EP0545097A2 - Process and apparatus for wire casting - Google Patents

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EP0545097A2
EP0545097A2 EP92119100A EP92119100A EP0545097A2 EP 0545097 A2 EP0545097 A2 EP 0545097A2 EP 92119100 A EP92119100 A EP 92119100A EP 92119100 A EP92119100 A EP 92119100A EP 0545097 A2 EP0545097 A2 EP 0545097A2
Authority
EP
European Patent Office
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casting
wire
melt
induction coil
diameter
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP92119100A
Other languages
German (de)
French (fr)
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EP0545097A3 (en
Inventor
Friedrich Prof. Dr. Behr
Peter Dr.-Ing. Schüler
Hans-Walter Ing. Erckes (Grad.)
Volker Dipl.-Phys. Krämer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thyssen Stahl AG
Original Assignee
Thyssen Edelstahlwerke AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thyssen Edelstahlwerke AG filed Critical Thyssen Edelstahlwerke AG
Publication of EP0545097A2 publication Critical patent/EP0545097A2/en
Publication of EP0545097A3 publication Critical patent/EP0545097A3/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/005—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths of wire
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/01—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths without moulds, e.g. on molten surfaces
    • B22D11/015—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths without moulds, e.g. on molten surfaces using magnetic field for conformation, i.e. the metal is not in contact with a mould
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/06—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into moulds with travelling walls, e.g. with rolls, plates, belts, caterpillars
    • B22D11/0611—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into moulds with travelling walls, e.g. with rolls, plates, belts, caterpillars formed by a single casting wheel, e.g. for casting amorphous metal strips or wires

