[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung
von Metallprodukten durch direktes Einwirken auf einen flüssigen Metallstrang mit
den Zentrifugalkräften eines rotierenden Induktionsfeldes, welche das flüssige Metall
innerhalb einer rotationssymmetrischen Begrenzungswand in rotierende Bewegung setzt.
Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Vorrichtung zum Ausüben dieses Verfahrens.
[0002] Aus der FR-Ps-2352612 ist es bekannt, Rohre dadurch herzustellen, dass flüssiges
Metall in einem induktiven Drehfeld in einer zylindrischen, gekühlten Kokille zu einem
Rohr geformt wird und anschliessend kontinuierlich aus dieser Kokille herausgezogen
wird. Bei diesem Verfahren wird das flüssige Metall in einem zylindrischen Gefäss
oder Rohrstutzen induktiv in Drehung gebracht, damit der Oberflächenminiskus sich
parabolförmig verformt. Der Aussenrand dieses Miniskus wird durch Abkühlung erstarrt
und die Rohrbildung erfolgt dadurch, dass das rohrförmige erstarrende Metall kontinuierlich
herausgezogen wird. Dieses Verfahren ist aber auf die Herstellung dickwandiger Rohre
begrenzt, da sonst die Rohre in der Erstarrungszone durch die Ziehkraft zerreissen
würden. Aus denselben Gründen kann die Rohrbildung nur verhältnismässig langsam erfolgen,
so dass die Verwendbarkeit oder zumindest die Wirtschaftlichkeit dieses Verfahrens
fragwürdig ist.
[0003] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen
mit welchem Metallprodukte insbesondere Rohre, Bleche, Bänder usw. beliebiger Wandstärke
kontinuierlich hergestellt werden können, und mit welchem wesentlich schneller gearbeitet
werden kann als mit bekannten Verfahren.
[0004] Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren vorgeschlagen welches die Merkmale
gemäss dem Hauptanspruch aufweist.
[0005] Die Vorrichtung zur Ausübung dieses Verfahrens weist die Merkmale gemäss Anspruch
6 auf.
[0006] Weitere Ausbildungen der Erfindung befinden sich in Unteransprüchen.
[0007] Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren, werden die Metallprodukte nicht durch das
Herausziehen des erstarrenden Metalls gebildet, sondern durch die Verfilmung des
Metalls entlang der trichterförmigen Leitfläche unter der Schleuderwirkung der Zentrifugalkräfte
eines wesentlich schneller drehenden Induktionsfeldes. Als besonders wichtig hat sich
nämlich herausgestellt die Induktionsfelder mit Frequenzen von über 65 Hz zu erzeugen.
Dabei können je nach der Frequenz des Drehfeldes und der Ausziehgeschwindigkeit Metallprodukte
beliebiger Wandstärke gebildet werden. Die Zerreissgefahr der erstarrenden Metallschicht
besteht bei dem erfindungsgemässen Verfahren nicht mehr, weil das flüssige Metall
kontinuierlich in dünnen schnell erstarrenden Metallfilmen an und/oder auf die bereits,
zumindest teilweise, erstarrte Metallschicht nachgeschleudert wird.
[0008] Im Gegensatz zu bekannten Verfahren, wo die Stärke des Miniskusrandes die Wandstärke
des erzeugten Rohres regelt, wird die Wandstärke der Metallprodukte nach dem vorliegenden
Verfahren durch die überlagernde Erstarrung dünner, schnell erstarrender Metallfilme
erzeugt.
[0009] Da das Verfahren nach der Erfindung sehr hohe Zentrifugalkräfte einsetzt, wenigstens
was das zu zentrifugierende Metall betrifft, so dass die Schwerkraft praktisch vernachlässigt
werden kann, kann die Vorrichtung sowohl horizontal als auch vertikal fallend oder
vertikal steigend eingesetzt werden, wobei allerdings die vertikal steigende Ausführung
die meisten Vorteile bietet.
