DE3517691C2

DE3517691C2 - Method and device for producing a metallic block

Info

Publication number: DE3517691C2
Application number: DE3517691A
Authority: DE
Inventors: Herbert 4000 Düsseldorf Bungeroth; Otto 4100 Duisburg Wessel
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 1985-05-14
Filing date: 1985-05-14
Publication date: 1987-02-26
Also published as: DE3517691A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines metallischen Blockes, dessen Länge mindestens doppelt so groß ist wie seine charakteristische Querabmessung (z. B. Durchmesser oder Diagonale), durch Zerstäuben einer Metallschmelze mittels Druckgas und Auffangen der Zerstäubungspartikel auf einer Auffangfläche unter Bildung eines zusammenhängenden Agglomerates der Zerstäubungspartikel. Um der Aufgabe gerecht zu werden, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines metallischen Blockes durch Zerstäuben einer Metallschmelze mittels Druckgas und Auffangen der Zerstäubungspartikel auf einer Auffangfläche zu schaffen, wobei der Block sich als zusammenhängendes Agglomerat der Zerstäubungspartikel bildet und als Halbzeug ein derartiger Block beispielsweise zu Drähten, Rohren oder anderen Profilen weiterverarbeitet wird, wird vorgeschlagen, daß die Auftreffzone des Zerstäubungsstrahles der Metallschmelze zur schichtenweisen Bildung des Agglomerates während der Zerstäubung unter ständiger Rotation der Auffangfläche um eine Drehachse gleichmäßig über die Auffangfläche geführt wird, wobei die Drehachse in einem Winkel α, der größer als 90° und kleiner als 180° ist, gegenüber der Richtung des Zerstäubungsstrahles geneigt ist und durch eine ständige Abzugsbewegung des Agglomerates in Richtung der Drehachse die Entfernung zwischen Zerstäubungsdüse und Auftreffzone gesteuert wird.The invention relates to a method for producing a metallic block whose length is at least twice as large as its characteristic transverse dimension (e.g. diameter or diagonal), by atomizing a metal melt by means of compressed gas and collecting the atomizing particles on a collecting surface to form a coherent agglomerate of the atomizing particles. In order to meet the task of creating a method and a device for producing a metallic block by atomizing a metal melt by means of compressed gas and collecting the atomizing particles on a collecting surface, whereby the block forms as a coherent agglomerate of the atomizing particles and such a block is further processed as a semi-finished product, for example into wires, pipes or other profiles, it is proposed that the impact zone of the atomizing jet of the metal melt is guided evenly over the collecting surface for the layer-by-layer formation of the agglomerate during atomization with constant rotation of the collecting surface about an axis of rotation, whereby the axis of rotation is inclined at an angle α that is greater than 90° and less than 180° to the direction of the atomizing jet and the distance between the atomizing nozzle and the impact zone is controlled by a constant withdrawal movement of the agglomerate in the direction of the axis of rotation.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines metallischen Blockes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4.The invention relates to a method for producing a metallic block according to the preamble of patent claim 1, as well as a device for carrying out the method according to the preamble of patent claim 4.

Die Herstellung von Blöcken erfolgt üblicherweise durch Gießen in Kokillen und anschließendes Walzen oder auch durch Stranggießen. Als Halbzeug wird ein derartiger Block beispielsweise zu Drähten, Rohren oder anderen Profilen weiterverarbeitet.Blocks are usually manufactured by casting in molds and then rolling or by continuous casting. As a semi-finished product, such a block is further processed into wires, pipes or other profiles, for example.

Nach einem aus der DE-PS 22 52 139 bekannten Verfahren werden Formkörper, z. B. flache Scheiben für Schmiedeteile, erzeugt, indem eine Metallschmelze mittels Druckgas zerstäubt wird und die Zerstäubungspartikel in einer Form aufgefangen werden. Das Verfahren hat besondere Vorteile, weil Seigerungen und Gußgefüge in den hergestellten Vorformlingen vermieden werden und daher auch in dieser Hinsicht schwierige Legierungen zu Formteilen verarbeitet werden können. Meist ist mit dieser Vorgehensweise auch eine Verringerung der Zahl der Verformungsstufen bis zum Endprodukt im Vergleich zu einer konventionellen Herstellung verbunden. Es wurde auch bereits vorgeschlagen, durch Auffangen der Zerstäubungspartikel in einer zylindrischen Form Blöcke, z. B. für die Rohrherstellung, zu erzeugen. Bei dem bisher bekannten Zerstäubungsverfahren ist jedoch die herstellbare Blocklänge stark begrenzt, da sich bei größeren Längen die Entfernung der Auffangfläche von der Zerstäubungsdüse während des Zerstäubungsvorganges zu stark ändert und die Bedingungen für die Strömung des Zerstäubungsgases und für die Abkühlung der Zerstäubungspartikel zu ungünstig werden.According to a process known from DE-PS 22 52 139, shaped bodies, e.g. flat disks for forged parts, are produced by atomizing a metal melt using compressed gas and collecting the atomized particles in a mold. The process has particular advantages because segregation and cast structures are avoided in the preforms produced and therefore difficult alloys can also be processed into shaped parts in this respect. This procedure is usually also associated with a reduction in the number of deformation stages to the end product compared to conventional production. It has also already been proposed to produce blocks, e.g. for pipe production, by collecting the atomized particles in a cylindrical mold. However, with the atomization process known to date, the block length that can be produced is severely limited, since with larger lengths the distance of the collecting surface from the atomization nozzle changes too much during the atomization process and the conditions for the flow of the atomization gas and for the cooling of the atomization particles become too unfavorable.

