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Verfahren zur laufenden Herstellung von Stangen, Drähten u. dgl. Gebilden
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur laufenden Herstellung von Stangen, Drähten
und ähnlichen Gebilden von unbegrenzter Länge aus Metall oder einem anderen schmelzbaren
Werkstoff, bei welchem das schmelzflüssige Gut in ein in einem Trichter enthaltenes
Bad gegossen wird. Dieser Trichter ist durch feste, sich nach unten bewegende Wandungen
begrenzt, welche gegeneinander abgedichtet sind und ein großes thermisches Absorptionsvermögen
besitzen. Bei ihrer Bewegung nähern sich die Wandungen zunächst und entfernen sich
dann nach unten hin progressiv voneinander in mindestens zwei transversalen Richtungen.
An der Stelle, an der sich die Wandungen am meisten einander nähern, weisen sie
einen Durchlaß von dem Ouerschnitt des herzustellenden Erzeugnisses, z. B. eines
Drahtes, auf. Es ist bekannt, Preßstahl bzw. Schweißstahl herzustellen, indem ein
Strahl von geschmolzenem Metall in Einzeltropfen zerteilt wird und diese Tropfen
alsdann durch Pressung miteinander vereinigt werden. Bei diesem Verfahren -,vird
ein großer mechanischer Kraftaufwand benötigt, um die verfestigten Tropfen zu agglomerieren.
Man hat auch bereits vorgeschlagen, die Mischung in Form eines kontinuierlichen,
nicht zerteilten Strahles zu verarbeiten, ohne anzugeben, wie der Abkühlungsvorgang
durchzuführen ist. Hierzu ist zu bemerken, daß bei diesem Verfahren die Abkühlung
selbstverständlich durch Berührung mit Drehkörpern stattfindet, wobei die Verfestigung
des Metalls fortschreitend von außen her gegen die Mitte1.-schicht erfolgt. Hierbei
bildet sich zunächst bei
Berührung der Schmelze mit der kalten Oberfläche
der Drehkörper eine verfestigte Metallhaut, wobei große Sorgfalt aufgewendet werden
muß, um eine Beschädigung oder einen Bruch dieser Metallhaut bis zu dem Zeitpunkt
zu verhüten, in »dem sie eine solche Dicke erlangt hat, daß sie eine feste Wand,
bildet, die dem hydrostatischen Druck des eingeschlossenen noch flüssigen Metalls
widerstehen kann. Erst dann darf das Gebilde die Gießmaschine verlassen und durch
Wasserkühlung oder ähnliche Mittel weiter abgekühlt werden.
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Die Empfindlichkeit der frisch gebildeten Metallhaut bereitet die
Hauptschwierigkeit beim kontinuierlichen Gießen. Fast alle Verbesserungen der verschiedenen
Verfahren bezwecken eine rasche -Verstärkung der Metallhaut. Hierbei führt aber
ein rasches Kühlen nicht zu den gewünschten Ergebnissen, weil die Kontraktion des
Metalls die Haut von der formgebenden Fläche entfernt und hierdurch Veranlassung
zur Bildung von Luftspalten zwischen der Wandung und der entstandenen Metallhaut
gibt. An solchen Stellen verhindert die Metallhaut die Abkühlung. Es findet rasche
Wiedererhitzung durch das eingeschlossene heißflüssige Metall statt. Häufig findet
sogar ein Wiederschmelzen an den betreffenden Stellen statt, und das flüssige Metall
fließt in den Hohlraum zwischen Wandung und Metallhaut. Die Folge ist, daß Oberflächendefekte,
wie Runzeln u. dgl., entstehen. Es sind viele Versuche gemacht worden, um diese
Schwierigkeiten zu überwinden, z. B. durch Verwendung verschiedener Stoffe, u. a.
von Schmiermitteln, wie Graphit oder Ö1, um die Hohlräume auszufüllen und die Abkühlung
der Metallhaut durch Maßnahmen, wie Vibration der Begrenzungsflächen, zu begünstigen.
