NO139253B - Framgangsmaate og anordning for strengstoeping av traader - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en framgangsmåte av den art som er angitt

i innledningen til patentkrav 1, for strengstøping av tråder,

samt en anordning for gjennomføring av denne framgangsmåte.

Det er kjent framgangsmåter for framstilling av tråd direkte fra smeltet metall og anordninger for utførelse av samme, av hvilke de fleste beskjeftiger seg med metalltråd og er utstyrt med et eller annet slags utløp for metallet for regulering av trådens tykkelse. Typisk for slike kjente framgangsmåter er den som beskrives i US-patentskrift nr. 2.285.108, hvor det smeltede materialet (metall-) formes som tråd gjennom et munnstykke, slik at der dannes en fri strøm som litt etter litt stivner til tråd på en varmeavledende, roterende skive: Produksjonens størrelse bestemmes av smeltens utgangshastighet fra munnstykket,hvil ken hastighet stort sett må være lik skivens rotasjonshastighet.

Denne teknikk har den ulempen at prosessen er vanskelig å regu-lere og at det er vanskelig å holde smeiten rennende i munnstykket. Munnstykkene må framstilles av et spesielt materiale dersom smeiten har høyt smeltepunkt, og munnstykkene har tilbøyelighet til å erodere eller stoppes til. En fordelaktig løsning av dette problem er vist av DOS- 2 . 225 .684 hvor en varmeavledende skive former en tråd ved at denne stivner på skivens omkrets, mens denne roterer i kontakt med overflaten av der smeltede materialet. Herved formes en tråd uten at. munnstykket behøver anvendes. Denne metode er imidlertid avhengig av at det brukes en traugliknende kilde med smeltet materiale, hvilken kilde krever

store mengder smeltet materiale , mens den varme som fordres for å smelte en del av en -massiv stang er avhengig av det endelige produktet. Det faktum at man må arbeide med en stor mengde smeltet materiale skaper mange problemer, først og fremst den nødvendige energien for å smelte materialet. For det andre utsettes smeiten for. ytterluftens innvirkning og uten å isolere smeiten fra

omgivelsene er. det vanskelig å bibeholde en konstant kjemisk sammensetning i smeiten p.g.a. oksydasjon i overflaten eller

■tap av flyktige materialer fra denne.

Hovedformålet med oppfinnelsen er å anvise en framgangsmåte og en anordning for direkte framstilling av tråd fra en kilde av smeltet materiale, hvor de oksydasjonsproblemer som finnes ved kjente framgangsmåter er unngått.

Ifølge oppfinnelsen kan dette oppnås ved å gå fram som angitt i den karakteriserende del av patentkrav 1.

Ytterligere fordelaktige trekk ved oppfinnelsen er angitt i underkravene 2-5.

Oppfinnelsen omfatter også en anordning i samsvar med patentkrav 6, for gjennomføring av denne framgangsmåten.

Ifølge oppfinnelsen kan det framstilles såvel kontinuerlig _ tråd som. fibre av ønsket lengde.

: •' En utførelsesmåte og-form for oppfinnelsen er beskrevet nedenfor under henvisning til tegningene, der fig. 1 viser en roterende, varmeabsorberende skive, som former en tråd fra en dråpe smeltet materiale som henger ned fra et stnngliknende emne, fig. 2 et sideriss av fig. 1, fig. 3 et forstørret aksial-snitt gjennom en del av fig. 1, fig. 4 et forstørret snitt gjennom innmatningsstedet, ved hvilket den hengende dråpen kommer ut fra en åpning i smeltedigelen, og fig. 5 viser et sideriss åv en kjent anordning av en roterende skive for produksjon av tråd av en viss lengde.

