DE2141868A1

DE2141868A1 - Verfahren und Vorrichtung zur ge steuerten Erstarrung von gegossenen Strukturen

Info

Publication number: DE2141868A1
Application number: DE19712141868
Authority: DE
Inventors: Cleveland Ohio Tzavaras Alexander A (V St A )
Original assignee: Republic Steel Corp , Cleveland, Ohio (V St A )
Priority date: 1970-08-20
Filing date: 1971-08-20
Publication date: 1972-02-24
Also published as: FR2104863B1; US3693697A; CA975926A; FR2104863A1

Description

Verfahren und Vorrichtung zur gesteuerten Erstarrung I von gegossenen Strukturen

Die vorliegende Erfindung betrifft Giessverfahren und die . zu ihrer Durchführung erforderlichen Vorrichtungen und insbesondere Verfahren und Vorrichtungen zur Verbesserung der Kornstruktur eines Blocks in einem kontinuierlichen Giessverfahren. - ■ .

In der Vergangenheit hat man der Verbesserung der Kornstruktur in Gussteilen grosss Aufmerksamkeit geschenkt. Es ist bekannt, dass Unregelmässigkeiten, wie Seigerungen, Porositäten und Einschlüsse, welche die Ziehfähigkeit und die gewünschten Eigenschaften beeinträchtigen, in Beziehung zu dendritischen Strukturen (Tannenbaum-Kristallen) in dem Gusskörper stehen. Damit bedeutete bisher eine Kornverfei- '

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nerung in vielen Fällen tatsächlich eine dendritische Verfeinerung.

Das Lehrbuch "Principles of Solidification" von Bruce Chalmers (John Wiley & Sons, 1964) enthält eine vollständige Erörterung von dendritischen Strukturen und Eigenschaften in Gusskörpern. Wie erwähnt, hat man erkannt, dass derartigeStrukturen die Eigenschaften eines Gusskörpers, beispielsweise eines Blocks, nachteilig beeinflussen können. Die US-Patentschrift 2 877 525 (Schaaber), welche am 17. März 1959 veröffentlicht wurde, betrifft die Verbesserung von Gusskörpern untsr Verwendung einer Drehung des geschmolzenen Metalls um die Längsachse eines Blocks während des Gi essverfahr ens. Ein Nachteil dieser Drehbewegung besteht darin, das3 sie zu einer längs der Achse liegenden Porosität oder einem Schrumpfen beiträgt und dass sie nicht dazu beiträgt, die Elemente in der Erstarrungszone zurück in das geschmolzene Metall zu bringen, so dassj Konzentrationen des gelösten ^: Materials und Einschlüsse ausser Kontakt mit der Er- :* starrungsfront gelangen und daher nicht eingeschlossen werden. Ferner erschwert eine Drehbewegung des geschmolzenen Metall" les die Probleme der Seigerung, da die schwereren Elemente im geschmolzenen Metall das Bestreben haben, durch die Zentrifugalkraft zur äusseren Zone der Bewegung des geschmol- ψ ζ en en Metalls bewegt zu werden, ßchli esslich ist eine Drehbewegung unerwünscht, weil es die Einschlüsse im Mittelpunkt des Blocks abtrennt und sie an einem Aufsteigen zur Oberfläche hindert.

Die US-Patentschrift 3 153 820 (Criner), die am 27- Oktober 1964 veröffentlicht wurde, beschreibt das Verrühren von geschmolzenem Metall während der Blockbildung mittels der Verwendung von um eine Giessform gelegten Eingspulen, welche in der Schmelze Wirbelströme erzeugen, um die Schmelze umzurühren oder in Vibration zu bringen· Obgleich eine Vibration die Schwierigkeiten einer Porosität im axialen Bereich

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oder einer Schrumpfung überwinden können, werden Einschlüsse innerhalb der Schmelze nicht an die Oberfläche in Berührung mit der Schlackenschicht gebracht, um dabei entfernt zu werden. Daxüberhinaus ist die Anordnung von Rührspulen um die Giessform gewöhnlich keine günstige Lage für derartige Spulen, und zwar \?egen der Neigung) die anfängliche Haut zu beeinträchtigen, welche sich an der Aussenf lache des Blocks bildet.