Diese, Maßnahmen haben aber nur bei niedrig schmelzenden Metallen, wie Aluminium,
Messing und Bronze, zu gewissen Ergebnissen geführt. Für die Verarbeitung von Stahl
u. dgl. haben sich- derartige Hilfsmittel nicht als ausreichend erwiesen.
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In Anbetracht der außerordentlichen Schwierigkeiten des Hautproblems
arbeitet vorliegende Erfindung nach einem gänzlich verschiedenen Prinzip. Anstatt
eine Metallhaut zu erzeugen und ihre Bildung zu begünstigen, wird erfindungsgemäß
zielbewußt einer Metallhautbildung entgegengewirkt und jede Spur einer Metallhaut,
welche trotzdem in Erscheinung tritt, unmittelbar zerstört. Anstatt das Metall in
statischem Zustand mit fortschreitender Verfestigung Schicht für Schicht gegen die
Mitte des Produktes hin abzukühlen, wird erfindungsgemäß das sich abkühlende Metall
einer gründlichen Durchmischung unterworfen, um es zunächst in einen viskosen Zustand
und später in einen zähen, etwa: schmiedbaren Zustand überzuführen, wobei die Mittelschicht
in demselben Ausmaß wie die Außenschicht heruntergekühlt wird. Dieses Verfahren
kann als dynamisches Kühlen bezeichnet werden. .
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Bisher ist häufig der Standpunkt vertreten worden, da.B es für ein
erfolgreiches kontinuierliches Gießen wesentlich sei, das flüssige Metall in einem
vollkommen ruhigen Strom fließen zu lassen und jegliche Turbulenz zu vermeiden.
Demgegenüber ist bei dem Verfahren gemäß Erfindung experimentell gezeigt worden,
daß ein andauerndes Inbewegunghalten des flüssigen Metalls erforderlich ist und
daß Fehler entstehen,' wenn die Bewegung in dem Metall unterdrückt wird oder nachläßt.
Wie bekannt, ist es aber bedeutend leichter, Turbulenz aufrechtzuerhalten, als sie
zu unterdrücken.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß gegen
die Mitte des Bades ein Strahl von schmelzflüssigem Metall in Richtung nach unten
geführt wird. Die Strömungsgeschwindigkeit des Strahles ist so groß, daß in dem
Bad ein schnellerer Umlauf bzw. eine schnelle Umwälzung der viskosen Flüssigkeit
herbeigeführt wird. Die so erzeugte Bewegung der Badflüssigkeit ist in der Mitte
des Bades nach unten gerichtet und verläuft entlang den gekühlten Begrenzungswänden
nach oben, um schließlich in radialem Verlauf wieder zur Mitte an der Oberfläche
des Bades zu gelangen.
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Die Zeichnungen veranschaulichen beispielsweise eine Walzeinrichtung
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die in den Fig. i bis q. veranschaulichte
Walzeinrichtung besteht aus vier einander gleichen Drehkörpern, welche zur Herstellung
eines Drahtes von rundem Querschnitt dienen. ' Fig. i- veranschaulicht einen waagerechten
Querschnitt durch die Walzeinrichtung in der Linie I-1 der Fig. 2; Fig. 2 zeigt
einen senkrechten Schnitt durch die Walzeinrichtung in der Linie II-II der Fig.
i sowie die in derselben Ebene geschnittene Vorrichtung zur Zuführung des Metalls;
die Fig. 3 und q. stellen Einzelteile in vergrößertem Maßstab dar.
