DE1164605B - Verfahren und Vorrichtung zum fallenden Giessen von Metall - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES 4057WW PATENTAMT Internat. Kl.: B 22 d

AUSLEGESCHRIFT

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

Deutsche Kl.: 31c-12/01

Jefz» Kl, M, ¹V* Pat. BI.VÖ 12 1.

1164 605 4^Li⁴
U 7463 VI a/31 c
16. September 1960
5. März 1964

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum fallenden Gießen von Metall aus einer Gießpfanne in eine Gießform unter Ausschluß der Einwirkung der Atmosphäre auf das Metall durch Schutzgas.

Im allgemeinen wird eine den geschmolzenen Stahl enthaltende Gießpfanne mit einem Bodenauslaß oberhalb einer Gießform angeordnet. Der Gießstrahl wird dann in die Form hineingerichtet, bis eine entsprechende Menge eingegossen ist, worauf der Gießstrom unterbrochen und die Gießpfanne zur nächsten Form bewegt wird. Beim ersten Auftreffen des Gießstrahles auf den Boden der Form spritzt das flüssige Metall gegen die Wände der Form, an der die Metallspritzer anhaften und erstarren. Befindet sich in der Form Luft, oxydieren die Metallspritzer, und beim Ansteigen des Gießspiegels schmelzen die erstarrten Metallspritzer nicht wieder auf, um sich mit dem geschmolzenen Strahl zu vereinigen, sondern haften weiter an der Form an und bilden mangelhaft gebundene Schorfstellen auf den Seiten des gegossenen Blockes.

Eine weitere bei der herkömmlichen Gießtechnik anzutreffende Schwierigkeit ist die Adsorption von Sauerstoff aus der umgebenden Atmosphäre durch den aus der Gießpfanne ausfließenden geschmolzenen Strom. Die aus einer derartigen Adsorption herrührenden Oxyde werden über den ganzen Block verteilt und führen zu metallurgischen Fehlern, die die mechanischen, chemischen und elektrischen Eigenschaften des Erzeugnisses vermindern.

Ist Metall hoher Reinheit erforderlich, beispielsweise bei der Herstellung genau bemessener Flugzeugteile, sind die obenerwähnten Einschlüsse im Stahl in hohem Maße unerwünscht. Hersteller und Konstrukteure von Flugzeugteilen fordern fortgesetzt reinere und einschlußfreie Stähle.

Aufgabe der Erfindung ist die vollständige Abschirmung des fallenden Gießstrahles und des in die Gießform gelangenden Metalls gegen jeden Einfluß des Sauerstoffs der Luft mittels eines Verfahrens, das bei Gebrauch weniger mechanischer Hilfsmittel unbeschränkt für alle Gießpfannen und Gießformen angewendet werden kann.

Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, die Gießform vor dem Gießen mit Schutzgas anzufüllen, das vom eintretenden Gießstrahl verdrängt wird und diesen umhüllt sowie den Gießspiegel abdeckt, wobei gleichzeitig der Gießstrahl unterhalb des Bodenauslasses der Gießpfanne von einem auf ihn gerichteten weiteren Schutzgasstrom umhüllt wird und beide Schutzgasströme sich zu einem den Strahl Verfahren und Vorrichtung zum fallenden
Gießen von Metall

Anmelder:

Union Carbide Corporation, New York, N. Y.

(V. SL A.)

Vertreter:

H. Kundoch, Rechtsanwalt,
Rodenkirchen bei Köln, Auenweg 14

Als Erfinder benannt:
Leo Fred Keel, Emsworth, Pittsburgh, Pa.,
Maurice Frederick Hoffmann, Whippany, N. J.,
Ronald Jay McCullough, Hazlet, N. J.,
Peter Anthony McCormack,
Corona del Mar, Calif. (V. St. Α.),
Ronald Leadrew William Hohnes,
Downsyiew, Ontario (Kanada)

Beanspruchte Priorität:

V. St. ν. Amerika vom 16. September 1959

(Nr. 840 270)

auf seiner ganzen Länge umhüllenden Schutzgasmantel vereinigen.

Maßnahmen zur Verminderung des Zutritts von Luft zum Gießstrahl und/oder dem flüssigen Metall in der Gießform sind bereits seit Jahrzehnten in großer Anzahl gemacht worden, doch konnte sich keine Maßnahme in größerem Umfang in der Praxis durchsetzen, da in den meisten Fällen der Erfolg nur gering oder der erforderliche Aufwand an mechanischen Vorrichtungen und Schutzgas zu umfangreich ist.

