IT8224847A1 - Crogiuolo per filatura allo stato fuso - Google Patents

Description

DESCRIZIONE DELL'INVENZIONE

Questa invenzione riguarda dei crogiuoli che sono impiegati nei dispositivi di filatura per fusione, e pi? particolarmente un crogiuolo migliorato costituito di nitruro di boro, che presenta un mantello protettore che elimina le correnti d?aria dall'area in cui il getto di materiale fuso incontra una superficie mobile di raffreddamento.

Dei dispositivi per ottenere un filamento continuo/raf freddando un getto di materiale fuso, portandolo a contatto con una superficie mobile di raffreddamento, sono ben conosciuti nell'arte? Tsuya and Arai descrivono degli esperimenti con tali apparecchiature nel Japan Journal of Applied Physics, Voi? 18, 207-208 (1979)? Il processo per ottenere questo filamento, detto processo di filatura per fusione, funziona sul principio che un getto liquido di materiale fuso solidificher? su una superficie mobile di raffreddamento per produrre un filamento continuo. Il materiale fuso si trova in una porzione del crogiuolo che funge da serbatoio, dove esso ? mantenuto ad una temperatura superiore al punto di fusione del materiale. Impiegando dei mezzi adatti per effettuare 1'espulsione del materiale fuso attraverso un ugello o orificio del crogiuolo, un getto di materiale fuso viene spinto sopra la superficie di un cilindro mobile di raffreddamento. Il getto di materiale fuso bagna la superficie di questo cilindro di raffreddamento, e forma un piccolo deposito di materiale. Questo deposito di materiale pu? solidificare su questa superficie di raffreddamento, producendo un filamento continuo, che pu? essere rimosso da questa superficie di raffreddamento.

Il processo di filatura per fusione ed il processo di stiro per fusione sono ambedue descritti nella parte introduttiva del brevetto U.S.A. 4.142.571 concesso a Narasimhan il 6 Marzo 1979. In questo brevetto si fa notare che "la chiave per ottenere dei buoni risultati nel processo di filatura per fusione ? di stabilizzare il getto liquido finch? esso solidifica". La stabilit? del getto ? influenzata da un gran numero di fattori tra cui la viscosit? del materiale fuso,che a sua volta dipende dalla sua temperatura. Come si legge alla colonna 5, linee 43- 47 del brevetto, le correnti d'aria create dalla superficie mobile di raffreddamento possono disturbare il getto di materiale fuso e/o il piccolo deposito che normalmente si forma nel punto in cui il getto fuso incontra la superficie mobile di raffreddamento. E' interessante che questi problemi vengano riconosciuti nel brevetto Narasimhan, anche se esso descrive un procedimento di "planar flov/ casting", in cui non c'? effettivamente una zona di percorso libero tra l'ugello ed la superficie mobile di raffreddamento?

Il crogiuolo di filatura per fusione secondo la presente invenzione, comprende una porzione serbatoio che contiene il materiale fuso e che presenta un orificio attraverso il quale il materiale viene espulso sopra una superficie mobile di raffreddamento, inoltre un mantello deviatore delle correnti d'aria formato attorno a detto orificio, per proteggere il getto fuso dalle correnti d'aria, nel tratto tra l'orificio del crogiuolo e la superficie mobile di raffreddamento. In una forma preferita dell' invenzione, la stabilit? del getto ? pure migliorata con uno stretto controllo della temperatura, ottenuto fabbricando il crogiuolo con nitruro di boro.

Pertanto un primo scopo della presente invenzione ? di fornire un crogiuolo di filatura per fusione/per ottenere un filamento continuo di materiale impiegando un'apparecchiatura di filatura per fusione, caratterizzato da un serbatoio per contenere il materiale fuso che presenta un orificio per depositare un getto fuso di materiale su una superficie di raffreddamento dell'apparecchiatura di filatura per fusione, e caratterizzata inoltre da un mantello deviatore delle correnti d'aria, che circonda l'orificio e che crea uno spazio chiuso, attraverso cui passa il getto fuso, tale mantello protettivo presentando un'apertura frontale, per permettere il pas saggio del filamento continuo che si forma?