Ein Verfahren zur Herstellung rohrförmiger Produkte ist aus der GB-PS 15 99 392 ebenso bekannt wie die Herstellung von Formkörpern mit definierter Innenkontur.A process for producing tubular products is known from GB-PS 15 99 392, as is the production of shaped bodies with a defined inner contour.

Ohne Längenbegrenzung lassen sich durch Auffangen des Zerstäubungsstrahles an sich Formkörper nach der DE-PS 8 10 223 herstellen. Hieraus ist auch eine Ausführung bekannt, mit der hohlzylindrische Formkörper erzeugt werden können. Hierzu ist unterhalb des Zerstäubungsstrahles ein schräggestellter Dorn vorgesehen, der mit einem auf dem Dorn verschiebbaren, ein Anfahrstück aufweisenden Abzugsvorrichtung versehen ist. Die konstruktive Ausbildung dieser Vorrichtung ist jedoch so, daß damit im Anschluß an den Anfahrvorgang kaum eine Beeinflussung der Innen- und Außenoberfläche des Formkörpers möglich ist und sich auch der Querschnitt u. U. unkontrolliert ausbilden kann.Without any length limitation, molded bodies can be produced by collecting the atomizing jet per se according to DE-PS 8 10 223. A design is also known from this with which hollow cylindrical molded bodies can be produced. For this purpose, an inclined mandrel is provided below the atomizing jet, which is equipped with a pull-off device that can be moved on the mandrel and has a starting piece. The structural design of this device is such, however, that it is hardly possible to influence the inner and outer surface of the molded body after the starting process and the cross-section can also develop in an uncontrolled manner.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art und eine Vorrichtung zu seiner Durchführung anzugeben, mit dem die Herstellung eines Blockes möglich ist, dessen Länge beliebig, z. B. mindestens doppelt so groß ist wie seine charakteristische Querabmessung (z. B. Durchmesser oder Diagonale) und dessen Außenoberfläche eine gleichbleibende, definierte Form besitzt.The object of the invention is therefore to provide a method of the generic type and a device for carrying it out, with which it is possible to produce a block whose length is arbitrary, e.g. at least twice as long as its characteristic transverse dimension (e.g. diameter or diagonal) and whose outer surface has a uniform, defined shape.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.This object is achieved according to the invention by a method having the features of patent claim 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 und 3 angegeben. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 4 charakterisiert. Die Unteransprüche 5 bis 7 geben vorteilhafte Weiterbildungen dieser Vorrichtung an.Advantageous further developments of the method are specified in subclaims 2 and 3. A device for carrying out the method is characterized by the features of claim 4. Subclaims 5 to 7 give advantageous further developments this device.