Definitions

  • the invention relates to a method and device for rapid wire casting.
  • the welding electrodes required for modern automated welding processes are produced in the form of wound wire with a diameter of ⁇ 2 mm.
  • cored wires are available.
  • ferritic iron-chromium-aluminum-based heating conductor alloys a lengthy and cost-intensive drawing process is required in order to produce wire in the insert dimensions ⁇ 1 mm 0.
  • the increasing difficulties in forming with increasing aluminum content also limit the applicable aluminum contents to 5 to 6%, although it is known that the scaling resistance can be further improved with further increased aluminum contents.
  • a casting method for metal wires has also become known, in which a metallic melt flows in a free jet into a rotating cooling liquid and freezes in a circular cross section. So far, it has not been possible to increase the diameter of the wires to values> 1 mm.
  • co-rotating molds This can be done in the form of rotating rollers and / or rotating belts.
  • liquid melt from an outlet nozzle to a casting roller and to allow it to solidify in one-sided contact with the latter.
  • An important feature of this procedure is the melting sump that forms between the nozzle and the casting roll.
  • the present invention has for its object to provide a method and an apparatus for casting wire with a diameter of less than 3 mm, with which a homogeneous wire can be produced in a technically and economically satisfactory manner.
  • a melt jet formed by an electromagnetic field flows down in free fall onto a profiled casting disc and solidifies on it under the influence of the interfacial tension to form a wire.
  • the metal melt is fed to the casting disc in the middle above the axis of rotation of the casting disc or, in order to reduce the bending angle of the metal strand, in a suitable manner offset laterally in the direction of rotation.
  • the melt jet is preferably molded onto an average wire diameter of 0.1 to 3 mm.
  • the melting of rod-shaped or block-shaped solid material is particularly advantageous. Inductive, conductive and melting in the electron or laser beam are preferred. In these cases, the simple control of the melting capacity enables reliable control of the casting process.
  • the liquid metal jet can be shaped and centered by the force of the alternating electromagnetic field, which means that even with a large cross section of the melting rod, a nozzle for forming the flowing metal jet becomes superfluous.
  • the diameter ratio of the melting rod and casting strand can easily be increased to 100: 1 and more.
  • the thickness of the wire produced depends on the melting capacity or the feed rate of the liquid metal and the speed at the point of impact on the casting disc moving at at least the same web speed.
  • the impact speed can be easily changed by changing the vertical distance of the casting disc and thus changing the free fall height of the metal jet, so that the desired diameter of the wire can be set in two ways. It is also possible to create a larger diameter range in the same profile of the casting disc. It only depends on the required roundness of the wire, how exactly the adaptation of the circular or elliptical or similar in each individual case. Cast profile must be done.
  • the casting cross section of the wire produced can also be corrected by a subsequent forming process by slight drawing or rolling.
  • the fine-grained and homogeneous structure created by the rapid solidification of the wire in direct contact with the casting disc facilitates the forming process in a known and desired manner or makes it possible in the first place.
  • the device according to the invention for the direct casting of wire from metallic materials with a casting wheel which has at least one circumferential groove adapted to the diameter of the wire, is characterized in that above the casting wheel there is arranged an induction coil arrangement which generates a funnel-shaped electromagnetic field and consists of one or more coil loops (electromagnetic Jet).
  • the electromagnetic nozzle corresponds to a floating melt with a hole in the electromagnetic field for the melt to flow away continuously with the constant supply of primary material.
  • the force effect of an electromagnetic field according to the invention makes it possible to avoid the melt / refractory contact at least in the narrowest nozzle cross section, but preferably in the entire nozzle, by the separate adjustability of the heating power and force effect.
  • the inner flank angle influences the course of the field line in the nozzle.
  • flank angles from 0 ... 90 ° are favorable.
  • the preferred flank angle range from 10 to 30 ° is favorable for the casting of steels with a raw material diameter from 50 mm round to approximately 3 mm round.
  • the melted area of the primary material has only a small, conical shape (cone base circle radius 25 mm, cone height approx. 15 mm) and causes only a low heat radiation of approx. 3 kW.
  • the heating power required is 44 kW at 2.4 mm / s raw material feed speed.
  • the casting speed of the wire semi-finished product is 0.7 m / s.
  • the course of the field lines can be changed by moving a short-circuit ring.
  • the frequency of the alternating current in the induction coil arrangement according to the invention is set as the resonance frequency of the parallel or series resonant circuit with or without a transformer.
  • the frequency selection influences the ratio of heating power to force effect. In principle, lower frequencies result in a greater force effect on the melt and allow a greater distance between the coil arrangement and the melt. A significant force effect on the pouring jet only takes place as long as the pouring jet dimensions are greater than the penetration depth of the electromagnetic field. The remaining cross-sectional decrease is due to the acceleration of gravity.
  • the one for casting e.g. 1 mm 0 wire made of solid 50 mm 0 raw material, e.g. quality 1.4841 or 1.4767 with 5 to 10% aluminum and 0.02 cerium or 0.1 titanium and zirconium, preferred frequency range is 100 to 200 kHz.
  • the frequency control in a resonant circuit is carried out according to the invention by changing the capacitance and / or inductance, leakage inductances also being able to be used. It is particularly easy to change the inductance in resonant circuits without a transformer. 1, the inductor current is conducted in the feed lines via a detour which can be adjusted with a displaceable short-circuit bridge and which represents an additional inductance. If the additional inductance has three times the value of the remaining inductance as the maximum value, the center frequency can be changed by ⁇ 33% by moving the short-circuit bridge.
  • the rapid change in frequency enables to quickly change the ratio of heating power to force effect, which is a prerequisite for producing a semi-finished product with constant cross-sectional dimensions and setting defined melt overheating.
  • the melt jet leaving the electromagnetic nozzle should have a predetermined temperature and a constant cross section over the entire casting time.
  • the independent variables "voltage” (for the series resonant circuit "current") and "frequency” in the resonant circuit as well as the raw material supply are regulated.
  • the required heating output is set as a dependent on the set voltage, frequency and feed material.
  • the control can be carried out according to the following scheme, for example:
  • a thermal camera with diode line evaluation or a laser scanner is preferred for measuring the beam thickness and a pyrometer for measuring the melting temperature.
  • Wire production can be carried out with the electromagnetic nozzle using both liquid and solid primary material.
  • the electromagnetic nozzle also supplies the heating power required for melting the primary material rod, the primary material generally being rotated to make the melting more uniform.
  • the material feed rate should be chosen so high that the temperature of the material does not increase with the operating time when entering the nozzle area.
  • primary material speeds of 0.1 to 100 mm / s result.
  • the atmosphere surrounding the nozzle is adjustable (air, protective gas or vacuum) because the formation of the melt jet depends on the properties of the melt surface such as surface tension, oxide layers and heat transfer.
  • the melt is reshaped to near the final contour.
  • the input area of the induction coil arrangement is designed geometrically similar to the primary material cross section.
  • the exit area of the nozzle is geometrically similar to the cross-section of the semi-finished product.
  • the number and cross-sectional profile of the coil loops determine the tuning of the resonant circuit (for transformer resonant circuits: adaptation to the resonant circuit) and the coupling to the primary material.
  • the ratio of force effect to heating power of the induction coil arrangement is shifted with increasing number of turns in favor of the force effect and thus enables greater cross-sectional decreases.
  • the number of turns favorable for this process is in the range from 1 to 10.
  • the inductive force effect in the electromagnetic field is always directed perpendicular to the field lines.
  • the funnel-shaped field line course means that load-bearing and constricting force components are present at the same time and thus ensures the nozzle character of the induction coil arrangement.
  • a shield made of refractory material or water-cooled copper elements as protection against heat radiation and splashes is arranged between the induction coil arrangement and the melt jet, prevents the melt, splashes or drops from reaching the induction coil and causing the electrical system to be switched off . It further reduces excessive heat dissipation through the water-cooled coil loops.
  • water-cooled copper segments can also be inserted between the induction coil arrangement and the melt, which, at the same time, have a shaping effect on the melt, similarly to the cold crucible.
  • a second induction coil according to claim 9 can be used to further reduce and / or heat up the melt beam cross section.
  • higher frequencies are used than in the nozzle (200 to 1000 kHz).
  • an electromagnetic field has a stabilizing effect on a falling metal melt and thereby increases the tear-off length.
  • the melt jet can be calmed down with a DC or permanent magnetic field. Increasing the tear-off length allows casting faster and thinner. The calming of the melt jet increases the surface quality of the semi-finished product.
  • the embodiment according to claim 10 has the effect that the melting "puddle" that otherwise occurs in the single-roll process is suppressed and the semi-finished product that is produced has more uniform cross-sectional dimensions.
  • the embodiment according to claim 11 makes it possible to generate forces in the running direction of the cooling base in the liquid melt.
  • the embodiment according to claim 12 makes it possible to change the casting speed and semifinished product dimensions during the casting process in a defined manner.
  • the embodiment according to claim 13 ensures that the melt solidifies sufficiently due to the high thermal conductivity of the copper or the copper-based alloy during the contact time with the mold.
  • the speed is approx. 1.4 m / s. This is also the required minimum speed of the cooled casting disc, which is approx. 1 revolution / s, if its diameter is 500 mm 0, for example.
  • an almost circular profile of the solidified wire forms in the casting profile, as shown schematically in FIG. 3.
  • the melting rate is set to 30 kg / h
  • the average diameter is approx. 1 mm, and approx. 5000 m / h wire produced.
  • the dwell time in the casting cavity is sufficient, which in the example is approx. Is 0.2 s, not enough to allow sufficient cooling of the wire, a suitable arrangement of drive rollers can increase the wrap angle.
  • the short-circuit ring 10 above the induction coil 2 leads to a weakening of the magnetic field in its surroundings and to a horizontal field course. This results in an increased magnetic load capacity, which stabilizes the melt jet 3.
  • a wheel 6 is arranged within the non-magnetic shell of the casting disc 5, which wheel is equipped with radially magnetized permanent magnets 7 (e.g. AINiCo, SmCo, NdFeB).
  • the magnetic field of the permanent magnets 7 penetrates the jacket of the casting disc 5 and can act on the melt.
  • the inner wheel 6 preferably runs at the same speed or faster than the casting disc 5.
  • the melt jet 3 is then accelerated horizontally before the casting disc 5 is reached by the force of the magnetic field moving relative to it. As a result, the melt is stabilized when the filament is deposited, and a higher casting speed is achieved.
  • the melting thread can also be deposited below the highest point 8 of the casting disc 5.
  • the moving magnetic field can also be generated outside the casting disc 5 (Fig. 5), e.g. by two magnet-loaded wheels 6 on both sides of the casting disc 5.
  • FIG. 6 An exemplary embodiment for the production of wire with a 3 mm diameter from the material St 60 is shown in FIG. 6.
  • the 1 m long electrode 1 with a diameter of 50 mm is lined up with a screw connection 11 for continuous operation.
  • the feed rollers 12 feed the raw material rods to the induction coil 2 at a speed of 1.25 mm / s.
  • the resulting melt jet 3 with a diameter of approximately 3.2 mm is deposited on the casting disc 5 approximately 30 mm below the induction coil 2 at a speed of approximately 0.31 m / s.
  • the wire 14 is lifted off the casting disc 5 by the stripper 13 and, after being carried out from the housing 15, is wound up into a coil 16.
  • the peripheral speed of the chill roll is 0.35 m / s.
  • the resulting wire 14 has a diameter of 3 mm.
  • the casting time for a melting rod 1 of approx. 15 kg is approx. 13 min. This results in approx. 280 m of wire.
  • the casting output is approx. 1.2 kg / min, the electrical power consumption for the entire system is approx. 80 kW.
  • the electromagnetic nozzle is shown in FIG. 7. It consists of two coils 2 (water-cooled copper profile 8 x 16 mm 2 ), which are electrically connected in series. The inner diameters of the coils 2 are 38 and 60 mm. The smaller coil 2 is offset by 10 mm downwards.
  • the idle inductance is 0.27 uH.
  • the nozzle is part of an oscillating circuit with a capacity of 10,200 uF.
  • the idle frequency is 96 kHz.
  • the nozzle is operated with a voltage of 450 V.
  • the resulting melt jet 3 has a closed length of approximately 40 mm and a smallest diameter of approximately 3 mm.
  • the total power consumption of the resonant circuit is 77 kW.
  • the primary material and the melt account for 28
  • a nozzle with permanent magnetic calming is shown in FIG. 8.
  • the melting rod 1 is moved towards the induction coil 2 from a water-cooled copper profile.
  • the resulting melt jet 3 is stabilized by a magnetic field of approximately 1 T generated by permanent magnets 17 (materials AINiCo or SmCo or NdFeB).
  • the permanent magnets 17 are each located in a water-cooled copper housing 18, which is electrically insulated from the induction coil 2.
  • the wall thickness is greater than twice the penetration depth of the alternating field generated in the electromagnetic nozzle.
  • Refractory material 19 prevents excessive heat loss from the melt jet 3.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Continuous Casting (AREA)

Abstract

The invention relates to a process for the direct casting of wire from metallic materials. The invention is characterised in that a jet of molten metal shaped by means of an electromagnetic field falls under gravity onto a profiled casting disc and solidifies on it under the influence of the interfacial tension to form a wire.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zum schnellen Drahtgießen.The invention relates to a method and device for rapid wire casting.