Die britische Patentschrift 752 271 betrifft ein Verrühren von geschmolzenem Metall beim Giessen eines Blockes mittels einer Induktionsspule, die neben der Giessform angebracht ist. Dabei wird eine Metallbewegung zur Oberfläche des geschmolzenen Metalls und von dieser weg beschrieben. Der Nachteil der Nähe einer Kihrspule zur Giessform ist in dieser Anordnung vorhanden.

Eine ähnliche Bewegung eines Metalls in der Nachbarschaft von Induktionsspulen wird in der britischen Patentschrift 705 762 beschrieben, um eine schnelle Bewegung des geschmolzenen Metalls durch den Auslass eines Behälters für das geschmolzene Metall und in eine Giessform zur Herstellung eines Blocks zu erzielen.

Die vorliegende Erfindung betrifft unmittelbar Giessverfahren und eine Verfeinerung der Mikrostruktur. Sie betrifft insbesondere das kontinuierliche Giessen eines Blocks, bei welchem sich ein Bad eines geschmolzenen Metalles innerhalb des Blocks um einen merklichen Betrag unterhalb der Giessform oder einer anderen Vorrichtung erstreckt, die zur Bildung der anfänglichen aus s er en Haut des Blocks verwendet wird» Ein derartiges Schmelzbad kann sich beispielsweise 9 »15 -πι wnd mehr unterhalb der Giessform erstrecken und bis zu 24,4 m im Falle eines mit hoher Geschwindigkeit kontinuierlich erfolgenden Giessens eines Blocks.

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Es ist bekannt, dass die massgeblichen Parameter, Vielehe die Art des Wachstums einer, gegossenen Struktur bestimmen, durch den Temperaturgradienten im geschmolzenen Metall längs der Grenzschicht zwischen Festkörper und Flüssigkeit gebildet werden' sowie durch die Wachstumsgeschwindigkeit des Festkörpers und der Konzentration der gelösten Stoffe in der Flüssigkeit Gemäss der vorliegenden Erfindung wird eine Strömung eines geschmolzenen Metalls dazu verwendet, um den Temper-aturgradienten merklich zu erhöhen. Dabei wird die typische breiige Zone, die normalerweise längs der Grenzschicht von Festkörper und Flüssigkeit voi-handen ist, erheblich verringert oder ganz beseitigt, wodurch das Erstarrungsverhalten des Blocks in solcher Weise verändert wird,-dass eine wünschenswertere Blockstruktur erhalten wird. Die Strömung erfolgt dabei derart, dass das Wachstum von säulenartigen Dendriten fTannenbaum-Kristallen) verhindert wird, die bekanntermassen in der Blockstruktur unerwünscht ist.

Sie verwendete Mptallströmung besteht aus einer Spülströmung, welche längs der Grenzschicht von Festkörper und Flüssigkeit über einen bestimmten Längenbereich aufrechterhalten wird oder in manchen Fällen über die gesamte Länge der Grenzschicht, und zwar in einer ersten Richtung, welche mit Vorteil der Richtung der Blockbewegung entspricht. In einigen Fällen kann eine Rückströmung.verwendet werden, was jedoch erheblich mehr Leistung zur elektromagnetischen Förderung des Metalls erfordert, da dieses dann im Gegenstrom zur normalen Konvektionsströmung bewegt werden muss. Eine Rückströmung in entgegengesetzter Richtung im Innern des Schmelzbades wird verwendet, um eine vollständige und wirksame Zirkulation des gesamten Metalls innerhalb des Bades zu erzielen. Diese Spülströmung des Metalles bringt heisses Metall von der Oberseite des Schmelzbades längs der Grenzschicht zwischen Festkörper und Flüssigkeit, wobei die breiige Zone weggespült oder im wesentlichen aufgelöst wird und