[0010] Die Kombination der Erzeugung eines progressiv dünner werdenden rotierenden Films
entlang einer sich in einem Induktionsfeld befindlichen Leitfläche mit anschliessender
Kühlung dieses Metallfilms in Gegenwart einer Schlackenschicht und eines vorzugsweise
silika tischen oder metallischen Schmierfilms zwischen Metallfilm und Kokillenwand
führen zu einer hervorragenden Oberflächenbeschaffenheit der erzeugten Rohre mit
einem sehr hohen Reinheitsgrad und, dank der Schmierung, zu einem leichten Abziehen
der Rohre aus der Kokille. Ausserdem können nach Aufschlitzen der Rohre Bleche oder
Bänder erzeugt werden.
[0011] Es ist bereits vorgeschlagen worden, beim Stranggiessen oder beim mechanischen Zentrifugiergiessen
mit flüssigen Schlacken zu arbeiten, wobei das Metall durch die Schlacken gegossen
wird, beziehungsweise die Schlacken das Metallbad abdecken. Demgegenüber unterscheidet
sich das Verfahren dieser Erfindung dadurch, dass das Metall zwischen Reinigungsschlacke
und Leitfläche hochgeschleudert wird und so durch die Reibung zwischen drehendem
Metallfilm und in diesem Falle stationärem Schlackenbad zu einer hervorragenden Oberflächenbeschaffenheit
und einem sonst unerreichbaren Reinheitsgrad des erzeugten Produktes führt.
[0012] Es wurde ebenfalls bereits vorgeschlagen bei mechanischer Zentrifugation mit Metall-
oder Glasfilmen zwischen Kokillenwand und Strang zu schmieren. Auch in diesem Falle
besteht ein wesentlicher Unterschied zwischen mechanischer Zentrifugation und elektromagnetischer
Verfilmung, weil bei dem erfindungsgemässen Verfahren die Möglichkeit geschaffen wird,
die Schmiermittel zwischen Kokillwand und drehendem Metallfilm leicht einzu bringen
und zu verteilen, was bei einer mechanischen Zentrifugation nur mit grossem Aufwand
betrieben werden kann.
[0013] Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger Ausführungsbeispiele näher beschrieben.
Es zeigen :
Figur 1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemässen
Vorrichtung;
Figur 2 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform zur Erzeugung von Metallprodukten
grösseren Querschnitts;
Figur 3 eine schematische Ansicht einer Aus führungsform mit drehender Leitfläche;
Figur 4 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform mit fallendem Durchlauf des
flüssigen Metalls
Fig 4a und Fig 4b zwei verschiedene Ausführungsbeispiele zum Einspeisen des flüssigen
Metalls in die Leitfläche der Ausführungsform gemäss Figur 4 und
Figur 5 einen Querschnitt durch eine Kokille zur Erzeugung dünnwandiger Bleche oder
Bänder.
[0014] In dem Ausführungsbeispiel gemäss Figur 1 fliesst das flüssige Metall 8 aus einem
nicht aufgezeichneten Ofen oder Pfanne in einen Schenkel 12 eines kommunizierenden
Röhrensystems 10 dessen anderer Schenkel 14 in einen Induktorraum emporsteigt. Das
System 10 wird vorzugsweise mittels Widerständen 16 aufgeheizt. Die Einspeisung
des flüssigen Metalls in den Schenkel 12 wird vorzugsweise so durchgeführt dass das
Metall in dem entgegengesetzten Schenkel 14 permanent ein konstantes Niveau erreicht.
[0015] Etwas oberhalb des mit 20 bezeichneten Metallspiegels befindet sich eine trichterförmige
Leitfläche 22 dessen Halsstück 22a die Verlängerung des Schenkels 14 bildet. Um das
Halsstück 22a der Leitfläche 22 ist ein erster Induktor oder Induktorsatz 24 angeordnet
welcher mit einer Frequenz von etwa 75 Hz gespeist wird, während ein zweiter Induktor
oder Induktorsatz 26 um den divergierenden Teil der Leitfläche 22 angeordnet ist
und mit einer Frequenz von etwa 200 Hz gespeist wird. Der Metallspiegel wird im Halsstück
22a parabolisch verformt und anschliessend durch die Induktoren 26 entlang der Leitfläche
22 zu einem progressiv dünner werdenden kontinuierlichen kegelförmigen dünnen Film
28 zentrifugal geschleudert. Dieser Film 28 gelangt anschliessend an die zylindrische
oder leicht konische Innenwand einer wassergekühlten Kokille 30 in welcher der nun
zylindrisch verformte Metallfilm progressif abgekühlt wird und erstarrt und anschliessend
rohrförmig aus der Kokille unter Einwirkung weiterer Spritzdüsen 32 herausgezogen
wird.
