalze (10) mit einer getrockneten Schicht aus colloidalem Siliziumdioxyd überzogen ist.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die anfängliche Drehung der Aufnahmewalze (10) für eine kurze Zeitdauer verzögert wird, um einen anfänglichen Aufbau des abgelagerten Material zu ermöglichen.