Für das direkte Gießen von Draht aus Stahl und Nichteisenmetallen ist das vertikale und horizontale Verfahren mit stationärer Kokille nach der go and stop- bzw. Pilgerschritt-Methode betrieblich eingeführt. Neuerdings wird beim Horizontal-Strangguß in ähnlicher Weise wie beim vertikal-Strangguß auch mit oszillierender Kokille und konstanter Strangabzugsgeschwindigkeit gearbeitet. Beiden Verfahrensprinzipien haften jedoch zwei wesentliche Nachteile an:

  • - Ausbildung von Gefügeinhomogenitäten an den unvermeidlichen Knotenstellen mit der Gefahr des Auftretens von Heißrissen und Kaltschweißen, die eine Weiterverarbeitung beispielsweise durch Ziehen oder Walzen bzw. den direkten Einsatz des Gießprodukts verhindern.
  • - Die Gießgeschwindigkeit ist wegen der großen spezifischen Oberfläche und den damit verbundenen ungünstigen Reibungsverhältnissen zwischen Strang und Kokille auf etwa 8 m/min begrenzt. Dies beschränkt die erreichbare Gießleistung auf technisch-wirtschaftlich nicht befriedigende Werte, wenn der Produktionsdurchmesser auf < 3 mm abgesenkt werden soll.
For the direct casting of wire from steel and non-ferrous metals, the vertical and horizontal process with stationary mold according to the go and stop or pilgrim step method has been introduced. Recently, horizontal continuous casting has been used in a similar way to vertical continuous casting, with an oscillating mold and constant strand withdrawal speed. However, both process principles have two major disadvantages:
  • - Formation of structural inhomogeneities at the unavoidable nodes with the risk of hot cracks and cold welding, which prevent further processing, for example by drawing or rolling, or the direct use of the cast product.
  • - The casting speed is limited to about 8 m / min because of the large specific surface and the associated unfavorable frictional relationships between the strand and the mold. This limits the achievable casting performance to technically and economically unsatisfactory values if the production diameter is to be reduced to <3 mm.

Schwer umformbare Werkstoffe, wie Hartschweißlegierungen im Durchmesserbereich von 8 bis 3 mm 0 werden im Horizontalstrangguß hergestellt.Materials that are difficult to form, such as hard welding alloys in the diameter range of 8 to 3 mm 0, are produced in horizontal continuous casting.

Die für moderne automatisierte Schweißverfahren benötigten Schweißelektroden werden in Form von aufgespultem Draht mit einem Durchmesser < 2 mm erzeugt. In den Fällen, in denen ein Ziehen von dickeren Abmessungen an die Endabmessungen nicht möglich ist, stehen hier nur aufwendig hergestellte Fülldrähte zur Verfügung. Bei ferritischen Heizleiterlegierungen auf Eisen-Chrom-Aluminium-Basis ist ein langwieriger und kostenintensiver Ziehprozeß erforderlich, um Draht in den Einsatzabmessungen < 1 mm 0 herzustellen. Die mit steigendem Aluminium-Gehalt ansteigenden Schwierigkeiten bei der Umformung begrenzen zudem die anwendbaren Aluminium-Gehalte auf 5 bis 6 %, obgleich bekannt ist, daß die Zunderbeständigkeit bei weiter erhöhten Aluminium-Gehalten weiter verbessert werden kann.The welding electrodes required for modern automated welding processes are produced in the form of wound wire with a diameter of <2 mm. In cases where it is not possible to pull thicker dimensions to the final dimensions, only elaborately manufactured cored wires are available. For ferritic iron-chromium-aluminum-based heating conductor alloys, a lengthy and cost-intensive drawing process is required in order to produce wire in the insert dimensions <1 mm 0. The increasing difficulties in forming with increasing aluminum content also limit the applicable aluminum contents to 5 to 6%, although it is known that the scaling resistance can be further improved with further increased aluminum contents.

Es ist auch ein Gießverfahren für Metalldrähte bekannt geworden, bei dem eine metallische Schmelze in einem Freistrahl in eine rotierende Kühlflüssigkeit einfließt und frei in einem kreisförmigen Querschnitt erstarrt. Hierbei gelingt es bisher nicht, den Durchmesser der Drähte auf Werte > 1 mm zu steigern. Zur Erzielung hoher Gießgeschwindigkeiten ist es erforderlich, mitlaufende Kokillen einzusetzen. Dies kann in Form von rotierenden Walzen und/oder umlaufenden Bändern geschehen. Für das Gießen von Folien genügt es, flüssige Schmelze aus einer Auslaufdüse auf eine Gießwalze aufzubringen und in einseitigem Kontakt mit dieser erstarren zu lassen. Wichtiges Merkmal dieser Verfahrensweise ist der sich zwischen Düse und Gießwalze ausbildende Schmelzsumpf. Die Herstellung von dickeren Querschnitten erfordert die Verwendung von geschlossenen Gießhohlräumen, wie sie mit Hilfe zweier Gießwalzen oder auch einer profilierten Gießwalze und eines dagegenlaufenden Bandes geschaffen werden können. Das letztere Verfahren wird für das Gießen von dickeren Profilen von z.B. Nichteisenmetallen eingesetzt (Properzi-Gießrad).A casting method for metal wires has also become known, in which a metallic melt flows in a free jet into a rotating cooling liquid and freezes in a circular cross section. So far, it has not been possible to increase the diameter of the wires to values> 1 mm. In order to achieve high casting speeds, it is necessary to use co-rotating molds. This can be done in the form of rotating rollers and / or rotating belts. For the casting of foils, it is sufficient to apply liquid melt from an outlet nozzle to a casting roller and to allow it to solidify in one-sided contact with the latter. An important feature of this procedure is the melting sump that forms between the nozzle and the casting roll. The production of thicker cross sections requires the use of closed casting cavities, as can be created with the help of two casting rolls or a profiled casting roll and a belt running in the opposite direction. The latter method is used for casting thicker profiles e.g. Non-ferrous metals used (Properzi casting wheel).

Alle Verfahren mit mitlaufender Kokille vermeiden den Nachteil der Knotenstellenbildung, wie sie beim Horizontal-Drahtstrangguß verfahrensbedingt unvermeidlich ist, und gestatten hohe Gießgeschwindigkeiten von mehr als 10 m/min. Für das Gießen von Draht mit einem Durchmesser von < 3 mm sind sie jedoch ungeeignet.All processes with a moving mold avoid the disadvantage of knot formation, which is inevitable due to the process involved in horizontal wire strand casting, and allow high casting speeds of more than 10 m / min. However, they are unsuitable for casting wire with a diameter of <3 mm.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gießen von Draht mit einem Durchmesser von weniger als 3 mm zu schaffen, mit dem ein homogener Draht in technisch- wirtschaftlich zufriedenstellender Weise erzeugt werden kann.The present invention has for its object to provide a method and an apparatus for casting wire with a diameter of less than 3 mm, with which a homogeneous wire can be produced in a technically and economically satisfactory manner.

Zur Vermeidung der geschilderten Nachteile des Horizontal-Drahtstranggusses wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß ein durch ein elektromagnetisches Feld eingeformter Schmelzenstrahl im freien Fall auf eine profilierte Gießscheibe herabfließt und auf ihr unter dem Einfluß der Grenzflächenspannung zu einem Draht erstarrt.To avoid the described disadvantages of horizontal wire strand casting, it is proposed according to the invention that a melt jet formed by an electromagnetic field flows down in free fall onto a profiled casting disc and solidifies on it under the influence of the interfacial tension to form a wire.

Die Zufuhr der metallischen Schmelze zur Gießscheibe erfolgt mittig über der Drehachse der Gießscheibe oder zur Verringerung des Abknickwinkels des Metallstranges in geeigneter Weise seitlich in Drehrichtung versetzt. Der Schmelzenstrahl wird dabei bevorzugt auf einen mittleren Drahtdurchmesser von 0,1 bis 3 mm eingeformt.The metal melt is fed to the casting disc in the middle above the axis of rotation of the casting disc or, in order to reduce the bending angle of the metal strand, in a suitable manner offset laterally in the direction of rotation. The melt jet is preferably molded onto an average wire diameter of 0.1 to 3 mm.

Neben dem Einsatz von flüssigem Metall, das nach Ausfließen aus einer feuerfesten Düse einen stabilen Freistrahl formt, ist das Abschmelzen von stab- oder blockförmigem festen Vormaterial besonders vorteilhaft. Hierbei kommen bevorzugt induktives, konduktives als auch Aufschmelzen im Elektronen- oder Laserstrahl in Betracht. In diesen Fällen macht die einfache Regelung der Schmelzleistung eine sichere Führung des Gießprozesses möglich.In addition to the use of liquid metal, which forms a stable free jet after flowing out of a refractory nozzle, the melting of rod-shaped or block-shaped solid material is particularly advantageous. Inductive, conductive and melting in the electron or laser beam are preferred. In these cases, the simple control of the melting capacity enables reliable control of the casting process.