Die Erfindung geht davon aus, daß eine Metallschmelze in an sich bekannter Weise durch ein Druckgas in kleine Partikel zerstäubt wird. Diese Zerstäubungspartikel werden in einer Vorrichtung auf einer Auffangfläche aufgefangen, die sowohl einer Drehbewegung um eine Drehachse unterliegt, die einem Winkel α, der größer als 90° und kleiner als 180° ist, gegenüber der Richtung des Zerstäubungsstrahles geneigt ist, als auch gleichzeitig eine Längsbewegung in Richtung der Drehachse ausführt. Infolge der Drehbewegung wandert die Auftreffzone des Zerstäubungsstrahles ständig über die Auffangfläche und bildet ein schichtenweise anwachsendes Agglomerat zusammenhängender Zerstäubungspartikel. Die Entfernung der Auffangfläche (d. h. der jeweils obersten Schicht der Zerstäubungspartikel) von der Zerstäubungsdüse, die vorzugsweise als Ringschlitzdüse ausgebildet ist, wird vor Beginn der Zerstäubung auf einen gewünschten Wert eingestellt. Durch Änderung dieser Entfernung läßt sich die Porosität des hergestellten Blockes beeinflussen. Je größer die Entfernung, um so stärker sind die Zerstäubungspartikel beim Auftreffen auf die Auffangfläche bereits durcherstarrt und verformen sich um so weniger, so daß die Porosität zunimmt.The invention is based on the fact that a metal melt is atomized into small particles by a compressed gas in a manner known per se. These atomization particles are collected in a device on a collecting surface which is subject to a rotary movement about an axis of rotation which is inclined at an angle α which is greater than 90° and less than 180° to the direction of the atomization jet, and at the same time carries out a longitudinal movement in the direction of the axis of rotation. As a result of the rotary movement, the impact zone of the atomization jet constantly migrates over the collecting surface and forms an agglomerate of coherent atomization particles which grows in layers. The distance of the collecting surface (i.e. the top layer of the atomization particles) from the atomization nozzle, which is preferably designed as an annular slot nozzle, is set to a desired value before atomization begins. The porosity of the block produced can be influenced by changing this distance. The greater the distance, the more the atomized particles are already solidified when they hit the collecting surface and the less they deform, so that the porosity increases.

Zur Erzeugung von Blöcken mit einer einheitlichen Gefügeausbildung werden in bevorzugter Ausführung des Verfahrens, damit die Fluglänge der Zerstäubungspartikel und somit im wesentlichen ihre Abkühlbedingungen konstant bleiben, die Drehbewegung und die Längsbewegung (im Sinne einer Abzugsbewegung) in Abhängigkeit von der pro Zeiteinheit zerstäubten Schmelzenmenge so geregelt, daß die Entfernung der Auftreffzone auf der Auffangfläche von der Zerstäubungsdüse konstant bleibt. Es ist aber auch möglich, diese Entfernung während des Zerstäubungsvorganges gezielt zu verändern, um im Block Zonen mit unterschiedlichem Gefüge, also mit unterschiedlicher Dichte und Porosität zu erzeugen.In order to produce blocks with a uniform structure, in a preferred embodiment of the process, so that the flight length of the atomizing particles and thus essentially their cooling conditions remain constant, the rotary movement and the longitudinal movement (in the sense of a withdrawal movement) are regulated depending on the amount of melt atomized per unit of time so that the distance of the impact zone on the collecting surface from the atomizing nozzle remains constant. However, it is also possible to change this distance in a targeted manner during the atomization process in order to produce zones in the block with different structures, i.e. with different densities and porosities.

Im folgenden soll die Erfindung anhand der Fig. 1 und 2 erläutert werden. Es zeigtIn the following, the invention will be explained with reference to Fig. 1 and 2. It shows

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Zerstäubungsanlage mit hydraulischer Abzugsvorrichtung und in Begrenzungswänden geführter Auffangfläche, Fig. 1 a section through an atomization system with hydraulic extraction device and collecting area guided in boundary walls,

Fig. 2 einen Schnitt durch einen Teil einer Zerstäubungsanlage mit in einer Zylindermantelteilfläche geführter Auffangfläche. Fig. 2 shows a section through part of an atomization system with a collecting surface guided in a cylinder jacket partial surface.

Fig. 1 zeigt den Aufbau einer erfindungsgemäßen Zerstäubungsanlage. Der Gießstrahl 3 einer Metallschmelze 2 fließt aus dem Schmelzenbehälter 1 in die Mitte der in diesem Beispiel ringförmig ausgebildeten Zerstäubungsdüse 5 und wird mittels Druckgas, das durch die Leitung 4 in die Zerstäubungsdüse 5 geführt wird, zerstäubt. Die Zerstäubungspartikel des Zerstäubungsstrahles 6 werden zu Beginn des Zerstäubungsvorganges von der Auffangfläche 7 des Anfahrstückes 8 aufgefangen, dessen Kopf auswechselbar ist. Um eine formschlüssige Verbindung zu erhalten, ist die Auffangfläche 7 mit mehreren Zapfen 9 bestückt. Das Anfahrstück 8 wird um eine senkrecht auf dem in diesem Beispiel eben ausgebildeten Mittelstück der Auffangfläche 7 stehende Drehachse gedreht und gleichzeitig in dem Maße in Richtung dieser Drehachse zurückgezogen, wie die Länge des aus den aufgefangenen Zerstäubungspartikeln gebildeten Blockes 10 wächst, so daß der Abstand der jeweiligen Auffangfläche von der Zerstäubungsdüse 5 konstant bleibt. Die Drehbewegung der Auffangfläche 7 wird durch einen nicht dargestellten Antrieb bewirkt. Fig. 1 shows the structure of an atomization system according to the invention. The pouring jet 3 of a metal melt 2 flows from the melt container 1 into the center of the atomization nozzle 5 , which in this example is ring-shaped, and is atomized by means of compressed gas which is fed through the line 4 into the atomization nozzle 5. At the beginning of the atomization process, the atomization particles of the atomization jet 6 are caught by the collecting surface 7 of the starting piece 8 , the head of which is replaceable. In order to obtain a positive connection, the collecting surface 7 is equipped with several pins 9 . The starting piece 8 is rotated about an axis of rotation perpendicular to the center piece of the collecting surface 7, which is flat in this example, and is simultaneously retracted in the direction of this axis of rotation to the extent that the length of the block 10 formed from the collected atomizing particles increases, so that the distance of the respective collecting surface from the atomizing nozzle 5 remains constant. The rotary movement of the collecting surface 7 is effected by a drive (not shown).