[0016] Bei sehr dünnflüssigen Metallen beziehungsweise bei Metallen welche in einem breeien
Erstarrungsintervall erstarren ist es angebracht, die Steighöhe des Metalls in der
Kokille durch helikoïdale und eventuell drehbar angeordnete nach unten wirkende Induktoren
27 um die Längsachse der Kokille zu begrenzen. Diese Induktoren können mit niedrigeren
Frequenzen zum Beispiel 10 Hz betrieben werden falls die Kokille aus elektrisch leitfähigem
Metall besteht.
[0017] Gemäss einem bevorzugten Merkmal der Erfindung ist die Leitfläche 22 bis in das Gebiet
der Erstarrung in der Kokille 30 mit einer sehr dünnflüssigen, eventuell schäumigen,
Schlacke 34 gefüllt. Die Verfilmung des Metallfilms unter der Wirkung der zentrifugalen
Schleuderkraft erfolgt demgemäss zwischen dem Schlackenkegel und der Leitfläche 22.
[0018] Ein in einem eventuell beheizten Behälter 36 befindliches Schmiermittel fliesst über
eine Leitung 38 in eine am Oberrand der Leitfläche 22 vorgesehene Ringleitung 40.
Aus dieser Ringleitung 40 gelangt das Schmiermittel über einen kontinuierlichen Schlitz
oder durch eine Vielzahl von Öffnungen zwischen den Metallfilm und die Kokillenwand.
Die Leitfläche 22 ist zu diesem Zweck derart ausgelegt, dass ihre Verlängerung etwas
über dem unteren Rand der Kokille 30 in letztere einmündet, derart dass aufgrund der
Zentrifugation des Metallfilms ein leichter relativer Unterdruck entsteht, welcher
den Schmiermittelfilm, der gegebenenfalls einen Überdruck aufweisen kann, gut zwischen
Metallfilm und Kokillenwand verteilt. Das Schmiermittel kann ein bekanntes herkömmliches
organisches Schmiermittel sein. Es wird jedoch in den meisten Fällen vorgezogen aus
Qualitätsgründen der Oberfläche als Schmiermittel flüssige Schlacke wie zum Beispiel
Silikatschlacke (Glas) oder ein niedrig schmelzendes Metall, wie zum Beispiel Blei
zu benutzen.
[0019] Oberhalb der in Figur 1 gezeigten Vorrichtung befindet sich eine nicht abgebildete,
an sich bekannte Abziehvorrichtung um das erstarrte Rohr herauszuziehen.
[0020] Das Rohr kann ebenfalls vor der vollständigen Erstarrung vertikal oder spiralförmig
aufgeschlitzt werden und so als Band weiterverarbeitet werden.
[0021] Die in Figur 1 gezeigte Vorrichtung könnte ebenfalls unmittelbar aus einem Ofen oder
aus einer Pfanne gespeist werden in dem das mit den Induktoren versehene Halsstück
der Leitfläche nach unten verlängert wird um das Metallbad zu erreichen, welches durch
einen leichten Überdruck in das Halsstück hinaufgedrückt wird.
[0022] Es wäre ebenfalls möglich die gesamte Vorrichtung in eine leicht vertikale Oszillation
zu versetzen wie es in den meisten Stranggussanlagen üblich ist.