En roterende og varmeabsorberende skive 30 har V-formet omkrets 32 med skråkanter 31, som slutter seg til sidene. Skiven roterer

i retning av pilen i fig. 1 og er i kontakt med en smeltet dråpe

51 fra en materialstang 20, som på en eller annen måte smeltes

i enden 50 nærmest skiven 30. Overflatespenningen i delen 51 er overraskende nok tilstrekkelig til å bibeholde stabiliteten i smeiten, selv når skiveggen 32 trenger inn og skjærer ut en jevn strøm av trådform. For tydelighets skyld kalles det fra stangen kommende smeltete materiale for "dråpe" uansett dens geometriske form i forhold til materialstangen <p>g dens evt. på-virkning av tyngdekreften. Den uttrengende dråpen er upåvirket av midler for å bibringe den en bestemt form eller for å rette den inn mot de skjærende krefter som frambringes når skiven passerer gjennom dråpen. Den kan dog understøttes for å motvirke

tyngdekraftens innvirkning ved at emnet smeltes ved lokal opphetning i et kar med et hull i bunnen, gjennom hvilket dråpen trenger ut. Når skivens 30 egg 32 passerer gjennom dråpen 51. stivner en del 10' av denne og legger seg igjen på eggen. Skivens fortsatte rotasjon trekker denne stivnede del bort fra dråpen, slik at det kontinuerlig dannes nye partier 10', som ligger igjen på eggen, inntil de fraskilles i punktet 12 i form av en tråd 10, som kan samles opp.

Fig. 4 viser en annen utførelsesform, der den hengende dråpen ikke tilveiebringes ved lokal opphetning av en stang, idet dråpen her trenger ut av et hull 40 i et smeltekar 22. Dråpen bør ikke være sfærisk, men hfcller formes av. et avlangt hull i karet, slik at en stor del av eggen 32 passerer gjennom den.

Skiven 30 i fig. 5 er i eggen forsynt med halvsirkelformet fordypninger 33, som deler av tråden 10 i bestemte lengder 11 svarende til avstanden mellom fordypningene. Det er overraskende hvor lite disse fordypninger i eggen påvirker dråpens stabilitet. For de fleste utførelsesformene for oppfinnelsen synes det effektivt hvis eggen 32 trenger inn i dråpen mindre enn ca. 0.25mm. Ved høy skiveomdreiningshastighet, foretrekkes en fiberlengde

av mellom ca. 4.5 og 6 mm og en diameter av 0.025 og 0.25 mm, hvilket oppnås ved en lineær egghastighet av 1,5 til 18 m/sek. men disse grenser er selvsagt ikke absolutte. Utgangsmaterialet må ha spesielle egenskaper for å kunne formes til en tråd. Smeiten må således innenfor 25$omkring smeltepunktet kjenne-tegnes av: en overflatespenning mellom 10 og 2500 dyn/cm, en viskositet mellom 10 - 3 og 1 pois samt et noe sa ° nær som bestemt smeltepunkt (d.v.s. en distinkt temperatur i forhold til viskosi-tetskurven). Den foreliggende oppfinnelse har vist seg å kunne anvendes for de fleste metaller eller kjemiske preparater eller elementer som oppfyller de ovennevnte kriterier. Dessuten kan oppfinnelsen anvendes for metallegeringer, selvom de oppviser et stort temperaturområde mellom stivningen av en eller annen av komponentene i legeringen(flytetemperaturen) og den temperatur ved hvilken den komponent som har det laveste smeltepunkt stivner til fast materiale (stivningspunktet-) , for tydelighets; skyld sies at en sådan legering "smelter" bare ved en temperatur over smeltepunktet, selv om en del smeltet materiale kan

påvises ved en temperatur mellom denne og flytetemperaturen. Grunnet den begrensete kontakt mellom det smeltete materiale og atmosfæren <q>g lettheten med å tilveiebringe béskyttelsesgass for den fallende dråpen, kan oksydasjonsegenskapene hos mangé materialer og legeringer ikke begrense deres anvendelighet for oppfinnelsen. Materialer som er kjent for å kunne anvendes uten béskyttelsesgass, er framfor alt jern, aluminium, kobber, nikkel, tinn og sink. Hvis deter ønskelig å beskytte hele prosessen fra den omgivende atmosfæren, må hele apparatet innesluttes i et gasstett hylster, hvoretter prosessen kan gjennomføres i vakuum