So ergibt das bekannte Abgießen von Metall im Vakuum zwar eine Unterbindung der Reaktion des flüssigen Metalls mit dem Sauerstoff der Luft. Die Durchführung dieses Verfahrens erfordert jedoch aufwendige Einrichtungen. Bei diesen Einrichtungen ist es bekannt, an der Unterdruckkammer im Durchlaß für das zu vergießende Metall eine abdichtende Membran, z. B. aus Stahlblech oder einem anderen Metall, vorzusehen, welche erst beim Einfüllen des Stahls durchschmilzt.

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Es ist auch schon vorgeschlagen worden, aliein F i g. 1 einen Längsschnitt einer Gießform, die

den Gießstrahl während des Abstiches und Abgießens zum Teil bereits mit Schutzgas gefüllt ist,

mit einem Mantel aus Schutzgas, z.B. Wasserstoff, Fig. 2 teilweise im Schnitt eine Gießpfanne und

Stickstoff, Argon, Koksofengas, od. dgl., zu umgeben. Gießform vor dem Gießvorgang,

Dies führte aber nur zu einer bedingten Verbesse- 5 F i g. 3 teilweise im Schnitt die Einrichtung nach

rung, da der Gießstrahl in der Gießform mit der Luft F i g. 2 während des Gießvorganges,

in Berührung kommt. F i g. 4 im vergrößerten Maßstab eine Ansicht

Ferner ist es bekannt, in dem Raum zwischen längs der Linie 4-4 nach F i g. 1 des Verteilerkopfes,

Gießpfanne und Gießform zur besseren Abschirmung F i g. 5 im vergrößerten Maßstab einen Teilschnitt

des Gießstrahles mit Schutzgas ein rohrförmiges io entlang der Linie 5-5 nach F i g. 3 und

Zwischenstück vorzusehen, das mittels Sandtassen F i g. 6 eine Längsansicht, teilweise im Schnitt,

gegenüber der Atmosphäre und Gießpfanne sowie einer abgewandelten Ausführungsform der Einrich-

Gießform abgedichtet wird. Beim Gießen des Metalls tung nach der Erfindung.

wird in das Zwischenstück das Schutzgas, z.B. Wie in Fig. 2 dargestellt, weist die Einrichtung

Argon, unter Druck eingeführt, das auf Grund der 15 zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung

Injektorwirkung des fallenden Gießstrahles in die eine Gießpfanne 10 zum Gießen geschmolzenen Me-

Gießform gelangt. Hier sind ebenfalls die praktische tails auf. Im unteren Teil der Gießpfanne ist ein

Anwendung des Verfahrens erschwerende mecha- Bodenauslaß 12 vorgesehen, aus dem ein Metallstrom

nische Vorrichtungen für die Abschirmung des flüssi- in eine vertikal darunter angeordnete Gießform 14

gen Metalls erforderlich. so gerichtet wird. Ein Rohrstück 16 ist an der Unter-

Auch das Auffüllen der Gießform vor dem Gießen seite der Gießpfanne lösbar befestigt, umgibt den

mit einem Schutzgas ist bekannt. Hierbei wird das Bodenauslaß 12 und bildet einen Schutzraum 17.

Schutzgas von unten in die Gießform eingeleitet und Das Rohrstück 16 kann, wie im einzelnen in

die Zufuhr von Schutzgas beim Gießen unterbrochen, F i g. 5 dargestellt, mit nach außen stehenden An-

um das Entstehen eines Überdruckes in der Gießform 25 sätzen 18 versehen sein, die in geeignete Ausneh-

zu vermeiden. Da die Gießform auf der Eingießseite mungen innerhalb entsprechender Ansätze 20 passen,

keine das Abströmen des Gases hindernde Ab- die an der Gießpfanne befestigt sind. Das Rohrstück

deckung aufweist, strömt das Gas beim Gießen 16 liegt an der Unterseite der Gießpfanne an, um

innerhalb kürzester Zeit aus der Gießform ins Freie, jeden möglichen Raum hierzwischen möglichst klein

und der Luftsauerstoff kann sich während des groß- 30 zu halten, doch würde ein gewisser Abstand zwischen

ten Teiles des Gießvorganges ungehindert mit dem dem Rohrstück und der Gießpfanne sich nicht nach-

Gießstrahl und dem in der Gießform befindlichen teilig auf das Verfahren auswirken, sondern nur die

flüssigen Metall verbinden. zur Abschirmung des Gießstrahles 19 erforderliche

Ein anderes Verfahren sieht vor, die Gießform Menge an Schutzgas, z. B. Argon, erhöhen,

gegenüber der Atmosphäre abzuschließen und die 35 Das obere Ende des Rohrteiles 16 ist auf der

