DE1558111A1 - Giessform mit anisotroper Schlichte - Google Patents
Giessform mit anisotroper SchlichteInfo
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Description
Dipl.-Chem. I. SCHULZE Dipl.-Ing. E. QUTSCHEB
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I Abs. Dipl.-Chem. I. Schulze, Dipl.-Ing. E. Gutscher, Patentanwälte ~j
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IHR ZEICHEN:
Anmelder: Ducommun Incorporated, 612 So. Flower Street, Suite 460, Los Angeles, California, V. St. A.
Giessform mit anisotroper Schlichte
Die Erfindung betrifft allgemein Giessformen, die mit einem
Belag oder einer Schlichte aus anisotropem Material versehen sind und die zum kontinuierlichen Giessen von Grundmetallen einschliesslich Metallegierungen.verwendet werden.
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In den letzten Jahren werden Nichteisenmetalle, einschliesslich Legierungen, kontinuierlich gegossen, um beispielsweise
Werkstücke für Stangen, Stäbe, Platten^Barren oder Bolzen herzustellen. Dieses Verfahren dient insbesondere
zum kontinuierlichen Giessen von Kupfer und dessen Legierungen, wie Messing, sowie andere Nichteisenmetalle,
wie Aluminium oder Magnesium. Es wurde auch vorgeschlagen, Eisen und Eisenlegierungen, wie Stahl, kontinuierlich zu
giessen·
Kupfer und seine Legierungen sowie andere Nichteis enmetalle
werden gewöhnlich in einer Giessform gegossen, die hauptsächlich aus Kupfer bestehen kann. Das Kupfer ist üblicherweise
mit einem Material beschichtet, das als ein Gleitoder Schmiermittel dient. Die normalerweise zum kontinuierliehen
Giessen von Nichteiseometallen verwendete Giessform
ist mit einem zweckmässigen Wärmeschacht,wie ein wassergekühlter
Kupferblock, versehen.
Bei Kupfer beträgt beispielsweise die Giesstemperatur etwa
II760 C während Kupfer bei 1082° O erhärtet. So muss innerhalb
weniger cm der Giessform die Temperatur des Kupfers oder der Kupferlegierung um etwa 94·° O gesenkt werden·
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Es wurde auch vorgeschlagen, Stahl kontinuierlich in einer
Giessform zu giessen. Bestimmte Metalle, wie Stahl, neigen jedoch dazu, das Material, aus dem die Giessform "besteht,
zu benetzen· So klebt beispielsweise Stahl wenn es erhärtet, an der Form an. Um diesen Nachteil auszuschalten, wurde vorgeschlagen,
die Giessform zu schwingen oder hin- und her zu bewegen· Auf diese Weise tritt eine relative Bewegung zwischen
der Giessform und dem erhärtenden Metall auf, um das
Ankleben des Metalls an der Form zu verhindern. Der Stahl wird gewöhnlich bei einer Temperatur von etwa 1332° C gegossen
und erhärtet bei etwa 1176° 0. Daher muss in einem
solchen Fall die Temperatur des Metalls um nahezu 156° 0
gesenkt werden. Im wesentlichen muss nur die Aussenhaut des
Stahls erhärtet werden, die ausreicht, um 4ie sog· Ausbrüche
zu verhindern, wo der flüssige Stahl durch die feste Oberflächenschicht bricht und erhebliche Beschädigung bewirkt.
■.'■*..
Der Vorteil des kontinuierlichen Giessens von Metallen (wobei auch Metallegierungen verstanden werden), besteht
darin, dass eine Anzahl von Verfahrensschritten bei der
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Behandlung des Metalls eingespart werden können· Ausserdem
ist damit eine Verringerung der Arbeit, eine Verminderung der zu behandelnden llaterialmenge, wodurch weniger Lagerraum benötigt wird,'sowie eine Senkung der Arbeitszeit und
eine erhöhte Ausbeute an Metall verbunden· So können grosse
wirtschaftliche Gewinne durch das kontinuierliche Giessen von Grundmetallen, und zwar sowohl Nichtβieen- und Eisenmetalle als auch deren Legierungen, erzielt werden· Die bekannten Verfahren zum kontinuierlichen Giessen von Metallen
weisen aber gewisse Hachteile auf.