.eller i en inert gass. Hvis emnematerialet har et merkbart damp-trykk, må gasstrykket i nevnte hylster reguleres for å redusere dampdannelsen i materialet. Et slikt hylster må også lette lokal opphetning av anordninger som ikke. kan anvendes i atmosfæren (d.v.s. elektronstråleoppvarming). Metaller, som kan fungere

som medier for å redusere oksydasjon er f.eks. krom, titan, niob, sirkonium, tantal, magnesium og molybden. De lokale opp-varmirigsairordningene for å tilveiebringe fallende dråper

er ikke spesielle for oppfinnelsen, og fagfolk har flere slike til sin rådighet. Eksempelvis kan en gassflamme anvendes for mange materialer og dersom det anvendes en acetylenrik flamme oppnås en beskyttelsesatmosfære omkring dråpen som

minsker oksydasjonen av det smeltede materialet. Dessuten kan det anvendes motstandsoppvarming, induksjonsoppvarming, élek- ,, tronstråleopphetning etc. Valget mellom disse bestemmes av det anvendte materialets smeltepunkt og oppvarmingstiden til smeltning. Hvis den tilførte varmen er for stor kan den fallende dråpen bli for stor for å holde seg i dråpeform. Er varmen util-strekkelig får den roterende skiven ikke tilstrekkelig materiale for å produsere en tråd av ønsket dimensjon.

I utførelsesform ifølge fig.. 4 kan anordningene for smeltingen være av kjent type. Noen anordninger for oppheting av materialet i åpningen kan behøves dersom utformingen av smeltekaret er slik at området omkring hullet har en lavere temperatur enn det øvrige karet.

Innenfor smeltens varmekapasitet kan trådutmatningen reguleres gjennom materialtilførselen til den roterende eggen. Ved begrens-ning av smeiten og økning av skivens hastighet oppnås en tråd med meget liten diameter. Ettersom trådens tverrsnitt normalt ikke er sirkulært, bestemmes trådtykkelsen etter dens effektive diameter, som defineres som diameteren i en sirkel med samme flateareal som den ikke-sirkulære tråden. Ifølge denne defini-sjon kan man produsere tråd med en effektiv diameter av 0.01-

0.76 mm. Ifølge oppfinnelsen kan det produseres både heltrukken tråd og tråd i bestemte lengder eller fibre. I fig. 5 er den roterende skiven forsynt med spor 33 med innbyrdes mellomrom som svarer til den ønskede fiberlengde. Sporenes form synes ikke å være avgjørende, og et halvsirkelformet spor, som er dypere enn trådtykkelsen, har vist seg å kunne gi en produksjon av fibre.

Skivens egg er spiss for å begrense kontakten med den fallende dråpen. Inngrepsarealet kan også begrenses ved at eggens tverrsnitt har form som en halvsirkel med en radius av høyst 12.5 mm. Det oppnås et dårligere produkt med hensyn til trådens dimensjoner hvis den roterende skivens kontakt med den fallende dråpen ikke begrenses, fordi produktet ikke blir mål-bestandig og utvikler større skjærkrefter på dråpen, hvilke krefter inn-virker skadelig på dråpens stabilitet. For å oppnå tråd med eksakte mål fordres nemlig at dråpen er så stabil som mulig.

Den stabilitet som søkes oppnådd ved oppfinnelsen er avhengig

av at skivens egg passerer gjennom dråpen ekstremt nær dens flate, fordi dette minsker ødeleggelsen av dråpens flate, som ved sin overflatespenning sørger for stabiliteten av dråpeformen. V-formene i figurene viser en foretrukket utførelsesform med en radius i spissen av fra 0.012 til 2.5 mm. Med en slik utformning av eggen oppnås tråd med konstante dimensjoner og et tverrsnitt av mindre enn ca. 2 mm 2.

Den roterende skivens diameter er ikke avgjørende for oppfinnel-sén, men man foretrekker en diameter mellom 25 og 750 mm. Det for skiven anvendte materialet er heller ikke avgjørende, men det må effektivt kunne avlede varme fra smeiten, slik at denne stivner på eggen, og det må enten ha høy egen-varmekapasitet eller god termisk ledningsevne for å kunne avlede varmen. Materialer hvor disse egenskaper er dårlige kan brukes dersom de utstyres med en eller annen form for indre kjøling. Ved oppfinnelsen anvendes vanligvis metallene kobber, aluminium, nikkel, molybden og jern. Det er ikke nødvendig med rent metall, idet det kan anvendes ikke-metaller, slik som f.eks. grafitt. Skiven kan også framstilles av en blanding av flere materialer for å kombinere deres egenskaper for. optimal varmeavledning. Den geometriske utformingen av anordningene, slik som vist på tegningene, er ikke bundet, men det må selvsagt tas hensyn til tyngdekraftens innvirkning på den smeltete dråpens form.