Gießform gegen das Eindringen von Luft mit einem Innenseite mit einer Ringleitung 24 versehen, die

Schutzgas unter vollständiger Verdrängung der in einen Gaskanal aufweist. Ein sich durch die Wand

der Gießform befindlichen Atmosphäre mit Über- des Rohrstückes hindurch erstreckender Gaseinlaß

druck anzufüllen und beim Einfallen des Gießstrahles 26 verbindet den Gaskanal mit einer Schutzgasquelle,

in die Gießform eine Sperre im Einlaß der Kokille 40 Eine Mehrzahl von öffnungen 28 in der Leitung sind

derart aufzuheben, daß das aus der Gießform strö- auf den Bodenauslaß 12 zu gerichtet, so daß das

mende Schutzgas den Gießstrahl umhüllt. Schutzgas die Luft wirksam verdrängen und das

Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung ist Rohrstück 16 ausfüllen kann.

der den Gießstrahl bei seinem Austritt aus dem Entsprechend F i g. 2 hängen die Abmessungen des Bodenauslaß der Gießpfanne umhüllende Schutzgas- 45 Rohrstückes 16 von verschiedenen Faktoren ab: strom abwärts gerichtet und trifft sich mit dem auf- a) dem Durchmesser D des Bodenauslasses, b) dem wärts gerichteten Strom des aus der Gießform ver- Grad der Divergenz des Gießstrahles und c) der Tatdrängten Schutzgases oberhalb der Gießform. Da- sache, daß die Oberkante des Rohrstückes genau auf durch wird bewirkt, daß zwei gegeneinander strö- einen Teil der Oberfläche der Gießpfanne passen mende und sich in dem Raum zwischen Gießform 50 sollte, um hierzwischen den Spalt minimal zu halten, und Gießkopf vereinigende Schutzgasströme ge- Die Wirksamkeit der Argonatmosphäre beim Schutz schaffen werden, die die gesamte Oberfläche des des Gießstrahles hängt in erster Linie von der Lage flüssigen Metalls gegenüber der Atmosphäre ab- der Ringleitung ab, die möglichst nahe an den Gießschirmen, strahl heranreichen sollte, ohne diesen zu berühren. Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungs- 55 Werden beispielsweise Bodenauslaßöffnungen von gemäßen Verfahrens ist gekennzeichnet durch einen ungefähr 3 bis 8 cm Durchmesser benutzt, sollte der an der Unterseite der Gießpfanne angeordneten Gehäusedurchmesser D vorzugsweise zwischen unge-Düsenkranz und ein diesen Düsenkranz umgebendes, fähr zwischen 12 und 40 cm liegen. Die besten Schutz parallel zum Gießstrahl sich erstreckendes Rohr- gewährleistende Höhe h des Rohrstückes sollte so stück zur Führung des oberen Schutzgasstromes. 60 gewählt sein, daß sich die Unterkante des Rohr-Zweckmäßigerweise wird die Gießform oben mit Stückes nicht weiter als bis ungefähr 10 cm unter den einer Abdeckung verschlossen, die eine Öffnung zum Bodenauslaß erstreckt. Das bevorzugte Verhältnis Einführen einer mit einem Verteilerkopf versehenen der maximalen Höhe h zum Durchmesser D sollte 1 Gasleitung aufweist. nicht überschreiten.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungs- 65 Die geeignetste Lage der Ringleitung 24 innerhalb

möglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Be- des Rohrstückes 16, um den Raum 17 in geeigneter

Schreibung von Ausführungsbeispielen im Zusammen- Weise mit Schutzgas zu füllen, ist durch den verti-

hang mit den Zeichnungen. Es zeigt kalen Abstand zwischen dem Bodenauslaß und der

Unterseite der Gießpfanne bestimmt. Dieser Abstand sollte so eingehalten sein, daß, wenn das Rohrstück 16 an der Unterseite der Gießpfanne anliegt, sich die Leitung 24 ungefähr 0,6 cm unterhalb des Bodenauslasses befindet.

Die Gießform 14 weist, wie in den Figuren veranschaulicht, im wesentlichen einen oben offenen Behälter zur Aufnahme des geschmolzenen Metalls während der Abkühlung und Erstarrung auf. Die Gießform kann dazu vorgesehen sein, Blöcke zu bilden, die nachfolgend gewalzt oder in anderer Weise verformt werden. Das Verfahren nach der Erfindung läßt sich jedoch ebenso bei Gießformen zur Herstellung von Sandgußteilen im üblichen Gießereiverfahren benutzen.