Hn Hauptproblem ist das Entfernen von Wärme von dem kühlenden Metall während dem stationären Arbeiten. Dies bedeutet
natürlich, dass die Wärme vom flüssigen Metall in die Gieeef orm oder einen entsprechenden Wärmeschacht übertragen werden muss, damit das Metall rasch härtet und eine weitere
Bearbeitung gestattet. Es ist offensichtlich, dass durch schnelleres Abführen der Wärme, das Metall entsprechend
schneller gegossen werden kann. Dies zeigt, dass eine durch
'die gegenwärtige Verfahrensweise bedingte Einschränkung,
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die mehrere parallel angeordnete Giessformen erfordert, die so angebracht sind, dass sie mit demselben Giesslöffel
oder Tundish beschickt werden können.
Das zweite zu bedenkende Problem ist das Befeuchten oder Benetzen, d.h. die Neigung des flüssigen Metalles, die
Giessform zu benetzen und daher an dieser fest zu kleben. Dies wird bis jetzt, wie bereits erwähnt, durch Schwingen
der Giessform ausgeschaltet· Auf diese Weise kann leicht die sich bildende Oberfläche für das fertige Produkt leiden«
Daraus folgt, dass ein Material oder eine entsprechende
Schlichte für die Giessform "benötigt wird, die eine hohe
Wärmeleitfähigkeit, einen hohen Schmelzpunkt, um gegen Temperaturen der flüssigen Metalle beständig zu sein, und
eine schlechte Benetzbarkeit durch die flüssigen Metalle aufweist.
Es wurde vorgeschlagen, gewöhnlichen Graphit als Überzug
oder Schlichte für die Giessform zu verwenden. Ein solcher Graphit ist aber ein isotroper Stoff, d.h. er leitet, die
Wärme in jeder Richtung gleich gut (oder schlecht). Die
Wärmeleitfähigkeit des Kupfers, aus dem die. Giessform -
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und auch der Wärmeschacht - besteht, ist 25mal so gross
wie diejenige des Graphits·
Ausserdem neigt Graphit dazu, mechanisch zu erodieren und
weist eine verhältnismässig hohe Oxydationsgeschwindigkeit
auf, wodurch die Lebensdauer einer Graphitgiessform oder
Schlichte recht kurz ist. Solche Formen nüssen, je nach Benutzung, im allgemeinen innerhalb eines Tages oder einer
Woche ersetzt werden·
In gleicher Weise ist die mechanische Erosion einer Graphitgiessform
schädlich, die in erster linie auf die Bildung von dendritischen Kristallen im erhärtenden Metall zurückzuführen
ist. Solche Dendrite sind scharf und verhältnismässig hart, d.h. viel härter als Graphit. Daher versuchen
die Dendrit β, die einzelnen Veilchen, aus denen die Graphitform
besteht, mechanisch zu entfernen.
Trotz dieser Nachteile der heutigen Arbeitsverfahren zum kontinuierlichen
Giessen von Nichteisenmetallen ist die Industrie bemüht, das kontinuierliche Giessen von Nichteisenmetallen in
die Produktion aufzunehmen und Erfahrung durch Versuchsherstellung von Stahl durch kontinuierliches Giessen zu sammeln.
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Sv let daher liifgäbe der Erfindung, eine Giessform sum
kontinuierlichen (Hessen von Metallen, einschliessllch Metallegierungen su schaffen, die eine bessere WärmeleitfShlgkeit als die bisher verwendeten Stoffe aufweisen aber
lmer noch Wärmeverlust zwischen dem Reservoir aus flüssigem Metall und dem Warmeschacht verhindert· Erfindungsge-Haas soll ferner eine Schlichte für eine Giessform zum kontinuierlichen Giessen von Metallen vorgeschlagen werden,
die eine erhöhte Giessgeschwindigkeit aufgrund des schnelleren AbkUhlens des erhärtenden Metalls gestattet* Sie Schlichte
soll die mechanische Erosion senken, die Oxydation herabset sen, als ein Gleit- oder Schmiermittel wirken und durch
Verringerung* des Benetzens zwischen Metall und Giessform
eine bessere Oberflächenfertigung gestatten.