[0023] Die Vorrichtung gemäss Figur 2 arbeitet nach demselben Prinzip wie in Figur 1. Da
jedoch in dieser Anlage Rohre grösseren Querschnitts hergestellt werden und die Leitfläche
22 entsprechend grösser gestaltet ist, ist an dieser Leitfläche eine Mehrzahl stärkerer
Induktoren 42, 44, 46 vorgesehen. Die Induktoren 24 werden wie vorher mit 75 Hz betrieben,
wobei die Induktoren 42, 44, 46 ebenfalls mit 200 Hz betrieben werden können. In vielen
Fällen jedoch ist es angebracht, die Induktoren 42, 44, 46 progressiv schneller zu
betreiben, zum Beispiel mit 100, beziehungweise 200, beziehungsweise 400 Hz.
[0024] In diesem Ausführungsbeispiel ist der Oberteil der Leitfläche ausserdem auf der Höhe
der Induktoren 46 mit einem zylindrischen Zwischenstück versehen dessen Durchmesser
etwas kleiner ist als der Innendurchmesser der Kokille 30 um den Zugang des Schmiermittels
aus der Ringleitung 40 zwischen den Metallfilm und die Kokillenwand zu erleichtern.
[0025] In dem Ausführungsbeispiel gemäss Figur 3 ist die trichterförmige Leitfläche 52 drehbar
auf einem Kugellager 54 aufgehängt und mit einem nicht gezeigten Antrieb verbunden.
In dieser Ausführungsform kann die Leitfläche natürlich nicht fest mit dem Rohrschenkel
verbunden sein. Statt dessen ragt dieser Rohrschenkel durch die Halsöffnung in die
Leitfläche hinein und besitzt innerhalb der Leitfläche 52 eine trichter- oder trompetenförmige
Erweiterung 14a über welche das Metall auf die Innenwand der Leitfläche aufgeschleudert
wird. In dieser Ausführungsform muss allerdings auf den Schlackenkegel verzichtet
werden.
[0026] Die wassergekühlte Kokille der Figuren 1 und 2 ist in dem Ausführungbeispiel gemäss
Figur 3 durch eine an sich bekannte Wickelbandkokille 56 ersetzt worden. Es handelt
sich hier um ein endloses Metallband 58 welches einerseits spiralförmig um das erstarrende
Rohr aufgewickelt ist und andererseits über eine Umlenkrolle 60 geleitet wird und
kontinuierlich über das Rohr auf- und abgewickelt wird; dieses Band 58 wird mit Hilfe
einer Vorrichtung, zum Beispiel mit den Wasserdüsen 32, dauernd abgekühlt.
[0027] Die in Figur 4 dargestellte Anlage arbeitet fallend mit einer von oben nach unten
divergierenden trichterförmigen Leitfläche 62. Das flüssige Metall wird über eine
schräg und schief (siehe ebenfalls Figur 4a) gestellte Düse an die Innenwand des zylindrischen
Halsstücks 62a der Leitfläche 62 geleitet. Das flüssige Metall wird anschliessend
über die an der Aussenseite der Leitfläche 62 angeordneten Induktoren welche mit steigenden
Frequenzen beaufschlagt werden, zu einem immer dünner werdenden Film verformt um anschliessend
in der wassergekühlten Kokille 66 zu einem Rohr zu erstarren. Über die Ringleitung
68 wird ebenfalls wie vorher ein Schmiermittel eingespeist. In dieser Ausführung nach
Figur 4 muss notgedrungenerweise auf die Schlackenbehandlung verzichtet werden.
[0028] Anstatt das flüssige Metall über eine Düse 64 in den Trichterhals einzuspeisen, kann,
wie in Figur 4b dargestellt, das flüssige Metall in einem mit Induktoren 72 versehenen
Pfannenauslauf 70 vorgeschleudert und über einen trichterförmigen Ansatz 74 an den
zylinderförmigen Halsteil 62a der Leitfläche zentrifugiert werden.
[0029] Die in Figur 5 dargestellte Vorrichtung unterscheidet sich von den vorher beschriebenen
Vorrichtungen durch die Gestaltung der Kokille. Die im Querschnitt gezeigte Kokille
besteht aus einem zylinderförmigen oder leicht konischen Innenmantel 80 welcher vorzugsweise
aus Kupfer besteht und mit einem äusseren Blechmantel 82 aus rostfreiem Stahl eine
ringförmige Kammer 84 bildet. In dieser Kammer 84 wird über den Einlauf 86 und den
Auslauf 88 eine Kühlmittelzirkulation aufrechterhalten.