Bei einer induktiven Beheizung besteht der weitere Vorteil, daß durch die Kraftwirkung des elektromagnetischen Wechselfeldes der flüssige Metallstrahl geformt und zentriert werden kann, wodurch auch bei einem großen Querschnitt des Abschmelzstabes eine Düse zur Ausbildung des abfließenden Metallstrahles überflüssig wird. Das Durchmesserverhältnis von Abschmelzstab und Gießstrang kann so leicht auf 100 : 1 und mehr gesteigert werden.In the case of inductive heating, there is the further advantage that the liquid metal jet can be shaped and centered by the force of the alternating electromagnetic field, which means that even with a large cross section of the melting rod, a nozzle for forming the flowing metal jet becomes superfluous. The diameter ratio of the melting rod and casting strand can easily be increased to 100: 1 and more.

Zur Vermeidung der Bildung von oxidischen Zunderpartikeln, die das gleichmäßige Abfließen des aufgeschmolzenen Metalles behindern und die Reinheit des Gießprodukts beeinträchtigen, kann es zweckmäßig sein, den Prozeß unter einer Schutzgasatmosphäre bestehend aus Argon, Helium, Stickstoff, gegebenenfalls unter Zusatz von Anteilen an Wasserstoff oder auch im Vakuum ablaufen zu lassen. Hierzu ist dann eine entsprechende Einhausung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erforderlich. Gleichzeitig wird damit auch die Abreicherung von z.B. Seltenen Erden und anderen reaktiven Begleitelementen, wie sie beispielsweise bei Heizleiterlegierungen und Dentallegierungen üblich sind, unterbunden.In order to avoid the formation of oxidic scale particles, which hinder the uniform flow of the molten metal and impair the purity of the cast product, it may be appropriate to carry out the process under a protective gas atmosphere consisting of argon, helium, nitrogen, optionally with addition of hydrogen or else to run in a vacuum. A corresponding housing of the device according to the invention is then required for this. At the same time, the depletion of e.g. Rare earths and other reactive accompanying elements, as are common for example with heating conductor alloys and dental alloys, are prevented.

Die Dicke des erzeugten Drahtes ist abhängig von der Aufschmelzleistung bzw. der Zufuhrgeschwindigkeit des flüssigen Metalls und der Geschwindigkeit im Auftreffpunkt auf der sich mit mindestens gleicher Bahngeschwindigkeit bewegenden Gießscheibe. Die Auftreffgeschwindigkeit kann durch vertikale Abstandsveränderung der Gießscheibe und damit Veränderung der freien Fallhöhe des Metallstrahles leicht verändert werden, so daß in zweierlei Hinsicht der gewünschte Durchmesser des Drahtes eingestellt werden kann. So ist es auch möglich, im gleichen Profil der Gießscheibe eine größere Durchmesserspanne zu erzeugen. Es hängt lediglich von der jeweils erforderlichen Rundheit des Drahtes ab, wie genau in jedem Einzelfalle die Anpassung des kreisrunden oder auch elliptischen o.ä. Gießprofils erfolgen muß.The thickness of the wire produced depends on the melting capacity or the feed rate of the liquid metal and the speed at the point of impact on the casting disc moving at at least the same web speed. The impact speed can be easily changed by changing the vertical distance of the casting disc and thus changing the free fall height of the metal jet, so that the desired diameter of the wire can be set in two ways. It is also possible to create a larger diameter range in the same profile of the casting disc. It only depends on the required roundness of the wire, how exactly the adaptation of the circular or elliptical or similar in each individual case. Cast profile must be done.

Es bestehen auch keine Schwierigkeiten, mehrere Gießprofile gleicher oder unterschiedlicher Abmessungen prallel nebeneinander auf der Gießscheibe anzuordnen.There are also no difficulties in arranging a plurality of casting profiles of the same or different dimensions parallel to one another on the casting disc.

Eventuell kann auch durch einen nachfolgenden Umformprozeß durch leichtes Nachziehen oder Walzen eine Korrektur des Gießquerschnitts des erzeugten Drahtes erfolgen. Das durch die rasche Erstarrung des Drahtes im direkten Kontakt mit der Gießscheibe entstandene feinkörnige und homogene Gefüge erleichtert hierbei in bekannter und erwünschter Weise den Umformvorgang oder macht ihn überhaupt erst möglich.Possibly, the casting cross section of the wire produced can also be corrected by a subsequent forming process by slight drawing or rolling. The fine-grained and homogeneous structure created by the rapid solidification of the wire in direct contact with the casting disc facilitates the forming process in a known and desired manner or makes it possible in the first place.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum direkten Gießen von Draht aus metallischen Werkstoffen mit einem Gießrad, welches mindestens eine dem Durchmesser des Drahtes angepaßte Umfangsnut aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des Gießrades eine ein trichterförmiges elektromagnetisches Feld erzeugende Induktionsspulenanordnung aus einer oder mehreren Spulenschleifen angeordnet ist (Elektromagnetische Düse).The device according to the invention for the direct casting of wire from metallic materials with a casting wheel, which has at least one circumferential groove adapted to the diameter of the wire, is characterized in that above the casting wheel there is arranged an induction coil arrangement which generates a funnel-shaped electromagnetic field and consists of one or more coil loops (electromagnetic Jet).

Die elektromagnetische Düse entspricht einer Schwebeschmelze mit einem Loch im elektromagnetischen Feld zum kontinuierlichen Abfließen der Schmelze unter ständiger Zufuhr von Vormaterial.The electromagnetic nozzle corresponds to a floating melt with a hole in the electromagnetic field for the melt to flow away continuously with the constant supply of primary material.

Die Kraftwirkung eines elektromagnetischen Feldes gemäß der Erfindung ermöglicht durch die getrennte Einstellbarkeit von Heizleistung und Kraftwirkung den Kontakt Schmelze/Feuerfest zumindest im engsten Düsenquerschnitt, bevorzugt aber in der gesamten Düse, zu vermeiden.The force effect of an electromagnetic field according to the invention makes it possible to avoid the melt / refractory contact at least in the narrowest nozzle cross section, but preferably in the entire nozzle, by the separate adjustability of the heating power and force effect.

Der innere Flankenwinkel beeinflußt den Feldlinienverlauf in der Düse. Je nach Vormaterialgeometrie, gewünschter Gießgeschwindigkeit und Halbzeugabmessungen sind Flankenwinkel von 0...90 ° günstig. Der bevorzugte Flankenwinkelbereich von 10 bis 30 ° ist günstig für das Vergießen von Stählen mit Vormaterialdurchmesser von 50 mm rund auf ca. 3 mm rund. Der aufgeschmolzene Bereich des Vormaterials hat dabei nur eine geringe, kegelförmige Ausbildung (Kegelgrundkreisradius 25 mm, Kegelhöhe ca. 15 mm) und verursacht nur eine geringe Wärmeabstrahlung von ca. 3 kW. Die notwendige Heizleistung beträgt bei 2,4 mm/s Vormaterialzufuhrgeschwindigkeit 44 kW. Die Gießgeschwindigkeit des Drahthalbzeuges liegt bei 0,7 m/s.The inner flank angle influences the course of the field line in the nozzle. Depending on the raw material geometry, desired casting speed and semi-finished product dimensions, flank angles from 0 ... 90 ° are favorable. The preferred flank angle range from 10 to 30 ° is favorable for the casting of steels with a raw material diameter from 50 mm round to approximately 3 mm round. The melted area of the primary material has only a small, conical shape (cone base circle radius 25 mm, cone height approx. 15 mm) and causes only a low heat radiation of approx. 3 kW. The heating power required is 44 kW at 2.4 mm / s raw material feed speed. The casting speed of the wire semi-finished product is 0.7 m / s.