Gegenstand der Erfindung ist eine Giessform zum kontinuierlichen Giessen von Metallen, wobei unter Metallen auch Metallegierungen, wie Messingj Stahl u.dgl., zu verstehen
sind. Die erflndungegemässe Giessform weist ein Teil auf,
das im wesentlichen zwischen dem Bereich angeordnet ist, in
dem das flüssige Metall gegossen wird und dem Bereich, in
dem mindestens die äussere Fläche des Metalls erhärtet ist.
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Dieses Teil der Giessform besteht gemäss der Erfindung aus
einem hitze- und feuerbeständigen Material mit anisotropen Wärmeleiteigenschaften. Dies ist vorzugsweise pyrolytischer
Graphit, obwohl auch andere Stoffe verwendet werden können· Ausserdem ist dieses hitze- und feuerfeste anisotrope Material
in vorbestimmter Weise orientiert, um das Kühlen des Metalles in der Giessform zu beschleunigen. Daher ist
dieses hitze-oder feuerbeständige anisotrope Material so orientiert, dass es die Wärme weg vom Metall über die Wand
der Form verhältnismässig schnell leitet, während es die Wärme entlang der Bewegungsbahn des kühlenden Metalls der
Form verhältnismässig langsam leitet« Letzteres dient natürlich dazu, die unmittelbare Kühlung des Reservoirs aus
flüssigem Metall durch den Wärmeschacht zu verhindern.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung, in der ein schematischer Schnitt durch eine erfindungsgemässe Ausführungsform der Giessform dargestellt ist, näher erläutert.
•Die Giessform ist allgemein mit 10 bezeichnet und befindet sich unter einem zweckmässigen Schmelztiegel, einer Schöpfkelle
oder einem Tundish 11. Die Schöpfkelle 11 enthält
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das geschmolzene zu giessende Metall und dient zum Pullen
der Giessform 10 mit einer bestimmten Geschwindigkeit. Ferner ist ein "bei 12 gezeigtes hitzebeständiges Material dargestellt,
das die Giessform richtig verkleidet. Hieran schliesst sich ein ebenfalls ausgekleideter Wärmeschacht
14 an, der beispielsweise aus einem Kupferblock bestehen kann, und mit entsprechenden Kanälen 15 zum Durchleiten
von kaltem Wasser durch den Kupferblock versehen ist.
Erfindungsgemäss ist die Giessform .mit einem Überzug oder
einer Schlichte versehen, die an das flüssige Metall angrenzt und zumindest zwischen dem Bereich in dem das flüssige
Metall gegossen wird, d„h. unter der Schöpfkelle 11 und dem Wärmeschacht 14·, angeordnet ist. Dieser Teil der Giessform
oder der Schlichte 20 besteht aus einem feuer-und hitzebeständigen
Material mit anisotropen wärmeleitenden Eigenschaften. Das Verhältnis zwischen der Wärmeleitfähigkeit
in einer Ebene und einer anderen im rechten =Winkel dazu liegenden Ebene beträgt vorzugsweise 50 : 1. Pyrolytisch
niedergeschlagenes Bornitrid (BN) ist z.B. ein entsprechendes Material, das hitzebeständig ist und anisotrope wärmelei-
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tende Eigenschaften besitzt. Es ist auch möglich, hierfür
Slimmer zu verwenden. Das erfindungsgemäss bevorzugte Material ist jedoch pyrolytischer Graphit.
Pyrolytischer Graphit wird aus einem Kohlenstoff enthaltenden
Dampf bei erhöhten Temperaturen in unregelmässigen Schichten niedergeschlagen, die wie ungeordnete Stapel oder Karten
angeordnet sind. Dies ist der Grund warum pyrolytischer Graphit stark anisotrop ist. Seine mechanischen, thermischen
und elektrischen Eigenschaften hängen Ton der Richtung ab. Es ist üblich, die a-b Achsen, die wiederum eine Ebene bestimmen,
als diejenigen zu bezeichnen, in der der Graphit niedergeschlagen wird. Die c-Achse verläuft in rechten Winkeln
zu der a-b Ebene. Pyrolytischer Graphit leitet in der a-b Ebene sehr gut, isoliert aber in der c-Achse oder c-Eichtung.