[0030] Die Kammer 84 ist jedoch entlang einem Kreissektor welcher in Figur 5 übertrieben
dargestellt ist und in Wirklichkeit grössenordnungsgemäss etwa 1 - 3° beträgt, unterbrochen.
Der Innenmantel 80 weist in diesem Sektor einen Zwischenteil 90 aus feuerfestem und
thermisch leitfähigem Material auf. An der Aussen seite dieses Zwischenteils 90 befindet
sich eine Wider stands- oder Induktionsheizung 92. Dieser geheizte Zwischenteil 90
führt dazu, dass das entlang dem Innenmantel 80 verfilmte Metall an dieser Stelle
nicht erstarrt, so dass das Rohr an dieser Stelle offen bleiben und mit Leichtigkeit
ein Band spannungsfrei aus der Kokille herausgezogen werden kann.
1. Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Metallprodukten durch direktes Einwirken
auf einen flüssigen Metallstrang mit den Zentrifugalkräften eines rotierenden Induktionsfeldes,
welche das flüssige Metall innerhalb einer rotationssymmetrischen Begrenzungswand
in rotierende Bewegung setzen, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrifugalkräfte dazu ausgenützt werden, das Metall in Form eines progressiv
dünner werdenden rotierenden Films entlang einer sich im Induktionsfeld befindlichen
divergierenden rotationssymmetrischen Leitfläche kegelförmig auszudehnen und dass
dieser kegelförmige Film anschliessend in einer Kokille rohrförmig abgekühlt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass die Induktoren mit einer Frequenz von mehr als 65 Hz betrieben werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass die Wandstärke der Metallprodukte durch die überlagernde Erstarrung dünner,
schnell erstarrender 20 Metallfilme geregelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfilmung des Metalls steigend ausgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfilmung des Metalls fallend ausgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfilmung des Metalls horizontal ausgeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die divergierende Leitfläche bis in das Gebiet der Erstarrung des Metallfilms
mit dünnflüssiger Schlacke gefüllt ist, wobei der rotierende Film sich um diese Schlacke
ausbreitet.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenfläche des Metallfilms im Gebiet der Erstarrung mit einem Schmiermittel
beaufschlagt wird.
9. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 - 8, bestehend
aus einer Zentrifugiervorrichtung mit elektromagnetischen Induktoren zur Drehung
des flüssigen Metalls, dadurch gekennzeichnet dass die Zentrifugiervorrichtung aus einer rotationssymmetrischen trichterförmigen
Leitfläche (22, 52, 62) besteht welche sich zwischen einer Zufuhrleitung von flüssigem
Metall und einer etwa zylindrischen Kokille (30, 56, 66) ausdehnt und an dessen Aussenfläche
der oder die Induktoren angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kokille (30, 66) aus einer ringförmigen wassergekühlten Kammer besteht.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine am Aussenrand der Leitfläche (22, 52, 62) vorgesehene Ringleitung (40, 68) zur
Einführung von Schmiermittel zwischen den Metallfilm und die Innenwand der Kokille.
12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie vertikal mit steigender Rohrbildung angeordnet ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie vertikal mit fallender Rohrbildung angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass entlang der trichterförmigen Leitfläche mehrere Induktoren zwischen dem Halsstück
und dem Aussenrand angeordnet sind und dass diese Induktoren mit gleicher Frequenz
oder mit dem Durchmesser der Leitfläche entsprechend steigenden Frequenzen betrieben
werden.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 - 14, gekennzeichnet durch in Durchlaufrichtung hinter der Kokille angeordnete Sprühdüsen (32).
16. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitfläche 52 drehbar um die Symmetrieachse angeordnet ist und dass die
Kokille aus einer gekühlten Wickelbandkokille 56 besteht.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 - 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kokille vertikal durch ein beheiztes Segment (90) unterbrochen ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 - 15, gekennzeichnet durch in der oder um die Kokille (30, 56, 66) angeordnete, die Fortbewegung des Metalls
bremsende, Induktoren.