Når dråpen kommer i kontakt med skiven i den øvre halvdel av dennes omkrets, beæres den i en viss grad av eggen, og dråpens stabilitet i denne foretrukne utførelsesform er bedre enn i andre.

Mens uttrykket "hengende dråpe" er anvendt i denne beskrivelse

og passer godt for utførelsesformene med dråpen i den øvre halvpart av skiven, er det dog ikke utelukket av dråpen skulle kunne kalles avskilt. Hvis i fig. 1 dråpen skulle være plassert 180° fra den viste stillingen (d.v.s. stangen 20 vendt og i kontakt med skiven 30 på undersiden) skulle dråpen kunne kalles avskilt. Oppfinnelsen er anvendelig for begge disse alternativer. Den endelige størrelsen på tråden bestemmes av mengden smeltet materiale som fås på eggen av skiven, eggens form, når den trenger inn i dråpen, viskositeten i smeiten og den hastighet hvormed eggen passerer dråpen. Denne hastighet er mellom 0.9 og 30

m/sek.

Eksempel 1: En dråpe flytende tinn ble formet i enden på en massiv stang av tinn ved lokal opphetning med en propanflamme. Dråpen hengte igjen på stangen, som hadde en tverrsnittsflate av 15 x 8 mm og førtes for. hånd i kontakt med eggen på den roterende skiven. Denne var en vannkjølt kobberskive med 12 mm tykkelse og 200 mm diameter med en V-formet egg ..med 90° vinkel og

med en spissradius på ca. 0.12 mm. Ved kontakten mellom skiven

og dråpen ble det tildannet kontinuerlige tinnfibre, som auto-matisk løsnet fra eggen. Skiven roterte med en hastighet av

100 - 1500 r/min, svarende til lineære egg-hastigheter av ca.

1,2 18,2 m/sek. Trådens tverrsnitt minsket med økende hastighet på skiven.

Eksempel 2: Samme skive som i eksempel 1 ble drevet med en hastighet av 250 r/min eller ca. 3 m/sek. ved eggen, i kontakt med en dråpe av smeltet materiale i form av At203, som ble dannet ved lokal smeltning av en aluminiumstang med acetylen- og oksygengassflamme. Herved ble det produsert korte lengder av AI2O3-fibre, omtrent.25 mm lange.

Eksempel 3: Samme skive som i foregående eksempel ble drevet npd en hastighet av 1500 r/min (18.2 m/sek. ved eggen) i kontakt med en dråpe smeltet rustfritt stål med 18-20% Cr, .8-11% Ni,

maks. 2% Mn og maks. 0.08% C, alt vektprosent med resten Fe. Dråpen ble formet lokalt i enden av en ca. 5 mm stang med en acetylenrik flamme. Denne var intensivt acetylenrik for å tilveiebringe en oksygenfattig gass omkring dråpen, hvilket var den eneste beskyttelsesgassen. Det ble produsert fiberlengder

~ 6 2 overstigende 3 m lengde og et tverrsnitt av 200 x 10 mm og en effektiv diameter av 93 x 10 _3 mm. - ; Eksempel 4: Samme skive som i foregående eksempler ble drevet, med en hastighet av 500 1500 r/min. i kontakt med en dråpe av varmeresistent legering med 0.15% C, 1,5% Mn, 0,5% Si, 21%,Cr, 20%.Ni, 3% Co, 2,5% wolfram, l%Nb samt resten Fe. Dråpen ble dannet fra en massiv stang av legeringen ved lokal smeltning med en acetylenrik flamme av acetylen-oksygengass. Det ble tildannet fibre med en lengde av ca. 1 meter, med tverrsnitt av ca.1000 x

-5 -3

10 og effektiv diameter av ca. 110 x 10 ....