Der Verlauf der Feldlinien kann durch das Verschieben eines Kurzschlußrings verändert werden.The course of the field lines can be changed by moving a short-circuit ring.

Die Frequenz des Wechselstromes in der erfindungsgemäßen Induktionsspulenanordnung stellt sich als Resonanzfrequenz des Parallel- bzw. Reihenschwingkreises mit oder ohne Übertrager ein. Die Frequenzwahl beeinfluß das Verhältnis von Heizleistung zu Kraftwirkung. Tiefere Frequenzen ergeben im Prinzip eine größere Kraftwirkung auf die Schmelze und ermöglichen einen größeren Abstand zwischen der Spulenanordnung und der Schmelze. Eine nennenswerte Kraftwirkung auf den Gießstrahl erfolgt nur solange die Gießstrahlabmessungen größer sind als die Eindringtiefe des elektromagnetischen Feldes. Die restliche Querschnittsabnahme erfolgt aufgrund der Fallbeschleunigung. Der zum Guß von z.B. 1 mm 0 Draht aus festem 50 mm 0 Vormaterial, aus z.B. der Qualität 1.4841 oder auch 1.4767 mit 5 bis 10 % Aluminium und 0,02 Cer oder 0,1 Titan und Zirkonium, bevorzugte Frequenzbereich liegt bei 100 bis 200 kHz.The frequency of the alternating current in the induction coil arrangement according to the invention is set as the resonance frequency of the parallel or series resonant circuit with or without a transformer. The frequency selection influences the ratio of heating power to force effect. In principle, lower frequencies result in a greater force effect on the melt and allow a greater distance between the coil arrangement and the melt. A significant force effect on the pouring jet only takes place as long as the pouring jet dimensions are greater than the penetration depth of the electromagnetic field. The remaining cross-sectional decrease is due to the acceleration of gravity. The one for casting e.g. 1 mm 0 wire made of solid 50 mm 0 raw material, e.g. quality 1.4841 or 1.4767 with 5 to 10% aluminum and 0.02 cerium or 0.1 titanium and zirconium, preferred frequency range is 100 to 200 kHz.

Die Frequenzregelung in einem Schwingkreis erfolgt erfindungsgemäß über die Veränderung der Kapazität und/oder Induktivität, wobei auch Streuinduktivitäten ausgenutzt werden können. Besonders einfach ist die Veränderung der Induktivität in Schwingkreisen ohne Übertrager. Der Induktorstrom wird gemäß Fig. 1 in den Zuleitungen über einen mit einer verschiebbaren Kurzschlußbrücke verstellbaren Umweg geführt, der eine zusätzliche Induktivität darstellt. Hat die zusätzliche Induktivität den dreifachen Wert der restlichen Induktivität als Maximalwert, so kann die Mittelfrequenz um ± 33 % durch das Verschieben der Kurzschlußbrücke verändert werden. Die schnelle Veränderung der Frequenz ermöglicht das Verhältnis von Heizleistung zu Kraftwirkung schnell zu verändern, was Voraussetzung dafür ist, ein Halbzeug mit konstanten Querschnittsabmessungen herzustellen und definierte Schmelzüberhitzungen einzustellen.The frequency control in a resonant circuit is carried out according to the invention by changing the capacitance and / or inductance, leakage inductances also being able to be used. It is particularly easy to change the inductance in resonant circuits without a transformer. 1, the inductor current is conducted in the feed lines via a detour which can be adjusted with a displaceable short-circuit bridge and which represents an additional inductance. If the additional inductance has three times the value of the remaining inductance as the maximum value, the center frequency can be changed by ± 33% by moving the short-circuit bridge. The rapid change in frequency enables to quickly change the ratio of heating power to force effect, which is a prerequisite for producing a semi-finished product with constant cross-sectional dimensions and setting defined melt overheating.

Der die elektromagnetische Düse verlassende Schmelzstrahl soll über die gesamte Gießdauer eine vorgegebene Temperatur und einen konstanten Querschnitt haben. Um dies zu erreichen, werden die unabhängigen Größen "Spannung" (beim Reihenschwingkreis "Strom") und "Frequenz" im Schwingkreis sowie die Vormaterialzufuhr geregelt. Die notwendige Heizleistung stellt sich gemäß der eingestellten Spannung, Frequenz und Vormaterialzufuhr als abhängige Größe ein. Die Regelung kann z.B. nach dem folgenden Schema durchgeführt werden:

Figure imgb0001
The melt jet leaving the electromagnetic nozzle should have a predetermined temperature and a constant cross section over the entire casting time. In order to achieve this, the independent variables "voltage" (for the series resonant circuit "current") and "frequency" in the resonant circuit as well as the raw material supply are regulated. The required heating output is set as a dependent on the set voltage, frequency and feed material. The control can be carried out according to the following scheme, for example:
Figure imgb0001

Zur Messung der Strahldicke kommt bevorzugt eine Thermokamera mit Diodenzeilenauswertung oder ein Lasercanner und zur Messung der Schmelztemperatur ein Pyrometer infrage.A thermal camera with diode line evaluation or a laser scanner is preferred for measuring the beam thickness and a pyrometer for measuring the melting temperature.

Die Drahtherstellung kann mit der elektromagnetischen Düse sowohl mit flüssigem als auch mit festem Vormaterial durchgeführt werden. Beim festen Vormaterial liefert die elektromagnetische Düse auch die notwendige Heizleistung für das Abschmelzen des Vormaterialstabes, wobei zur Vergleichmäßigung des Abschmelzens das Vormaterial in der Regel gedreht wird. Die Vormaterialzufuhrgeschwindigkeit sollte so groß gewählt werden, daß sich die Temperatur des Vormaterials beim Eintritt in den Düsenbereich nicht mit der Betriebsdauer erhöht. Je nach zu vergießendem Werkstoff und Abmessungen ergeben sich Vormaterialgeschwindigkeiten von 0,1 bis 100 mm/s. Die die Düse umgebende Atmosphäre ist einstellbar (Luft, Schutzgas oder Vakuum), weil die Ausbildung des Schmelzstrahles von den Eigenschaften der Schmelzenoberfläche wie Oberflächenspannung, Oxidschichten und Wärmeübergang abhängt.Wire production can be carried out with the electromagnetic nozzle using both liquid and solid primary material. In the case of solid primary material, the electromagnetic nozzle also supplies the heating power required for melting the primary material rod, the primary material generally being rotated to make the melting more uniform. The material feed rate should be chosen so high that the temperature of the material does not increase with the operating time when entering the nozzle area. Depending on the material to be cast and the dimensions, primary material speeds of 0.1 to 100 mm / s result. The atmosphere surrounding the nozzle is adjustable (air, protective gas or vacuum) because the formation of the melt jet depends on the properties of the melt surface such as surface tension, oxide layers and heat transfer.

In der elektromagnetischen Düse erfolgt die erfindungsgemäße Umformung der Schmelze auf Endkonturnähe. Zur ausreichenden Ankopplung des elektromagnetischen Feldes an das Vormaterial ist der Eingangsbereich der Induktionsspulenanordnung geometrisch ähnlich dem Vormaterialquerschnitt ausgebildet. Zur konkreten Formgebung der Schmelze ist der Ausgangsbereich der Düse dem Halbzeugquerschnitt geometrisch ähnlich ausgebildet. Bei vorgegebener Düsengeometrie bestimmt die Anzahl und das Querschnittsprofil der Spulenschleifen die Abstimmung des Schwingkreises (bei Übertragerschwingkreisen: Anpassung an den Schwingkreis) und die Ankopplung an das Vormaterial. Das Verhältnis von Kraftwirkung zu Heizleistung der Induktionsspulenanordnung wird mit steigender Windungszahl zugunsten der Kraftwirkung verschoben und ermöglicht so stärkere Querschnittabnahmen. Die für dieses Verfahren günstigen Windungszahlen liegen im Bereich 1 bis 10.In the electromagnetic nozzle, the melt is reshaped to near the final contour. In order to adequately couple the electromagnetic field to the primary material, the input area of the induction coil arrangement is designed geometrically similar to the primary material cross section. For the concrete shaping of the melt, the exit area of the nozzle is geometrically similar to the cross-section of the semi-finished product. For a given nozzle geometry, the number and cross-sectional profile of the coil loops determine the tuning of the resonant circuit (for transformer resonant circuits: adaptation to the resonant circuit) and the coupling to the primary material. The ratio of force effect to heating power of the induction coil arrangement is shifted with increasing number of turns in favor of the force effect and thus enables greater cross-sectional decreases. The number of turns favorable for this process is in the range from 1 to 10.