Un secondo scopo della presente invenzione ? di fornire un'apparecchiatura di filatura per fusione,in cui un getto di materiale fuso viene fatto uscire dall'orificio di un crogiuolo, per venire in contatto con una superficie mobile di raffreddamento e per formare un filamento continuo, il miglioramento essendo caratterizzato da un crogiuolo fabbricato in nitruro di boro, per cui i gradienti di temperatura in detto materiale fuso sono resi minimi? La forma di esecuzione preferita della presente invenzione verr? ora descritta in via di esempio, con riferimento ai disegni allegati, in cui:

la figura 1 ? una vista semplificata di un'apparecchiatura di filatura per fusione, che comprende un crogiuolo secondo la presente invenzione, come apparirebbe durante il funzionamento; e

la figura 2 ? una vista in sezione di una parte dell'apparecchiatura della figura 1.

Con riferimento ora alla figura 1, verr? descritta un1apparecchiatura di filatura per fusione che comprende un crogiuolo migliorato 10 secondo la presente invenzione? Il crogiuolo 10 ? fabbricato con un materiale refrattario non conducibile del calore, come quarzo, ossido di alluminio, ossido di zirconio o ossido di titanio? In una forma preferita dell'invenzione, il crogiuolo 10 ? fabbricato in nitruro di boro, come descritto sotto pi? dettagliatamente. Una spirale di riscaldamento 12 ? disposta attorno al crogiuolo 10, per mantenere allo stato fuso il materiale contenuto nel crogiuolo. Tale spirale di riscaldamento 12 pu? essere o a induzione RF o a resistenza. Ambedue tali tecniche di riscaldamento sono ben conosciute. La parte superiore 14 del crogiuolo 10 ? munita di una chiusura a tenuta e di un tubo 16 per l'entrata del gas, che fornisce la forza per controllare il flusso del materiale fuso nel crogiuolo,attraverso un orificio che si trova nella sua parte inferiore. L'orificio (non rappresentato nella figura 1) ? disposto sopra una superficie rotante di raffreddamento che ha la forma di una ruota o di un rullo 18. Sono ben noti i dispositivi per far ruotare e per raffreddare la ruota 18. Uh modo per raffreddare la ruota 18 ? quello di dirigere una corrente di gas freddo sulla superficie della ruota 18f per esempio mediante un condotto 20. Per questa ed altre ragioni, il processo di filatura per fusione pu? avvenire in presenza del gas atmosferico.