Der Winkel der Drehachse der Auffangfläche 7 wird durch die Schwenkvorrichtung 16 eingestellt. Diese gesamte Auffangvorrichtung ist auf einem Schlitten 17 montiert, der Bewegungen senkrecht zur Zerstäubungsrichtung ausführen kann.The angle of the rotation axis of the collecting surface 7 is adjusted by the pivoting device 16. This entire collecting device is mounted on a carriage 17 which can perform movements perpendicular to the atomization direction.

In der Fig. 2 ist eine Vorrichtung zur Herstellung beliebig langer Blöcke gezeigt. Das Anfahrstück 8, dessen Querschnitt über seiner ganzen Länge dem des zu erzeugenden Blockes entspricht, wird von mehreren durch Federkraft angedrückten Rollen 20 gehalten und von diesen in Längsrichtung angetrieben. Fig. 2 shows a device for producing blocks of any length. The starting piece 8 , whose cross-section corresponds over its entire length to that of the block to be produced, is held by several rollers 20 pressed by spring force and is driven by these in the longitudinal direction.

Die Rollen 20 sind selbst in einem im Gehäuse 22 drehbaren Käfig 21 gelagert, der die Drehbewegung auf das Anfahrstück 8 überträgt. Die Antriebe für die Rollen 20, den Käfig 21 und den Schlitten 17 sind nicht dargestellt. Eine gleichzeitige Dreh- und Längsbewegung kann bei Blöcken 10 , sofern diese einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, auch dadurch erreicht werden, daß die Achsen der antreibenden Rollen 20 schwenkbar angeordnet und schräg zur Längsachse des Anfahrstückes 8 angestellt werden.The rollers 20 are themselves mounted in a cage 21 which can rotate in the housing 22 and which transmits the rotary movement to the starting piece 8. The drives for the rollers 20 , the cage 21 and the carriage 17 are not shown. A simultaneous rotary and longitudinal movement can also be achieved in blocks 10 , provided they have a circular cross-section, by arranging the axes of the driving rollers 20 so that they can pivot and are set at an angle to the longitudinal axis of the starting piece 8 .

Die Partikel des Zerstäubungsstrahles 6 werden von der Auffangfläche 7 des Anfahrstückes 8 aufgefangen, das sich zu Beginn des Sprühvorgangs in einer Büchse 23 befindet. Diese Büchse 23 bestimmt die äußere Kontur des Blockes 10 und ist drehbar (z. B. mittels Kugellager 24) über eine Aufnahme 19 im Gehäuse 22 gelagert. Um ein Anbacken der Zerstäubungspartikel an der Innenwand der Büchse 23 zu verhindern, wird vorteilhaft eine oszillierende Bewegung in Richtung der Längsachse des Anfahrstücks 8 über die Aufnahme 19 auf die Büchse 23 gegeben. Der Antrieb hierfür ist nicht dargestellt. Abgesehen von der oszillierenden Bewegung ist die Aufnahme 19 gegenüber dem Gehäuse 22 feststehend angeordnet. Der Anfahrkopf 8 führt die Dreh- und Längsbewegung aus. Er kann eine beliebige Querschnittsform, z. B. Kreis oder Quadrat, aufweisen und überträgt die Drehbewegung auf die den Block 10 aufnehmende Büchse 23. Bei einem Block mit Kreisquerschnitt ist eine drehbare Lagerung der Büchse 23 nicht erforderlich, da ein derartiger Block sich auch in einer feststehenden zylindrischen Büchse 23 drehen kann.The particles of the atomization jet 6 are caught by the collecting surface 7 of the starting piece 8 , which is located in a bushing 23 at the start of the spraying process. This bushing 23 determines the outer contour of the block 10 and is rotatably mounted (e.g. by means of a ball bearing 24 ) via a holder 19 in the housing 22. In order to prevent the atomization particles from caking on the inner wall of the bushing 23 , an oscillating movement in the direction of the longitudinal axis of the starting piece 8 is advantageously given to the bushing 23 via the holder 19. The drive for this is not shown. Apart from the oscillating movement, the holder 19 is arranged stationary relative to the housing 22. The starting head 8 carries out the rotary and longitudinal movement. It can have any cross-sectional shape, e.g. circle or square, and transfers the rotary movement to the bushing 23 which holds the block 10 . In the case of a block with a circular cross-section, a rotatable bearing of the bushing 23 is not necessary, since such a block can also rotate in a fixed cylindrical bushing 23 .