Die induktive Kraftwirkung im elektromagnetischen Feld ist immer senkrecht zu den Feldlinien gerichtet. Der trichterförmige Feldlinienverlauf bewirkt, daß gleichzeitig tragende und einschnürende Kraftkomponenten vorhanden sind und stellt damit den Düsencharakter der Induktionsspulenanordnung sicher.The inductive force effect in the electromagnetic field is always directed perpendicular to the field lines. The funnel-shaped field line course means that load-bearing and constricting force components are present at the same time and thus ensures the nozzle character of the induction coil arrangement.

Die Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der zwischen der Induktionsspulenanordnung und dem Schmelzstrahl eine Abschirmung aus Feuerfestmaterial oder wassergekühlten Kupferelementen als Schutz gegen Wärmestrahlung und Spritzern angeordnet ist, verhindert, daß die Schmelze, Spritzer oder Tropfen die Induktionsspule erreichen und zu einem Abschalten der elektrischen Anlage führen. Sie vermindert weiterhin eine übermäßige Wärmeabfuhr durch die wassergekühlten Spulenschleifen. Zum Abfangen der Schmelze und als Spritzer- oder Tropfenschutz können auch wassergekühlte Kupfersegmente zwischen Induktionsspulenanordnung und Schmelze eingefügt werden, die gleichzeitig analog dem kalten Schmelztiegel eine formende Wirkung auf die Schmelze ausüben.The design of the device according to the invention, in which a shield made of refractory material or water-cooled copper elements as protection against heat radiation and splashes is arranged between the induction coil arrangement and the melt jet, prevents the melt, splashes or drops from reaching the induction coil and causing the electrical system to be switched off . It further reduces excessive heat dissipation through the water-cooled coil loops. To intercept the melt and as splash or drop protection, water-cooled copper segments can also be inserted between the induction coil arrangement and the melt, which, at the same time, have a shaping effect on the melt, similarly to the cold crucible.

Eine zweite Induktionsspule gemäß Anspruch 9 kann dazu benutzt werden, den Schmelzstrahlenquerschnitt weiter zu reduzieren und/oder aufzuheizen. Es werden dabei in der Regel höhere Frequenzen als in der Düse benutzt (200 bis 1000 kHz). Zusätzlich wirkt ein elektromagnetisches Feld stabilisierend auf eine fallende Metallschmelze und erhöht dadurch die Abreißlänge. Zusätzlich zur stabilisierenden Wirkung läßt sich mit einom DC- oder Permanentmagnetfeld auch eine Beruhigung des Schmelzstrahls erreichen. Die Erhöhung der Abreißlänge ermöglicht, schneller und dünner zu gießen. Die Beruhigung des Schmelzstrahls erhöht die Oberflächenqualität des Halbzeugs.A second induction coil according to claim 9 can be used to further reduce and / or heat up the melt beam cross section. As a rule, higher frequencies are used than in the nozzle (200 to 1000 kHz). In addition, an electromagnetic field has a stabilizing effect on a falling metal melt and thereby increases the tear-off length. In addition to the stabilizing effect the melt jet can be calmed down with a DC or permanent magnetic field. Increasing the tear-off length allows casting faster and thinner. The calming of the melt jet increases the surface quality of the semi-finished product.

Die Ausführung gemäß Anspruch 10 bewirkt, daß der sonst beim Ein-Walzen-Verfahren auftretende Schmelz-"puddle" unterdrückt wird und das entstehende Halbzeug gleichmäßigere Querschnittsabmessungen aufweist.The embodiment according to claim 10 has the effect that the melting "puddle" that otherwise occurs in the single-roll process is suppressed and the semi-finished product that is produced has more uniform cross-sectional dimensions.

Die Ausführung gemäß Anspruch 11 ermöglicht, Kräfte in Laufrichtung der kühlenden Unterlage in der flüssigen Schmelze zu erzeugen.The embodiment according to claim 11 makes it possible to generate forces in the running direction of the cooling base in the liquid melt.

Die Ausführung gemäß Anspruch 12 ermöglicht, die Gießgeschwindigkeit und Halbzeugabmessung während des Gießvorgangs definiert zu verändern.The embodiment according to claim 12 makes it possible to change the casting speed and semifinished product dimensions during the casting process in a defined manner.

Die Ausführung gemäß Anspruch 13 stellt sicher, daß die Schmelze aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit des Kupfers oder der Kupferbasislegierung während der Kontaktzeit mit der Kokille ausreichend durcherstarrt.The embodiment according to claim 13 ensures that the melt solidifies sufficiently due to the high thermal conductivity of the copper or the copper-based alloy during the contact time with the mold.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.The invention is explained in more detail with reference to the drawing.

  • Fig. 1 zeigt den bereits erwähnten Anschluß einer Kurzschlußbrücke,1 shows the connection of a short-circuit bridge already mentioned,
  • Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht der Gießvorrichtung,2 shows a side view of the casting device,
  • Fig. 3 einen Teilquerschnitt der Gießscheibe,3 shows a partial cross section of the casting disc,
  • Fig. 4 eine Seitenansicht der Gießscheibe mit dauermagnetischer Strahlablenkung undFig. 4 is a side view of the casting disc with permanent magnetic beam deflection and
  • Fig. 5 zeigt den Querschnitt einer anderen dauermagnetischen Strahlablenkung.Fig. 5 shows the cross section of another permanent magnetic beam deflection.
  • Fig. 6 zeigt eine andere Ausführung einer Gießvorrichtung in Seitenansicht.Fig. 6 shows another embodiment of a casting device in side view.
  • Fig. 7 zeigt eine elektromagnetische Düse zum Abschmelzen eines Schmelzstrahls von einem Vormaterialstab.Fig. 7 shows an electromagnetic nozzle for melting a melt jet from a raw material rod.
  • Fig. 8 zeigt eine elektromagnetische Düsenanordnung mit permanentmagnetischer Beruhigung des Strahls in teilweise geschnittener Ansicht.8 shows an electromagnetic nozzle arrangement with permanent magnetic calming of the beam in a partially sectioned view.

Bei der Drahtgießvorrichtung gemäß Fig. 2 wird zunderfreies, überdrehtes Vormaterial in Form eines Abschmelzstabes 1 von 50 bis 100 0 mm und mehreren Metern Länge vertikal einer Induktionsspule 2 mit geregelter Geschwindigkeit zugeführt und abgeschmolzen. Die regelbare Frequenz und die davon unabhängig ebenfalls regelbare Leistung des HF-Generators ermöglichen, die Aufschmelzmenge schnell zu regeln und die über den sich ausbildenden Abschmelzkegel abfließende Schmelze gegen das Vormaterial zu drücken und am unteren Ende zu einem dünnen, flüssigen Strahl 3 ohne Tropfenbildung zu formen. Der durch die Schwerkraft beschleunigt nach unten abfließende Strahl schnürt sich ein und trifft, bevor er in Tropfen abreißt, auf das Gießprofil 4 der Gießscheibe 5. Eine Drehung des Abschmelzstabes um seine Längsachse erhöht die Gleichmäßigkeit des Abfließens.2, scale-free, overturned primary material in the form of a melting rod 1 of 50 to 100 mm and several meters in length is fed vertically to an induction coil 2 at a controlled speed and melted. The controllable frequency and the independently adjustable power of the HF generator make it possible to regulate the melting rate quickly and to press the melt flowing out via the melting cone that forms against the primary material and to form a thin, liquid jet 3 at the lower end without droplet formation . The jet flowing downward, accelerated by gravity, constricts and hits the casting profile 4 of the casting disc 5 before it tears off in drops. Rotation of the melting rod about its longitudinal axis increases the uniformity of the flow.