Per questa ragione, un mantello 22 ? disposto attorno alla parte inferiore del crogiuolo 10 per proteggere il getto di materiale fuso 24 dalle correnti di gas. Le correnti di gas sono provocate soprattutto dal movimento della ruota 18 e sono quindi soprattutto presenti alla superficie della ruota, dove la stabilit? del getto 24 ? pi? critica. Un'apertura 26 ? creata da un lato del mantello 22, per permettere al filamento 28 di muoversi lungo la superficie della ruota 18 senza?toccare il mantello 22. Nelle figure, l'apertura 26 ? fortemente esagerata per scopi illustrativi* Come ? normale nei processi di filatura per fusione, il filamento 28 si separa dalla ruota 18, per esempio nel punto 30, per le forze centrifughe a cui ? sottoposto? ;Con riferimento alla figura 2, vengono descrit-?ti alcuni dettagli del crogiuolo 10 che ? rappresentato in sezione. Nella figura 2, si vede che il crogiuolo 10 presenta un serbatoio 32 in cui si trova il materiale fuso 34. Il materiale 34 pu? essere per esempio silicio fuso, che viene irrpiegato nell'ind?stria dei semiconduttori. La parte superiore 36 del serbatoio 32 viene riempita normalmente con un gas inerte, per esempio argo. La pressione del gas nella zona 36.viene controllata regolando la quantit? di gas che entra nel tubo 16 della figura 1, tale pressione controlla a sua volta la portata di materiale fuso che esce dall'orificio 38 che si trova nella parte inferiore del serbatoio 32. Per regolare la portata attraverso l'orificio 38, la pressione del gas viene normalmente mantenuta nel campo 0,5 - 2,0 pounds per pollice quadrato. Delle pressioni inferiori alla pressione atmosferica possono essere create nella parte superiore del serbatoio 32t per trattenere il materiale 34 nel serbatoio 32, mentre si stabiliscono le opportune condizioni del processo. Come rappre- ; sentato nella figura 2, il getto 24 tende a formare un piccolo deposito di materiale fuso 40, nel suo punto di contatto con la superficie mobile di raffreddamento 18. Presumibilmente, il materiale fuso solidifica in qualche misura prima che il filamento 28 esca dell1'apertura 26. La porzione solidificata ;28 ? indicata dal tratteggio trasversale. Si pu? comprendere che il mantello 22 dovrebbe essere essenzialmente a contatto con la superficie di raffreddamento 18, al fine di provvedere al massimo isolamento della zona 42 dalle correnti di gas. In pratica, un certo spazio deve essere previsto tra il bordo inferiore del mantello 22 e la superficie di raffreddamento 18. Noi stimiamo che la massima distanza ammissibile tra il mantello 22 e la superficie di raffreddamento 18, dovrebbe essere di circa 0,40 pollici. L'apertura frontale 26 viene dimensionata in modo da permettere che il filamento 28 esca dalla zona protetta 42 con una uguale dimensione di spazio libero. L'apertura 26 ? stata esagerata nei disegni a scopi illustrativi solamente. Pertanto, se il filamento 28 ? spesso 0,20 pollici, la dimensione dello spazio libero dovrebbe essere parimenti di 0,20 pollici. ;Il crogiuolo 10 viene normalmente costruito in materiale refrattario come quarzo, ossido di alluminio, ossido di zirconio, oppure ossido.di titanio oppure, in una forma idi esecuzione preferitayin nitruro di boro. L'impiego del nitruro di boro ? preferito in quanto esso presenta una maggiore conducibilit? termica dei materiali precedentemente usati per fabbricare crogiuoli. Questo crogiuolo preferito dovrebbe pertanto consentire una maggiore uniformit? di temperatura nella massa di materiale fuso e dovrebbe portare a minori difetti nel filamento, causati dai gradienti di temperatura. Per esempio, mantenendo una temperatura pi? uniforme nel materiale fuso, la viscosit? della massa fusa ? pi? facilmente controllata ed uniforme, e come risultato, la portata attraverso l'orificio 38 rimare r? pi? costante? ;Il crogiuolo 10 pu? essere fabbricato mediante la tecnica di stampaggio a caldo? Per alcuni materiali si richiede la sinterizzazione. Per la silice fusa, il crogiuolo dovrebbe essere fabbricato con la tecnica della soffiatura. Alcuni materiali che contengono dei leganti devono essere trattati a caldo ad elevate temperature,per rimuovere i leganti prima di impiegare il crogiuolo in un dispositivo di filatura per fusione? Si preferisce che la base del crogiuolo sia fabbricata in una forma piena, che successivamente viene lavorata per ottenere il mantello 22 e l'orificio 38. Questa lavorazione riguarda essenzialmente la foratura della zona protetta 42 e dell'orificio 38. Nella fase iniziale di lavorazione, si preferisce che il mantello 22 sia un po' pi? lungo? L'eccesso di lunghezza pu? in seguito essere eliminato quando ? stata determinata la distanza optimum tra l'orificio 38 e la superficie di raffreddamento 18. Lo spessore del mantello 22 non ? critico, ? sufficiente che abbia uno spessore tale da resistere alle sollecitazioni meccaniche. ;Le dimensioni effettive del crogiuolo 10, varieranno a seconda del tipo di materiale del crogiuolo ed a seconda della scala del processo in cui esso viene impiegato. Secondo un calcolo preliminare, un crogiuolo che serva per fondere un materiale termoelettrico pu? :avere le seguenti dimensioni. La lunghezza totale del crogiuolo, dall'estremit? inferiore del mantello 22 fino all'estremit? superiore -14, dovrebbe essere approssimativamente di 100 mra? Il diametro interno del serbatoio 36 dovrebbe essere di circa 6 mm mentre il diametro esterno dovrebbe essere di circa 12 mm. L'orificio 38 dovrebbe avere una lunghezza di circa 1 mra ed un diametro di circa 0,3 mm. La profondit? della cavit? 42 e quindi la lunghezza del mantello 22, dovrebbe essere di circa 2 interno ;mm. Il diametro/della cavit? 42 dovrebbe essere di circa 11 mm. ;La dimensione dello spazio libero al di sopra del filamento nella apertura frontale 26, dovrebbe essere uguale allo spessore del filamento 28, mentre la larghezza dell'apertura 26 dovrebbe essere di circa un millimetro maggiore dello spessore del