So ist die Wärmeleitfähigkeit des pyrolytischen Graphits in der a-b Ebene 25Omal so gut wie in der c-Richtung.
Wie bereits oben ausgeführt ist, wird pyrolytischer Graphit
aus einem Dampf, der eine chemische Verbindung sein kann, niedergeschlagen. Dies kann beispielsweise durch Dissoziieren
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- ie -H
von Methan (CH^) unter Wärmeeinwirkung erfolgen· Das Verfahren wird vorzugsweise in einem Vakuumofen unter einem
Druck durchgeführt, der innerhalb eines weiten Bereiches variieren, zweckmässig z.B. zwischen 1 - 10 mm Hg betragen
kann. Die Temperatur des Ofens kann ebenfalls innerhalb weiter Grenzen variieren, beträgt aber vorzugsweise etwa
1204-° C. Das Verfahren zum Niederschlagen von pyrolytischem
Graphit ist bekannt.
Erfindungsgemäss wird der Überzug oder die Schlichte 20 aus hitzebeständigem Material mit anisotropen Wärmeleiteigenschaften
derart orientiert, dass es die Wärme innerhalb des Raumes 21 vom flüssigen Metall weg und über die Wand
und in den Wärmeschacht 14 verhältnismässig schnell leitet,
während es gleichzeitig die Wärme entlang der Bewegungsbahn des in der Giessform kühlenden Metalls verhältnismässig
langsam leitet. Mit anderen Worten, auf diese Weise wird verhindert', dass die Wärme des geschmolzenen Metalls
von der Schöpfkelle 11 und oberhalb der Giessform weg direkt in den Wärmeschacht 14- geleitet wird und es wird eher ermöglicht,
dass das Metall langsam abkühlt, so dass jeder Querschnitt eine verhältnismässig gleichmässige Temperatur
aufweist.
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Um dies zu erreichen ist die a-b Ebene aus anisotropem Material, beispielsweise pyrolytischem Graphit, wie angegeben
in waagerechter Richtung orientiert. Infolgedessen ist die c-Achse in Äichtung des Pfeiles 22 angeordnet«
Diese Anordnung ergibt genau das was erforderlich ist, nämlich, die Wärme in lotrechter Richtung langsam zu leiten,
wie in der Zeichnung dargestellt ist, während gleichzeitig Wärme waagerecht in den Wärmeschacht 14 geleitet wird.
Es wird darauf hingewiesen, dass während des kontinuierlieben
Giessens von Stahl, beispielsweise etwa 70 % der Wärme
entfernt wird, während das Metall die ersten 10, 16 cm (4-") der Giessform durchläuft. Wenn nicht genügend Wärme auf
diese Weise entfernt wird, kann die äussere Schicht des Stahls nicht abkühlen und erhärten, um den hydrostatischen
Druck des Stahls innerhalb der festen Schale des Gehäuses auszuhälten. Dadurch wurden Jedoch Ausbrüche entstehen, wobei
das flüssige Metall aus der Giessform ausströmen würde.
Weiter wird bemerkt, dass die Wärmeleitfähigkeit des pyro-
lytischen Graphits in der a-b Ebene, abhängig von der Temperatur,
gleich oder hoher ist als diejenige des Kupfers. Andererseits ist pyrolytischer Graphit in c-Richtung praktisch
ein Wärmeisolator.
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Die Oxydationsgeschwindigkeit des pyrolytischen Graphits bei 815° 0 ist 6500mal geringer als diejenige des handelsüblichen
Graphits. Infolgedessen wird bei Verwendung von pyrolytischem Graphit die Oxydation erheblich herabgesetzt.
Ferner gewährleistet die Struktur des pyrolytischen Graphits, dass er in c-Richtung praktisch undurchlässig ist· Er hat
eine Dichte von 2,2, die für diese Kristallstruktur theoretisch ist. Handelsüblicher Graphit erreicht Dichten von etwa
1,65· Wenn daher die viel dichteren und abriebfesteren Schichten aus pyrolytischem Graphit der erodierenden Einwirkung
des geschmolzenen Metalls ausgesetzt werden, ist die mechanische Erosion wesentlich geringer. Im Gegensatz
zu gewöhnlichem Graphit besteht das pyrolytische Material nicht aus einzelnen Partikeln, die durch mechanische e.rodierende
Wirkung des heissen Metalls gelockert oder entfernt werden können.