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die Tannenbaum-Kristalle aufgebrochen werden, bevor sie sich in längere, säulenartige Tannenbaum-Kristalle formieren können. Die Eückvströmung bringt abgebrochene Tannenbaum-Kristalle zurück in die heisse Schmelze, wo sie entweder erneut geschmolzen oder in zufälliger Orientierung abgelagert werden und zwar an Stellen, äLe sich von denen unterscheiden, von wo sie abgebrochen wurden. Die Rückströmung bringt ferner geschmolzenes Metall in Berührung mit der Unterseite der Schlackenschicht, wodurch Einschlüsse leicht entfernt werden können. Die nach unten gerichtete Spülströraung des heissen Metalles längs der Grenzschicht begünstigt ferner die erneute Lösung von eingeschlossenen Elementen, und zwar in solchem Umfang, dass ihre Ablagerung als Einschlüsse bis zur Erstarrung des hinteren Endes des kontinuierlich gegossenen Strangs verhindert wird. Die Metallzirkulation fördert ferner das Ausflocken von kleinen Einschlüssen und fördert ihre Aussonderung als grössere Körper in der Schlackenschicht«

Die Spülströmung, welche in Einklang mit der Erfindung vorgenommen wird und welche sich in das Innere des Schmelzbades bewegt, verringert ceine Seigerung und eine Porosität im axialen Bereich oder ein Schrumpfen, welches vorhanden ist, wenn eine Bewegung um die Blockachse verwendet wird, wie dies in bekannten Bührv.erfahren während der Blockbildung der Pail ist. Wie erwähnt, kann die Spülströmung sich mit Vorteil über den gesamten Bereich des Schmelzbades erstrekken und kann sich daher meterweit | von. der Giessform oder einer anderen Giesseinrichtung noch unten erstrecken. Mit Vorteil wird die Spülströmung des geschmolzenes Metalles mittels der Anwendung von. schraubenartig verlaufenden Spulen erreicht, welche längs des Blocks stromabwärts der Giessform angeordnet sind. Eine optimale Strömung des geschmolzenen Metalles wird erwartet, wenn die Wirkung der Spulen die gesamte Länge des Schmelzbades erfasst. Die Bezugnahme auf eine schraubenförmig ausgebildete Spule bedeutet daher

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eine Spule, deren Windungen schraubenförmig um den Block oder Strang gelegt sind, d. h. eine. Schraubenform, die im wesentlichen koaxial mit dem Block und seiner Bewegung ist, gleichgültig ob die Schraubenform rechteckförmige oder längliche Windungen aufweist, ob abgerundete Ecken vorhandeii sind und ob die Windungen kreisförmig oder in anderer Weise an dem Block angepasst sind. Die Spulen werden in bekannter Weise durch einen Mehrphasenstrom erregt, um die gewünschtο Zirkulation des geschmolzenen Metalles zu erzielen.

Abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit werden innerhalb des hergestellten Blocks verschiedene Wachstumsstrukturen erzeugt. Im allgemeinen werden bei einer laminaren Strömung die Tannenbaum-Kristalle gebrochen, so dass säulenartige . Kristalle sich nicht ausbilden können und eine gleichachsige dendritische Struktur (regellose Orientierung des Dendriten) erhalten wird. Bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten wird eine Strömungsmodifizierte, nachfolgend als thamnitisch bezeichnete Struktur erhalten, welche runde Formen einschliesst und bei welchen keine Arme, gleichgültig of primäre oder sekundäre Arme, unterschieden werden können, wie dies bei den typischen dendritischen Strukturen der Fall ist. Bei noch höheren Strömungsgeschwindigkeiten entsteht ein faserartiges Wachstum, welches einem zellenartigen Wachstum ähnelt, das durch in einer Richtung fluchtend angeordnete primäre Struktur elemente gekennzeichnet ist, ohne dass irgendwelche sekundären Strukturelemente oder sekundären Arme vorhanden sind.