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Bei demAusführungsbeispiel ist der Durchmesser der Drehkörper i mit
22 cm bemessen, während der Durchmesser des Drahtes 5 mm beträgt. Jeder Drehkörper
besitzt eine konvexe sphärische Oberfläche 2, welche " der konkaven sphärischen
Oberfläche 3 des benachbarten Drehkörpers entspricht. An der Verbindungsstelle des
konvexen und konkaven Teils jedes Drehkörpers ist eine ringförmige Nut q. vorgesehen,
die dem Querschnitt des Endproduktes (etwa einem Viertel des Umfanges eines runden
Drahtes) entspricht. Die Durchschnittsgeschwindigkeit der Drehkörper beträgt Umdr./min:
Hierdurch werden etwa 30 cm Draht in der Sekunde oder 18 m in der Minute
erzeugt. Die Drehzahl kann innerhalb ziemlich weiter Grenzen eingestellt werden.
Das Metall wird von einem Tiegel 5 geliefert, der in geeigneter Weise z. B. durch
eine Hochfrequenzspule 6 beheizt wird. Um den Gießstrahl in einfacher Weise regeln
zu können, ist es vorteilhaft, am Boden des Tiegels eine Ausflußöffnung 7 vorzusehen,
in welche eine als Ventilkegel wirkende Spindel 8 hineinragt; die über den Handhebel
13 zu tätigen ist. 'Das Metall in dem Tiegel 5 muß gründlich durchgeschmolzen sein.
Es soll , aber nicht wesentlich überhitzt sein. Die Oxydation des flüssigen
Metalls
soll nach Möglichkeit vermieden werden, z. B. durch eine Schlackenschicht oder mit
Hilfe einer reduzierenden Atmosphäre. Eine geringe Zufuhr von Leuchtgas ist ausreichend
für kohlenhaltige Stähle, während für rostfeste Nickelstähle Stickstoff vorzuziehen
ist. Wenn Schlacke Verwendung findet und der Tiegel 5 periodisch oder kontinuierlich
aus einem größeren Behälter 9 nachgefüllt wird, ist darauf zu achten, daß die überschüssige
Schlacke durch den Abfluß io am Oberteil des Mischgefäßes entfernt wird.
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Fig. 3 veranschaulicht die turbulente Strömung in der Metallschmelze
während des Prozesses. Die durch Pfeile i i angedeutete Bewegung der Teilchen der
Schmelze kann durch Beobachtung der viskosen Badflüssigkeit experimentell belegt
werden. Hierbei ist festzustellen, daß die viskose Schmelze kontinuierlich von den
Drehkörpern i aufsteigt, sich unter dem Schmelzstrahl 12 konzentriert und einen
dauernden Wirbel bildet. Dies wird durch das Aufsteigen des Metalls dicht an den
sich abwärts bewegenden Drehkörpern angezeigt. An einer tieferen Stelle jedoch,
an der das Metall eine genügende Zähigkeit erlangt hat, um auf den Druck der Drehkörper
zu reagieren, muß es, wie die Beobachtung ergibt, sich abwärts bewegen, um schließlich
als fester Draht den Apparat zu verlassen. Die Umkehr der Bewegungsrichtung ist
durch die Pfeile 13 veranschaulicht.
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Versuche, bei denen das schmelzflüssige Metall den Drehkörpern durch
ein beheiztes feuerfestes Rohr 1.4 zugeführt wurde, sind in Fig. q. veranschaulicht.
Diese Methode wurde versucht, um das Arbeiten mit einem oben offenen Bad zu vermeiden
und die Regelung des Schmelzstrahlflusses bzw. der Arbeitsgeschwindigkeit der Maschine
zu vermeiden. Es konnte aber kein Draht auf diese Weise hergestellt werden. Infolge
des Fehlens der Turbulenz wurde zunächst eine dünne Metallhaut 15 auf den Drehkörpern
erzeugt, die es ermöglichte, daß ein Strom von flüssigem Metall frei nach unten
durch die Maschine lief. Nach einer Weile wurde aber die Metallhaut so dick, daß
sie den Abfluß verstopfte und den Fluß abstoppte. Dies beweist die Notwendigkeit
des Inbewegunghaltens des Metallbades, um ein homogenes Kühlen durch Konvektion
zu erzielen.