Eine erfindungsgemässe Giessform zum kontinuierlichen Giessen
von Metallen ist demnach mit einem anisotropen hitzebestandigen Material versehen, das so orientiert ist, dass ea
Wärme weg vom Metall gegen den Wärmeschacht verhältnismässig
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schnell leitet, während es gleichzeitig die V/ärme entlang
der Bewegungsbahn des kühlenden Metalls verhältnismässig langsam leitet. Dies bewirkt, wie oben ausgeführt, dass
das Metall über seinen Querschnitt ein Temperaturgefälle aufweist, das gleichmässiger ist als es mit den üblichen
Giessformen erreicht werden kann. Da ferner während der stationären
Arbeit die <iärme wirksamer entfernt wird als bei
den üblichen Formen, wird die Giessgeschwindigkeit aufgrund des schnelleren Abkühlens des Metalls erhöht.
Schliesslich wird durch eine erfindungsgemässe Giessform
die Erosion verringert und die Oxydation auf ein Minimum gesenkt. Aus diesem Grunde wird natürlich durch Verminderung
des Benetzens sowie der Erosion eine bessere Oberflächenfertigung erzielt. Da die V/ärmeleitfähigkeit des
Ί5 pyrolytisehen Graphits in der a-b Ebene etwa gleich ist
derjenigen des Kupfers, oder gar höher sein kann als diejenige des Kupfers, entspricht er den thermischen Eigenschaften
des wassergekühlten Kupferblocks, der als Wärmeschacht
wirkt. Auf diese Weise wird natürlich das Entfernen der Wärme während des stationären Arbeitens verbessert.
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Claims (1)
1. Giessform zum kontinuierlichen Giessen von Metallen ein-Bchliesslich
Metallegierungen,
dadurch gekennzeichnet, dass im
wesentlichen zwischen dem Bereich, in dem das flüssige Metall gegossen wird und dem Bereich, in dem zumindest die
äussere Fläche des Metalls erhärtet ist, ein Teil (2) vorgesehen ist, das aus einem hitzebeständigen Material mit anisotropen wärmeleitenden Eigenschaften besteht, das zur Beschleunigung des Abkühlens des Metalls in der Giessform in vorbestimmter Weise orientiert ist.
wesentlichen zwischen dem Bereich, in dem das flüssige Metall gegossen wird und dem Bereich, in dem zumindest die
äussere Fläche des Metalls erhärtet ist, ein Teil (2) vorgesehen ist, das aus einem hitzebeständigen Material mit anisotropen wärmeleitenden Eigenschaften besteht, das zur Beschleunigung des Abkühlens des Metalls in der Giessform in vorbestimmter Weise orientiert ist.
2· Giessform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das hitzebeständige Material so orientiert ist, dass es die Wärme
vom Metall über die Wand der Giessform verhältnismässig
schnell und entlang der Bewegungsbahn des kühlenden Metalls * in der Form verhältnismässig langsam leitet.
schnell und entlang der Bewegungsbahn des kühlenden Metalls * in der Form verhältnismässig langsam leitet.
5. Giessform nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das
hitzebeständige Material aus pyrolytischem Graphit besteht.
*±. Giessform nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die
a-b Achse des pyrolytischen Graphits im rechten Winkel zu der
Bewegungsbahn und seiner im wesentlichen paralles zu der Bewegungsbahn verlaufenden c-Achse angeordnet sind.
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| US3096083A (en) * | 1959-08-24 | 1963-07-02 | Raytheon Co | Anisotropic heat-controlling body and method for manufacture thereof |
| US3210812A (en) * | 1962-12-31 | 1965-10-12 | Scovill Manufacturing Co | Continuous casting mold |
| US3353584A (en) * | 1964-12-10 | 1967-11-21 | Anaconda American Brass Co | Continuous casting cooling method and apparatus |
-
1966
- 1966-04-08 US US541159A patent/US3424228A/en not_active Expired - Lifetime
-
1967
- 1967-03-31 DE DE19671558111 patent/DE1558111A1/de active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US3424228A (en) | 1969-01-28 |
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