Eksempél 5:En kaldvalset varmeabsorberende skive av stål lik den

i foregående eksempler anvendes for fremstilling av rene krom-fibre. Skiven var vannkjølt og hadde en radius i eggen av 0.13 mm samt ble drevet med en hastighet av 200-1500 r/min. i kontakt med en dråpe av smeltet krom, som var tilveiebragt ved lokal oppheting av en stang av handelsren krom, med en acetylen-oksygen-flamme. Fibre av opptil meterlengder og effektiv diameter av ca. 75 x 10 mm og tverrsnitt av ca. 7500 x 10 mm ble oppnådd .

Eksempel 6: En kaldvalset varmeabsorberende skive med samme dimensjoner som i foregående eksempler ble brukt for produksjon av bestemte lengder av fibre. Skivens egg hadde en radius av 0.13 mm og var forsynt med fordypninger med ca. 0.025 mm dybde og innbyrdes avstand av ca. 6 mm rundt omkretsen og skulle således framstille fibre med denne lengde. Skivens egg.ble ført i kontakt med dråpen, som ble dannet ved lokal opphetning av materialstangen av rustfritt stål av samme legering som i eksempel 3 med en acetylen-oksygengassflamme. Skiven ble drevet med en hastighet av 200-1000r/min^ og det ble oppnådd fibre med

6 2

en lengde av ca. 5 m og tverrsnitt av ca- 3200 x 10 mm .

Eksempel 7: En skive av varmeledende kobber med dimensjoner ifølge eksempel 1-4 ble brukt for å forme, en tråd av handelsren titan. Tråden ble formet i et klokkeliknende vakuumsysten

-4 ved et trykk av ca. 10 mm Hg. En vertikal stang av titan med

ca. 6 mm diameter ble opphetet i sin nedre ende med en elektron-stråle, og densmeltede dråpen kom i kontakt med eggen på skiven, som roterte med en hastighet av 350 r/min. svarende til en egghastighet av ca. 4 m/sek., uten at man behøvde indre kjøling. Det ble oppnådd titanfibre med en lengde av opptil en meter og med et tverrsnitt av fra 3500 x 10~<6> til 750 x IO*"3 mm<2>. Eksempel 8: Samme system som i eksempel 7 ble brukt med to ulike skiver for å produsere kommersielt rene niobfibre, idet den ene skiven var av kobber og den. andre av molybden. Niob-stangen ble smeltet på samme måte som i:eksempel 7, og omtrent samme hastigheter ble brukt i to ulike forsøk. Med kobberskiven fikk;:man. fibre med et tverrsnitt åv 5000 x 10 mm , mens — 62 ttoiybdenskiven ga fibre med tverrsnitt lik 1250 x 10" mm . Begge skiver ga fibre med en lengde opptil ca. 300 mm.

Claims (6)

1. Framgangsmåte for strengstøping av trader av en smelte av metall, en metallegering eller en annen uorganisk forbindelse, hvis egenskaper i smeltet tilstand er lik egenskapene til en metallsmelte, hvor en kant til en sirkulær skive som roterer med en omkretshastighet på minst 0.9 m/s feires inn i smeiten slik at smeltemasse henger fast til omkretsflaten, karakterisert ved at det dannes en dråpe (51) av smeltet, flytende materiale, og at skivens (30) kant (32) føres gjennom denne dråpen.

2. Framgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at dråpen (51) dannes ved smelting av enden av en stav (20).

3. Framgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at dråpen (51) dannes ved en munningsåpning (40) som er forbundet med smeiten.

4. Framgangsmåte i samsvar med et av kravene 1-3, karakterisert ved at den roterende skiven (30) bringes dis-kontinuerlig i forbindelse med dråpen (51) for dannelse av korte tråder.

5. Framgangsmåte i samsvar med et av kravene 1-3, karakterisert ved at dråpen (51) bringes i berøring med et område ved de øverste 180° av skiven (30).

6. Anordning, for utførelse av framgangsmåten ifølge et av kravene 1-5, omfattende en sirkulær skive (30) som er forsynt med en kant (32) og som er innrettet til å føres inn i en smelte av metall, en metallegering eller en annen uorganisk forbindelse hvis egenskaper i smeltet tilstand er lik egenskapene til en metallsmelte, med en omkretshastighet på minst 0.9 m/s, karakterisert ved at den omfatter organer for frammating av en stav (20) i forhold til kanten (32) av skiven (30) og en varmekilde for smelting av staven (20) slik at det dannes en dråpe (51) i stavens ende.