Bei 10 cm Abstand des Auftreffpunktes vom Ausgangspunkt des Gießstrahls beträgt die Geschwindigkeit rd. 1,4 m/s. Dies ist auch die erforderliche Mindestgeschwindigkeit der gekühlten Gießscheibe, die hierfür rd. 1 Umdrehungs/s ausführen muß, wenn ihr Durchmesser beispielsweise 500 mm 0 beträgt. Unter dem Einfluß der Grenzflächenspannung und der spontan beginnenden Erstarrung bildet sich im Gießprofil ein nahezu kreisförmiges Profil des erstarrten Drahtes aus, wie es Fig. 3 schematisch darstellt.At a distance of 10 cm from the point of impact from the starting point of the pouring jet, the speed is approx. 1.4 m / s. This is also the required minimum speed of the cooled casting disc, which is approx. 1 revolution / s, if its diameter is 500 mm 0, for example. Under the influence of the interfacial tension and the spontaneously starting solidification, an almost circular profile of the solidified wire forms in the casting profile, as shown schematically in FIG. 3.

Wird die Abschmelzgeschwindigkeit auf 30 kg/h eingestellt, beträgt der mittlere Durchmesser rd. 1 mm, und es werden rd. 5000 m/h Draht produziert.If the melting rate is set to 30 kg / h, the average diameter is approx. 1 mm, and approx. 5000 m / h wire produced.

Reicht bei dickeren Drahtquerschnitten die Verweildauer im Gießhohl, die im Beispiel bei einer senkrechten Abförderung des Drahtes nach unten rd. 0,2 s beträgt, nicht aus, eine hinlängliche Abkühlung des Drahtes zu ermöglichen, läßt sich durch geeignete Anordnung von Treibrollen eine Vergrößerung des Umschlingungswinkels erreichen.If the wire cross-sections are thicker, the dwell time in the casting cavity is sufficient, which in the example is approx. Is 0.2 s, not enough to allow sufficient cooling of the wire, a suitable arrangement of drive rollers can increase the wrap angle.

Der Kurzschlußring 10 oberhalb der Induktionsspule 2 führt in seiner Umgebung zu einer Schwächung des Magnetfeldes und zu einem horizontalen Feldverlauf. Dies bewirkt eine verstärkte magnetische Tragkraft, welche den Schmelzstrahl 3 stabilisiert.The short-circuit ring 10 above the induction coil 2 leads to a weakening of the magnetic field in its surroundings and to a horizontal field course. This results in an increased magnetic load capacity, which stabilizes the melt jet 3.

Innerhalb des unmagnetischen Mantels der Gießscheibe 5 ist gemaß Fig. 4 ein Rad 6 angeordnet, das mit radial magnetisierten Permanentmagneten 7 (z.B. AINiCo, SmCo, NdFeB) besetzt ist. Das Magnetfeld der Permanentmagneten 7 durchdringt den Mantel der Gießscheibe 5 und kann auf die Schmelze einwirken. Das innere Rad 6 läuft vorzugsweise gleichschnell oder schneller als die Gießscheibe 5. Der Schmelzstrahl 3 wird dann bereits vor dem Erreichen der Gießscheibe 5 durch die Kraftwirkung des ihm gegenüber bewegten Magnetfeldes horizontal beschleunigt. Dadurch wird die Schmelze beim Ablegen des Schmelzfadens stabilisiert, und es wird eine höhere Gießgeschwindigkeit erreicht.According to FIG. 4, a wheel 6 is arranged within the non-magnetic shell of the casting disc 5, which wheel is equipped with radially magnetized permanent magnets 7 (e.g. AINiCo, SmCo, NdFeB). The magnetic field of the permanent magnets 7 penetrates the jacket of the casting disc 5 and can act on the melt. The inner wheel 6 preferably runs at the same speed or faster than the casting disc 5. The melt jet 3 is then accelerated horizontally before the casting disc 5 is reached by the force of the magnetic field moving relative to it. As a result, the melt is stabilized when the filament is deposited, and a higher casting speed is achieved.

Zur Verlängerung der Kontaktzeit der Schmelze mit der Gießscheibe kann der Schmelzfaden auch unterhalb der höchsten Stelle 8 der Gießscheibe 5 abgelegt werden. Das mitlaufende Magnetfeld kann auch außerhalb der Gießscheibe 5 erzeugt werden (Fig. 5), z.B. durch zwei magnetbesetzte Räder 6 zu beiden Seiten der Gießscheibe 5.To extend the contact time of the melt with the casting disc, the melting thread can also be deposited below the highest point 8 of the casting disc 5. The moving magnetic field can also be generated outside the casting disc 5 (Fig. 5), e.g. by two magnet-loaded wheels 6 on both sides of the casting disc 5.

Ein Ausführungsbeispiel für die Herstellung von Draht mit 3 mm Durchmesser aus dem Werkstoff St 60 zeigt Fig. 6. Die 1 m lange Elektrode 1 mit einem Durchmesser von 50 mm wird für den kontinuierlichen Betrieb mit einer Schraubverbindung 11 aufeinandergereiht.An exemplary embodiment for the production of wire with a 3 mm diameter from the material St 60 is shown in FIG. 6. The 1 m long electrode 1 with a diameter of 50 mm is lined up with a screw connection 11 for continuous operation.

Die Vorschubrollen 12 führen die Vormaterialstäbe mit der Geschwindigkeit 1,25 mm/s auf die Induktionsspule 2 zu. Der entstehende Schmelzstrahl 3 mit ca. 3,2 mm Durchmesser wird ca. 30 mm unterhalb der Induktionsspule 2 mit einer Geschwindigkeit von ca. 0,31 m/s auf der Gießscheibe 5 abgelegt. Durch den Abstreifer 13 wird der Draht 14 von der Gießscheibe 5 abgehoben und nach dem Ausführen aus der Einhausung 15 zu einer Spule 16 aufgehaspelt. Die Umfangsgeschwindigkeit der Kühlwalze beträgt 0,35 m/s. Der entstehende Draht 14 hat einen Durchmesser von 3 mm. Die Vergießzeit für einen Abschmelzstab 1 von ca. 15 kg beträgt ca. 13 min. Daraus ergeben sich ca. 280 m Draht. Die Gießleistung beträgt damit ca. 1,2 kg/min, die elektrische Leistungsaufnahme für das Gesamtsystem ca. 80 kW.The feed rollers 12 feed the raw material rods to the induction coil 2 at a speed of 1.25 mm / s. The resulting melt jet 3 with a diameter of approximately 3.2 mm is deposited on the casting disc 5 approximately 30 mm below the induction coil 2 at a speed of approximately 0.31 m / s. The wire 14 is lifted off the casting disc 5 by the stripper 13 and, after being carried out from the housing 15, is wound up into a coil 16. The peripheral speed of the chill roll is 0.35 m / s. The resulting wire 14 has a diameter of 3 mm. The casting time for a melting rod 1 of approx. 15 kg is approx. 13 min. This results in approx. 280 m of wire. The casting output is approx. 1.2 kg / min, the electrical power consumption for the entire system is approx. 80 kW.