Jede dieser Strömungsgeschwindigkeiten ist durch eine Wachstumsstruktur gekennzeichnet, welche sich von jener unterscheidet, die bei den gleichen thermodynamischen Bedingungen ohne erzwungener Fluidströmung vorhanden wäre.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, verbesserte Erstarrungs-Mikrostrukturen zu schaffen. Die Erfindung wird

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anschliessend in Verbindung, mit den anliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

KLg. 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemässen Vorrichtung in stark vereinfachter und etwas schematischer Darstellung,

lüg. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 der 51g. 1,

5 abgetastete Elektronenmikroskop-Photographien von verschiedenen erfindungsgeraäss erhaltenen Mikrostrukturen,

Fig. 6 eine Kurvenreihe, aus \irelcher die Beziehung zwischen den verschiedenen Wachstumsstrukturen als Funktion der Eonsentration de^r gelösten Stoffe, des i'empex-dturgradieiiten und der Vachstumsgeschwiiidltj^-eit ersickuxich ist,

Fig. 7 eine Kurvenreihe, welche die Beziehung zwischen der Wachsturnsstruktur zur Eingangstemperatur und zur Strömungsgeschwindigkeit oder zur Leistuu_o..,^ufuhr angibt,

Pig. 8 eine Mikrographie (Vergrösserung 65fach) eines Schnitts, welcher parallel zur Wachstumsrichtung geführt wurde (d. h. des Wachstums aus einer abgeschreckten Oberfläche), welche eine gebrochene, säulenartige Mikrostruktur mit gleichachsige'm Charakter darstellt,

I¹Xg. 9 eine Mikrographie (Vergrösserung Gefach) eines parallel zum Wachstum geführten Schnitts, welche eine thamnitische Mikrostruktur zeigt,

Hg. 10a und 10b Mikrographien (Vergrösserung 65fach, verkleinert für die Eeproduktion) von Schnitten, welche jeweils parallel und senkrecht zur Wachstumsrichtung geführt sind und welche faserartige Mikrostrukturen zeigen,

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Hg. 11 eine Mikrographie (Vergrösserung 65fach, zwecks Reproduktion verkleinert) eines parallel zur Wachstumsrichtung geführten Schnittes, welcher von links nach rechts fortschreitend geführt wurde und welcher dendritische Mikrostrukturen zeigt, abgesehen von einem sich quer über den wachsenden Festkörper erstreckenden Band, in welchem das geschmolzene Metall einer erfindungsgemässen Strömung- ausgesetzt wurde, wodurch dort eine thamnitisehe Mikrostruktur erzeugt wurde.

Bevor die Abbildungen im einzelnen beschrieben werden, ist es zweckmässig, ein dendritisches Wachstum zu erörtern. Das dendritische Wachstum ist durch eine resultierende Mikrostruktur gekennzeichnet, welche ein baumartiges Aussehen besitzt und primäre und sekundäre Arme aufweist. Die primären • Arme einer dendritischen Struktur erstrecken sich in einer Richtung, ähnlich dem Stamm eines Baumes und die sekundären Arme erstrecken sich im allgemeinen senkrecht hierzu wie die Zweige eines Baumes. Die sekundären Arme können selbst weitere Arme aufweisen, die senkrecht dazu liegen. Säulenartige dendritische Strukturen sind durch verhältnismässig lange primäre dendritische Arme gekennzeichnet, welche sich im wesentlichen parallel zueinander ausrichten. Säulenartige dendritische Strukturen sind in einem Guss unerwünscht, da zu-™ mindestens die Ziehfähigkeit sich richtungsabhängig ändert; sie ist am grössten in der Wachstumsrichtung der primären dendritischen Arme und ist quer zur Wachstumsrichtung gering. Wie vorausgehend erwähnt' wurde, hat man bisher eine Rührbewegung um die Blockachse verwendet, um die Wachstumsstruktur zu beeinflussen und säulenartige Dendriten zu verhindern. Jedoch erhöht eine derartige Rührbewegung die Porosität im axialen Mittenbereich (wegen der Zentrifugalkräfte, welche das Bestreben haben, das geschmolzene Metall vom Mittelbereich des Schmelzbades nach aussen zu bewegen) und ist ferner unerwünscht, weil eine kreisförmige Strömung sich nicht an das Giessen von rechteckförmigen Querschnitten anpasst.