Eine vorteilhafte Ausführungsform zur Herstellung von Blöcken mit Kreisquerschnitt zeigt Fig. 2. In diesem Fall genügt es, für das Auffangen des Zerstäubungsstrahles 6 und das Formen des Blockes 10 eine nur im Auftreffbereich des Zerstäubungsstrahles 6 geschlossene Büchse 18 einzusetzen, die die Form eines Teilhohlzylinders hat und im Hinblick auf die Dreh- und Längsbewegung des Anfahrstücks 8 ortsfest angebracht ist. Es kann wiederum vorteilhaft sein, die Büchse 18 in Längsrichtung eine oszillierende Bewegung um ihre an sich ortsfeste Mittellage ausführen zu lassen.An advantageous embodiment for producing blocks with a circular cross-section is shown in Fig. 2. In this case, it is sufficient to use a sleeve 18 which is closed only in the area where the atomizing jet 6 hits the block 10 , has the shape of a partially hollow cylinder and is fixed in place with regard to the rotational and longitudinal movement of the starting piece 8. It can also be advantageous to let the sleeve 18 perform an oscillating movement in the longitudinal direction around its essentially fixed central position.

Claims

1. A method for producing a metallic block whose length is at least twice as large as its characteristic transverse dimension, by collecting an atomized jet of molten metal on a collecting surface which constantly rotates about an axis of rotation, with layer-by-layer formation of a coherent agglomerate of the metal particles, wherein the impact zone of the atomized jet is guided evenly over the collecting surface and the distance between the location where the atomized particles are formed and the impact zone is controlled by a constant withdrawal movement of the agglomerate in the direction of the axis of rotation, which movement is at an angle α. which is greater than 90° and less than 180°, is inclined with respect to the direction of the atomizing jet, characterized in that the collecting surface is constantly surrounded close to its outer contour, at least in a partial area, by boundary surfaces which are directed parallel to the axis of rotation and held stationary with respect to the withdrawal movement and onto which a part of the atomizing jet generated by means of compressed gas strikes to form the outer block contour.

2. Method according to claim 1, characterized in that the collecting surface is moved during atomization in pendulum movements approximately perpendicular to the direction of the atomization jet.

3. Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the boundary surfaces carry out an oscillating movement in the direction of the axis of rotation of the collecting surface during atomization.

4. Device for carrying out the method according to claim 1 with a device for generating a jet of finely distributed molten metal particles and a collecting surface for the molten metal particles arranged on a starting piece which can be rotated about an axis of rotation and at the same time retracted in the direction of the axis of rotation and in which the axis of rotation can be adjusted at an angle α to the jet direction of the atomizing device which is greater than 90° and less than 180°, characterized in that the atomizing device is designed as a compressed gas atomizing nozzle ( 5 ) and the starting piece ( 8 ) is surrounded in the starting position by closely fitting side walls ( 18, 23 ) which are directed parallel to the axis of rotation and are slidably mounted relative to the head of the starting piece ( 8 ).

5. Device according to claim 4, characterized in that the starting piece ( 8 ) is movable perpendicular to the atomization direction by means of a carriage ( 17 ).

6. Device according to claim 4 or 5, characterized in that the side walls ( 23 ) are rotatably mounted together with the starting piece ( 8 ).

7. Device according to claim 4 or 5, characterized in that the starting piece ( 8 ) having a circular cross-section at its head is surrounded by the side walls ( 18 ) only in a partial area and that the side walls ( 18 ) have the shape of a cylinder inner jacket and are mounted in a fixed position with regard to the rotatability of the starting piece ( 8 ).