Die elektromagnetische Düse ist in Fig. 7 gezeigt. Sie besteht aus zwei Spulen 2 (wassergekühltes Kupferprofil 8 x 16 mm2), die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die Innendurchmesser der Spulen 2 betragen 38 und 60 mm. Die kleinere Spule 2 ist um 10 mm nach unten versetzt. Die Leerlaufinduktivität beträgt 0,27 uH. Die Düse ist Bestandteil eines Schwingkreises mit einer Kapazität von 10,200 uF. Die Leerlauffrequenz liegt bei 96 kHz. Die Düse wird mit einer Spannung von 450 V betrieben. Die Frequenz im Schwingkreis steigt im Betrieb durch die Feldverdrängung des Abschmelzstabes 1 und des Schmelzstrahls 3 auf 100 kHz (I = 1880 A), was einer Arbeitsinduktivität von 0,25 /1.H entspricht. Der entstehende Schmelzstrahl 3 hat eine geschlossene Länge von ca. 40 mm und einen kleinsten Durchmesser von ca. 3 mm. Die Gesamtleistungsaufnahme des Schwingkreises beträgt 77 kW. Dabei entfallen auf das Vormaterial und die Schmelze 28 kW Heizleistung.The electromagnetic nozzle is shown in FIG. 7. It consists of two coils 2 (water-cooled copper profile 8 x 16 mm 2 ), which are electrically connected in series. The inner diameters of the coils 2 are 38 and 60 mm. The smaller coil 2 is offset by 10 mm downwards. The idle inductance is 0.27 uH. The nozzle is part of an oscillating circuit with a capacity of 10,200 uF. The idle frequency is 96 kHz. The nozzle is operated with a voltage of 450 V. During operation, the frequency in the resonant circuit rises to 100 kHz (I = 1880 A) due to the field displacement of the melting rod 1 and the melting jet 3, which corresponds to a working inductance of 0.25 / 1.H. The resulting melt jet 3 has a closed length of approximately 40 mm and a smallest diameter of approximately 3 mm. The total power consumption of the resonant circuit is 77 kW. The primary material and the melt account for 28 kW of heating power.

Eine Düse mit permanentmagnetischer Beruhigung zeigt Fig. 8. Der Abschmelzstab 1 wird auf die Induktionsspule 2 aus einem wassergekühlten Kupferprofil zugefahren. Der entstehende Schmelzstrahl 3 wird durch ein von Permanentmagneten 17 (Werkstoffe AINiCo oder SmCo oder NdFeB) erzeugten Magnetfeld von ca. 1 T stabilisiert. Die Permanentmagnete 17 befinden sich jeweils in einem wassergekühlten Kupfergehäuse 18, welches elektrisch gegenüber der Induktionsspule 2 isoliert ist. Die Wandstärke ist größer als die zweifache Eindringtiefe des in der elektromagnetischen Düse erzeugten Wechselfeldes. Feuerfestmaterial 19 verhindert einen zu großen Wärmeverlust des Schmelzstrahls 3.A nozzle with permanent magnetic calming is shown in FIG. 8. The melting rod 1 is moved towards the induction coil 2 from a water-cooled copper profile. The resulting melt jet 3 is stabilized by a magnetic field of approximately 1 T generated by permanent magnets 17 (materials AINiCo or SmCo or NdFeB). The permanent magnets 17 are each located in a water-cooled copper housing 18, which is electrically insulated from the induction coil 2. The wall thickness is greater than twice the penetration depth of the alternating field generated in the electromagnetic nozzle. Refractory material 19 prevents excessive heat loss from the melt jet 3.

Claims (13)

1. Verfahren zum direkten Gießen von Draht aus metallischen Werkstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch ein elektromagnetisches Feld eingeformter Schmelzenstrahl im freien Fall auf eine profilierte Gießscheibe herabfließt und auf ihr unter dem Einfluß der Grenzflächenspannung zu einem Draht erstarrt.1. A method for the direct casting of wire from metallic materials, characterized in that a melt jet formed by an electromagnetic field flows down in free fall onto a profiled casting disc and solidifies on it under the influence of the interfacial tension to form a wire. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzenstrahl durch induktives oder konduktives, Elektronenstrahl- oder Laserstrahl-Abschmelzen eines im Durchmesser gegenüber dem des Schmelzenstrahls größeren Stabes gebildet wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the melt beam is formed by inductive or conductive, electron beam or laser beam melting of a rod larger in diameter than that of the melt beam. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzenstrahl auf einem mittleren Durchmesser des erstarrten Drahtes von 0,1 bis 3 mm eingeformt wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the melt jet is formed on an average diameter of the solidified wire of 0.1 to 3 mm. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzenstrahl auf einen Durchmesser im Verhältnis von weniger als 1 : 100 zum Durchmesser des Stabes eingeformt wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the melt jet is molded to a diameter in a ratio of less than 1: 100 to the diameter of the rod. 5. Vorrichtung zum direkten Gießen von Draht aus metallischen Werkstoffen mit einem Gießrad, welches mindestens eine dem Durchmesser des Drahtes angepaßte Umfangsnut aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des Gießrades (5) eine ein trichterförmiges elektromagnetisches Feld erzeugende Induktionsspulenanordnung aus einer oder mehreren Spulenschleifen (2) angeordnet ist.5. Device for the direct casting of wire from metallic materials with a casting wheel, which has at least one circumferential groove adapted to the diameter of the wire, characterized in that above the casting wheel (5) an induction coil arrangement generating a funnel-shaped electromagnetic field from one or more coil loops (2 ) is arranged. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Flankenwinkel der Induktionsspulenanordnung 10 bis 30 ° beträgt.6. The device according to claim 5, characterized in that the flank angle of the induction coil arrangement is 10 to 30 °. 7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb und/oder unterhalb der Induktionsspulenanordnung ein gegenüber ihr verschiebbarer Kurzschlußring (10) angeordnet ist.7. The device according to claim 5 or 6, characterized in that above and / or below the induction coil arrangement a short circuit ring (10) which is displaceable relative to it is arranged. 8. Vorrichtung nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Induktionsspulenanordnung und dem Schmelzstrahl eine Abschirmung (19) aus Feuerfestmaterial oder wassergekühlten Kupferelementen als Schutz gegen Wärmestrahlung und Spritzern angeordnet ist.8. Apparatus according to claim 5, 6 or 7, characterized in that a shield (19) made of refractory material or water-cooled copper elements is arranged between the induction coil arrangement and the melt jet as protection against heat radiation and splashes. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb der Induktionsspulenanordnung eine ein Gleichstrom- oder Dauermagnetfeld erzeugende Induktionsspule angeordnet ist.9. Device according to one of claims 5 to 8, characterized in that an induction coil generating a direct current or permanent magnetic field is arranged below the induction coil arrangement. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangsgeschwindigkeit des Gießrades gleich oder bis zu 20 % größer ist als die Fallgeschwindigkeit des Schmelzstrahls beim Auftreffen auf das Gießrad.10. Device according to one of claims 5 to 9, characterized in that the peripheral speed of the casting wheel is equal to or up to 20% greater than the falling speed of the melt jet when it hits the casting wheel. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des Gießrades eine mit ihm umlaufende Dauermagnetanordnung vorgesehen ist, welche eine Öffnung für den Schmelzstrahl bildet und ihn in Umfangsrichtung des Gießrades ablenkt.11. Device according to one of claims 5 to 10, characterized in that above the casting wheel a circumferential permanent magnet arrangement is provided with it, which forms an opening for the melt jet and deflects it in the circumferential direction of the casting wheel. 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Induktionsspulenanordnung zum Gießrad verstellbar ist.12. Device according to one of claims 5 to 11, characterized in that the distance of the induction coil arrangement to the casting wheel is adjustable. 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der Außenmantel des Gießrades aus Kupfer oder einer Kupferbasislegierung besteht.13. Device according to one of claims 5 to 12, characterized in that at least the outer casing of the casting wheel consists of copper or a copper-based alloy.
EP19920119100 1991-12-04 1992-11-07 Process and apparatus for wire casting Withdrawn EP0545097A3 (en)

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DE4139967 1991-12-04
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