Eine für das Verfahren nach der Erfindung besonders geeignete Gießform besitzt einen Einlaß zur Einführung eines Schutzgases. Ein bevorzugtes Mittel zur Einführung des Schutzgases ist in den Fig. 1 und 4 veranschaulicht und besteht aus einer an eine nicht dargestellte Gasquelle angeschlossenen Gasleitung 30, die am unteren Ende einen Verteilerkopf 32 aufweist. Der Verteilerkopf 32 besitzt, wie in Fig. 4 veranschaulicht, ein Öffnungen 42 aufweisendes Mittelrohr 34, um Argon in einen Raum 33 einzuleiten, das mittels einer Außenhülle 36, einer an dieser befestigten oberen Platte 38 und einer den Endabschluß sowohl der Außenhülle 36 als auch der zentralen Leitung 34 bildenden unteren Platte 40 begrenzt ist. Der Raum 33 kann im wesentlichen mit einem gasdurchlässigen Material, beispielsweise Stahlwolle, oder einem porösen metallischen Material gefüllt sein, um das aus den Öffnungen 42 austretende Argon noch gleichmäßiger zu verteilen. Die Hülle 36 ist ebenfalls so ausgebildet, daß das Gas verhältnismäßig gleichförmig austritt, so daß nur eine minimale Gasturbulenz in der Gießform hervorgerufen wird. Eine bevorzugte Ausführungsform der Hülle 36 ist ein entsprechend geformter Zylinder aus Drahtgewebe.

Der Verteilerkopf 32 und die Gasleitung 30 werden, wie in F i g. 1 veranschaulicht, vorzugsweise von oben in die Gießform eingesetzt, wobei der Verteilerkopf auf dem Boden der Gießform aufsitzt oder in dessen unmittelbarer Nähe angeordnet ist. Um das eingeführte Argon in der Gießform zu halten, ist über der Öffnung eine Abdeckung 44 angeordnet. Die Abdeckung 44 besteht aus einer Aluminiumfolie, die mittels eines Drahtes 46 befestigt werden kann.

Das Verfahren nach der Erfindung umfaßt folgende Schritte: Die in F i g. 1 veranschaulichte Gießform wird zuerst mit einer Aluminiumfolie 44 abgedeckt. Der Verteilerkopf 32 und die Leitung 30 werden dann durch ein Loch in der Aluminiumfolie eingesetzt, um Argon an dem Boden der Gießform einzuführen.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung, das vorzugsweise Argon als Schutzgas verwendet, wird das Argon am Boden der Gießform gleichförmig verteilt und mit minimaler Turbulenz eingeführt, so daß sich das Argon vertikal durch die Gießform hindurch nach oben bewegen und sämtliche Luft aus der Gießform herausdrängen kann. Dieses Verfahren ist besonders vorteilhaft, da nur eine sehr geringe Mischung von Luft und Argon in der Gießform stattfindet, ein Umstand, aus dem sich sowohl hohe Leistungsfähigkeit als auch Wirtschaftlichkeit ergeben. Es wurde beispielsweise festgestellt, daß sich praktisch alle Luft aus der Gießform mit nur dem l,25fachen Volumen an Argon entfernen läßt, wenn dieses, wie oben beschrieben, eingeführt wird. Dies steht in krasssem Gegensatz zu dem 7- bis lOfachen Volumen an Schutzgas, das üblicherweise erforderlich wäre, um aus einer äquivalenten Gießform die Luft mittels eines Schutzgasstrahles zu verdrängen, der in die Gießform hineingerichtet wird und eine übermäßige

ίο Turbulenz und Mischung der Gase bewirkt.

Unmittelbar, vorzugsweise nicht länger als 2 Minuten, nach Entfernen der Luft aus der Gießform wird die das geschmolzene Metall enthaltende Gießpfanne 10 über die mit Argon gefüllte Gießform 14 gebracht (F i g. 2), wobei der Bodenauslaß 12 mit der oberen öffnung der Gießform ausgerichtet ist. Nun wird Argon in die Ringleitung 24 geleitet, um praktisch alle Luft aus dem Rohrstück 16 und dem Spalt 48 zwischen Rohrstück 16 und der Abdeckung zu verdrängen. Der Argonfluß wird dann mindestens 8 bis 10 Sekunden aufrechterhalten, ehe der Gießstrahl 19 durch Wegnahme eines entsprechenden Stopfens freigegeben wird.