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI ;

   1 Crogiuolo per filatura allo stato fuso per ottenere un filamento continuo di materiale con un?apparecchiatura di filatura per fusione, che presenta un serbatoio per contenere il materiale fuso, il serbatoio avendo un?orificio per depositare un getto di materiale fuso su una superficie di raffreddamento dell?apparecchiatura di filatura per fusione, caratterizzato da: ;un mantello deviatore delle correnti di gas (22), che circonda l'orificio (38) e che crea uno spazio chiuso (42), attraverso cui passa il getto di materiale fuso, il mantello protettivo presentando un' apertura frontale (26) per permettere l'uscita del filamento continuo (28)? ;2? Crogiuolo?per filatura allo stato fuso secondo la rivendicazione 1, caratterizzato inoltre da mezzi di pressione per espellere il materiale fuso (34) contenuto nel serbatoio (32), in modo da controll are la portata del getto fuso (24) attraverso l'orificio (38). ;3. Crogiuolo per filatura allo stato fuso secondo una delle rivendicazioni 1 o 2, caratterizzato inoltre da mezzi di riscaldamento (12) per mantenere la temperatura della massa fusa (34) contenuta nel serbatoio (32), al di sopra del punto di fusione del materiale, e caratterizzata dal fatto che il crogiuolo (10) ? fabbricato in nitruro di boro. ;4. In un'apparecchiatura di filatura per fusione in cui un getto di materiale fuso viene fatto u--scire da un orificio di un crogiuolo e portato a contatto di una superficie mobile di raffreddamento per formare un filamento continuo, il miglioramento caratterizzato da un crogiuolo migliorato (10) fabbricato in nitruro di boro, col quale i gradienti di temperatura nel detto materiale fuso (34) sono resi minimi? ;5* Crogiuolo - secondo la rivendicazione 4, caratterizzato inoltre da un mantello deviatore delle correnti di gas (22), che circonda un orificio (38) del crogiuolo e che crea uno spazio chiuso (42) sostanzialmente libero da correnti, attraverso il quale spazio passa il getto di materiale fuso (24).

   6. In un'apparecchiatura di filatura allo stato fuso,in cui un getto di materiale fuso viene fatto uscire da un orificio del crogiuolo e portato a contatto di una superficie.mobile di raffreddamento per formare un filamento continuo, il miglioramento caratterizzato dall?impiego di nitruro di boro come materiale di cui ? costituito il crogiuolo (10), ci? che rende minimi i gradienti di temperatura nel materiale fuso (34)?