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Zur Erzielung einer Verfeinerung der Tannenbaum-Kristalle in ■ einem Giesskörper ist es wünschenswert, Einschlüsse und Seiger-ungen so weit wie möglich zu eliminieren. Die vor der Erstarrung gebildeten Einschlüsse sind hauptsächlich Oxide, die bei hohen Temperaturen beständig sind. Einschlüsse, die während der Erstarrung gebildet werden, sind zumeist Sulfide, Telluride, Arsenide, Nitride und einige Oxide. Die gewöhnlich bei Stahl auftretenden Einschlüsse sind Verbindungen von verschiedenen bei Stahl verwendeten, gelösten Stoffen oder Desoxidätionsmitteln in Verbindung mit Sauerstoff, Schwefel und sehr häufig mit Stickstoff. Palis eine Rührbewegung ■ um eine Blockachse oder eine örtliche Eührbewegung verwendet wird, so bleiben die Einschlüsse, falls sie überhaupt beein~ trächtigt werden, in der Struktur bestehen, oder neigen dazu, sich im Mittelbereich während des Er starrungs vor gangs zu konzentrieren. Erwünscht ist eine Bewegung des Metalles, welche an der Schlackenschicht vorbeitritt, so dass die Einschlüsse entfernt werden, wenn die Schlackenschicht erreicht wird. Eine Seigerung ist gekennzeichnet durch Konzentrationen von Elementen in Zonen innerhalb des Blocks und wird besonders . durch eine als Rotation vorhandene Kührbewegung erschwert, welche dazu neigt, Seigerungsbänder um die Blockachse als Folge der Zentrifugalkraft zu bilden. Eine Makroseigerung ist gewöhnlich bei grossen Gusskörpern anzutreffen und betrifft örtliche Änderungen in der Konzentration des gelösten Stoffs im Makromasstab. Eine Mikroseigerung stellt den Unterschied in der Konzentration des| gelösten Stoffs zwischen dem Mittelbereich des Dendriten und den interdendritischen Bereichen dar. Die Bezugnahme auf gelöste Stoffe bedeutet' im Beispiel von Stahl, von Eisen unterschiedliche:. Elemente, beispielsweise Legierungselemente, die in der gewünschten Zusammensetzung vorhanden sind.

Alle genannten Schwierigkeiten werden gemäss der vorliegenden Erfindung durch die Verwendung einer Rührtechnik gemäss Fig. 2 vermieden. Gemäsß den Fig. 1 und 2 wird das

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geschmolzene Hetall, welches^ kontinuierlich, beispielsweise in einem Block gegossen werden soll, einer Giessform 10 durch eine Zufuhrleitung 12 zugeführt, die sich von einer üblichen, nicht dargestellten Giesswanne nach, unten erstreckt. Die Zufuhrleitung weist einen Auslass 12a auf, welcher innerhalb des Schulelzbades und unterhalb einer Schlackenschicht 13 angeordnet ist und welcher nach oben gerichtet ist, so dass das aus der Zufuhrleitung austretende geschmolzene Metall nach oben gegen eine Stelle gerichtetHf. wird, die geringfügig unterhalb des Schnittpunkts der Schlackenschicht mit der Wand der Giessform liegt, wie dies durch Pfeile 14 angedeutet ist. Die Giessform wird über die Speiseleitung 16 mit einem Kühlmittel versorgt, welches im Innern 10a der Giessform umgewälzt wird und die Giessform durch den Auslass 18 verlässt. Die Giessform besitzt den üblichen Aufbau und besitzt gewöhnlich eine Länge in der Hichtung der Blockbewegung von 60 oder 90 cm, wobei die Blockbewegung in Fig. 2 nach unten erfolgt. Ein Block 20 v/ird gebildet, welcher ein Schmelzbad 22 enthält. Der Boden des Blocks wird gewöhnlich durch eine Stützanordnung 24 und durch Rollen 26 an den Seiten des Blocks gehalten. Gemäss Jig. 1 ist der Block, beispielsweise ein gegossener Strang_fquadratisch ausgebildet, was jedoch lediglich als Ausführungsbeispiel zu betrachten ist. Zwischen den Rollen 26 ist eine Reihe von schraubenförmig ausgebildeten Spulenabschnitten 28a, 28b, 28c, 28d» 28e, 28f ... 28n vorgesehen. Zur Kühlung kann Wasser um die Spulenabschnitte und Hollen geleitet werden. Die Spulenabschnitte 28 werden durch eine nicht dargestellte Wechselspannungsquelle derart erregt, dass die Erregung der Abschnitte sich in ihrer Phase in vorgegebener Weise ändert. .Für die Erregung kann eine beliebige Anzahl von Phasen eingesetzt werden. Dabei wird ein sich bewegendes Magnetfeld erhalten., welches-eine Metallströmung verursacht, die in Hg. 2 durch die Pfeile 30 augegeben ist.