Die Gießpfanne 10 befindet sich in geeigneter Gießstellung, wenn die untere Kante des Rohrstückes 16, wie bei 48 angedeutet, einige Zentimeter von der Abdeckung entfernt ist. Vorzugsweise wird ein gewisser Spalt 48 aufrechterhalten, so daß durch Eintritt geschmolzenen Metalls verdrängtes Gas zur Atmosphäre entweichen kann. Dieses entweichende Gas besteht nicht nur aus Argon, sondern auch in geringem Umfang aus Gasen, die von dem Metall ausgehen. Es wurde festgestellt, daß zur Verhinderung von Infiltration unerwünschter Gase zurück in die mit Argon gefüllte Gießform während des Gießens die Austrittsgeschwindigkeit des durch den Spalt 48 hindurchtretenden Gases mindestens 7,6 cm/sec betragen muß. Wo freilich die in der Nachbarschaft der Gießstelle vorherrschenden Bedingungen, beispielsweise starker Windzug, einen ordnungsgemäßen Gasfluß aus der Form heraus hindern, ist es erforderlich, den Gasfluß aus der Leitung 24 heraus zu erhöhen.

Eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des neuen Verfahrens ist in F i g. 6 veranschaulicht. In diesem Fall ist die Gießform mit einer abnehmbaren Haube versehen, die eine flache Platte 50 mit einer zentrallen Öffnung 51 aufweist. Eine oben auf der Platte vorgesehene Ringleitung 54 ist mit einem Gaseinlaß 52 zum Anschluß an eine Argonquelle versehen; eine Mehrzahl Öffnungen 53 in der Ringleitung sind nach innen auf den Mittelpunkt der Leitung zu gerichtet. Die Leitung 54 kann je nach den speziellen Erfordernissen lösbar oder fest auf der Platte 50 angebracht sein.

Wahlweise kann auch das Rohrstück 16 auf der flachen Platte 50 angeordnet sein. In diesem Falle sollte ein geringer Spalt zwischen der Unterseite der Platte 50 und dem Rohrstück während des Gießens des Blockes aufrechterhalten werden.

Im wesentlichen ist der Gießvorgang bei dieser Vorrichtung derselbe wie im vorhergehenden Fall bei Verwendung einer Abdeckung 44, mit der Ausnahme, daß nach einer Reinigung der Gießform 14 mit Argon die Platte 50 und die Leitung 54 anstatt der Abdeckung44 auf die Gießform aufgebracht werden, wobei nur die öffnung 51 frei gelassen wird. Das Gießen findet dann statt, indem der Bodenauslaß 12 unmittelbar oberhalb der Leitung 52, vorzugsweise in

Kontakt mit dieser, angeordnet wird und sodann ein Argonfiuß aus der Leitung 54 heraus eingeleitet wird, um den Raum zwischen der Platte 50 und der Unterseite der Gießpfanne zu füllen und die Argonströme auch auf den Gießstrahl treffen zu lassen. Es sei be- S merkt, daß die Anwendung der entfernbaren Platte 50 auf kleinere Blockformen beschränkt ist, die eine Größe von weniger als ungefähr 101 besitzen. Für größere Formen wird die Aluminiumfolienabdeckung vorgezogen, da diese sich unter der Einwirkung der hohen Temperaturen vom Metall in der Gießform während und nach dem Gießen weniger leicht verzieht.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum fallenden Gießen von Metall aus einer Gießpfanne in eine Gießform unter Ausschluß der Einwirkung der Atmosphäre auf das Metall durch Schutzgas, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießform mit Schutzgas angefüllt wird, das vom eintretenden Gießstrahl verdrängt wird und diesen umhüllt, sowie den Gießspiegel abdeckt, gleichzeitig der Gießstrahl unterhalb des Bodenauslasses der Gießpfanne von einem auf ihn gerichteten weiteren Schutzgasstrom umhüllt wird und beide Schutzgasströme sich zu einem den Strahl auf seiner ganzen Länge umhüllenden Schutzgasmantel vereinigen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der den Gießstrahl bei seinem Austritt aus dem Bodenauslaß der Gießpfanne umhüllende Schutzgasstrom abwärts gerichtet ist und sich mit dem aufwärts gerichteten Strom des aus der Gießform verdrängten Schutzgases oberhalb der Gießform trifft.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch einen an der Unterseite der Gießpfanne (10) angeordneten Düsenkranz (24) und ein diesen Düsenkranz umgebendes, parallel zum Gießstrahl sich erstreckendes Rohrstück (16) zur Führung des oberen Schutzgasstromes.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießform oben mit einer Abdeckung (44) verschlossen ist, die eine öffnung zum Einführen einer mit einem Verteilerkopf (32) versehenen Gasleitung (30) aufweist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 1 111781;
französische Patentschriften Nr. 1168 680,
658;
britische Patentschrift Nr. 781 277.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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