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Der Kontakt zwischen den Drehkörpern und dem Metall ist von außerordentlich
kurzer Dauer im Vergleich zu anderen Methoden des kontinuierlichen Gießens. In dem
durch Fig. i veranschaulichten Fall beträgt die Berührungsdauer nur 1/s Sekunde
pro Umdrehung eines Punktes der Oberfläche des Drehkörpers. Da die Drehkörper durch
ein Wasserbad oder andere passende Mittel an der Außenseite gekühlt sind, haben
die aufeinanderfolgenden Berührungen keine kumulierende Hitzewirkungen. Die Drehkörper
kommen immer wieder praktisch abgekühlt mit dem flüssigen Stahl in Berührung. Nach
Befeuchtung wird jeder Teil des Drehkörpers durch einen kräftigen Luftstrahl getrocknet,
bevor er wieder in Berührung mit dem heißen Metallbad kommt, um Explosionen durch
schlagartige Dampfentwicklung zu verhüten. Hierdurch wird auch der Nachteil der
vorzeitigen Zerstörung der Drehkörper durch aufeinanderfolgende Hitzeschocke vermieden;
ein Nachteil, der bei anderen kontinuierlichen Verfahren, bei denen die Berührungsdauer
zwischen der heißen Schmelze und den das Bad jeweils begrenzenden Teilen des Drehkörpers
viel länger ist, verhütet wird.
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Die Steuerung der Maschine kann durch Hand oder automatisch erfolgen,
entweder derart, daß der Schmelzstrahl variiert und die Umlaufgeschwindigkeit konstant
gehalten wird, oder mit Hilfe eines konstanten oder fortlaufend variierenden Schmelzstrahles
in Verbindung mit einem Variieren der Umlaufgeschwindigkeit. Durch Anwendung jeder
dieser Methoden ist es möglich, ein niedriges, mittleres oder hohes Niveau des Bades
aufrechtzuerhalten, entsprechend dem Hitzegrad des Metalls. Wenn z. B. der Draht
zu kalt (mit zu dunkler Farbe) aus der Maschine kommt, kann man entweder die Höhe
des Metallbades herabsetzen oder den Gang der Maschine während der Vergrößerung
des Ausstoßes des Schmelzstrahles beschleunigen. In jedem Fall kann man durch derartige
Mittel das Ausmaß und die Zeit der Berührung vermindern und als Folge dessen auch
die Kühlwirkung der Vorrichtung. Die Möglichkeit der Regelung der thermischen Bedingungen
in der vorstehend erläuterten Weise bringt unmittelbare Ergebnisse, während Versuche,
die Temperatur des Schmelzstrahles zu ändern, notwendigerweise zu langsam verlaufen
würden. Die beiden Regelungsmöglichkeiten mit Hilfe des Schmelzstr ahlausstoßes
und der Umlaufgeschwindigkeit können selbsttätig mit Hilfe von pyrometrischen oder
photoelektrischen Anordnungen bewirkt werden.
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Die für den Einzelfall günstigste Strahlgeschwindigkeit kann durch
Versuch ermittelt werden. Als mindeste Gießhöhe wurde die il/2fache Länge des Krümmungsradius
der kugeligen Oberflächen der Walzen gefunden.
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Die richtigen Werte für die Umdrehungsgeschwindigkeit der Walzen können
durch Beobachtung der Walzeinrichtung im Betrieb gewonnen werden. Bei zu geringer
Kühlung, d. h. also bei zu geringer Walzendrehzahl, geht flüssiges und zähflüssiges,
nicht zusammenhängendes Metall durch die Walzeinrichtung. Dies zeigt sich nicht
nur an dem unbrauchbaren Walzergebnis, sondern daran, daß der Antrieb der Walze
nicht oder kaum höher als bei Leerlauf beansprucht wird.