Elektromagnetische Rührverfahren sind wohlbekannt. _:\ Ein elektromagnetischen Rühren wurde in Verbindung mit dem Schemlzen

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und. Frischen von geschmolzenem Metall angewandt. Beispielsweise wird auf die folgenden Patentschriften verwiesen, welche elektromagnetische Rührverfahren "betreffen: USA-Patentschrift Re. 24 463 (Williamson), veröffentlicht am 22. April 1958, USA-Patentschrift Ee. 24, 462 (Dreyfus), veröffentlicht am 22. April 1958, USA-Patentschrift 2 774 805 (Dreyfus), veröffentlicht am 18. Dezember 1956, USA-Patentschrift 2 968 (Tostmann), veröffentlicht am 17. Januar 1961, USA-Patentschrift 3 239 204 (Hokanson), veröffentlicht am 8. März 1966, USA-Patentschrift 2 686 823 (Jones), veröffentlicht am 17. August 1954, sowie auf den Aufsatz "Magnetische Wanderfelder für metallurgische Verfahren" von Yngve Sundberg (IEEE Spectrum, Mai 1969, Seiten 79 - 88).

Das "Verrühren von geschmolzenem Metall durch elektromagnetische Vorrichtungen ist, wie erwähnt wurde, wohlbekannt. Die ^₁ Rührvorrichtung arbeitet mit der Entstehung von Wirbelströmen innerhalb des geschmolzenen Metalls durch das sich ändernde magnetische Feld, wobei die Wirbelströme ihrerseits magnetische Felder erzeugen, die mit dem angewandten Magnetfeld zusammenwirken, um eine Bewegung des geschmolzenen Metalls zu erzeugen. Durch Verwendung einer Mehrphasenerregung für die Spulenabschnitte 28 werden dem geschmolzenen Metall nacheinander Bewegungsimpulse von Abschnitt zu Abschnitt in der. gewünschten Richtung mitgeteilt, so dass das Metall veranlasst wird, kontinuierlich nach unten längs seiner äussersten Bereiche zu fliessen, und zwar praktisch parallel zur Achse der Spulen. Die Strömung des geschmolzenen Metalls kann dabei in der durch die Pfeile 30 gezeigten Richtung erfolgen, nämlich in einer Spülbewegung über die Grenzschicht zwischen Festkörper und Flüssigkeit des Blocks, was durch die Pfeile 30a und 30b angezeigt ist und nach oben durch den Mittelbereich des Schmelzbades, was durch die Pfeile 30c und 3OcL angezeigt ist. Die Strömung längs der Grenzschicht zwischen Festkörper und Flüssigkeit erhöhlt! den Temperaturgradienten in der Flüssigkeit an der Grenzschicht und verkleinert oder

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eliminiert den Umfang der normalerweise in einem, erstarrenden Block an der Grenzschicht vorhandenen "breiigen Zone, abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit im Schmelzbad. Die Strömungsgeschwindigkeit ist eine Funktion der Viscosität des geschmolzenen Metalls und der den Spulenabschnittexi 28 zugeführten Leistung. Durch eine geeignete Vertauschung der Erregerphasen der ßpulenabschnitte könnte ein Fluss erzeugt werden, welcher entgegengesetzt zu dem in Fig. 2 dargestellten verläuft, nämlich nach oben längs der Grenzschicht zwischen Festkörper und Flüssigkeit und nach unten im Mittelbereich des Schmelzbads. Jedoch ist die Strömung gemäss Fig. 2 sehr wünschenswert, nämlich nach unten längs der Grenzschicht zwischen Festkörper und Flüssigkeit und nach oben im Inneren des Schmelzbades, da diese Strömung der normalen Eonvektionsströmung entspricht und diese·unterstützt, die in einem Block während der Erstarrung auftritt.

Wie ersichtlich, erstreckt sich das Schmelzbad 22 eine erhebliche Entfernung unterhalb der Giessform 10 und diese Entfernung kann in einigen Fällen bis zu 24 m betragen, abhängig von der Geschwindigkeit der Blockbildung und der Bewegung. Der Bodenabschnitt 22a des Schmelzbads ist abgerundet oder sogar abgeflacht und verlauftnicht zugespitzt, so als wäre keine Strömung vorhanden. Dieser Abflachungseffekt wird durch den Umlauf des heissen, geschmolzenen Metalls von der Oberseite des Schmelzbads längs den Seiten des Schmelzbads bis und über den Boden des Schmelzbades verursacht. Daher ist die Form des Schmelzbades kegeistumpfförmig und nicht konisch mit einem scharf ausgeprägten Boden, als wenn keine erzwungene Strömung vorhanden wäre. Es wird angenommen, dass das Volumen des mit erzwungener Strömung arbeitenden Schmelzbades das "gleiche ist als das Volumen eines Schmelzbads ohne erzwungene Strömung. Wird daher eine erzwungene Strömung angewandt J so ist die Länge des Schmelzbades geringer als bei fehlender erzwungender Strömung. Ein Vorteil eines kürzeren Schmelzbades liegt darin, dass beim

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Eide des kontinuierlichen Giessvorgangs, wenn die Zuführung des geschmolzenen Metalls zum Block, d. hc der Metallstrang, angehalten wird, die Länge des Abfalls kurzer ist als dies normalerweise der Pail sein würde. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass, vrenn aufeinanderfolgende Längsabschnitte von dem kontinuierlich gegossenen Strang abgeschnitten werden, die Gefahr viel geringer-ist, dass die Schneidebene ein zugespitztes Ende des Schmelzbades trifft und zu einem Entweichen flüssigen Metalls führt.

Durch die Anordnimg der- Spulenabschnitte 28a unterhalb der ' ä Giessform 10 ist das elektromagnetische Feld im erheblichen' Umfang innerhalb der Giessform nicht vorhanden. Dies ist vorteilhaft, da es wünschenswert ist, die Turbulenz und Rührwirkung innerhalb der Giessform an der Stelle, wo die äussere Haut des Blocks zuerst gebildet wird, zu verringern. Der nach oben gerichtete Auslass 12a aus der Zuführleitung 12 unterstützt eine diesbezügliche Metallströmung und verursacht eine vollständige Flüssigkeitspülung an der Unterseite der Schlackenschicht, wodurch Einschlüsse entfernt werden. Die Strömung aus der Düse ist im allgemeinen gegen die Stelle oder gerade unterhalb der Stelle eingerichtet, wo sich die Schlackenschicht mit dem Seiten der Giessform schneidet, so dass jegliche !Turbulenz in der Schlackenschicht vermieden wird.

Obwohl eine besondere Ausführungsform von schraubenförmig gewickelten Spulenabschnitten dargestellt worden sind, ist es möglich, andere sch-raubeniCÖrmig gewickelte . kpuienanordnungen zu verwenden. Insbesondere kann die Spule kontinuierlich gewickelt sein und an verschiedenen Stellen Anzapfungen für die verschiedenen Erregerphasen besitzen. In einer anderen Äueführungeform können eine Mehrzahl von Leitersträngen schraubenförmig um den Block nebeneinander gelegt sei», wobei iJeder Strang eine einzelne Erregerphase führt. Viele Alter* nativen sind für den Fachmann offensichtlich, Gewünscht wird selbstverständlich eine Fluidströmung der vorausgehend er-

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läuterten Art. Die elektromagnetischen Spulen können ferner aus einem Kupferrohr bestehen, welches ein Kühlmittel für die Wärmewegleitung von der Elektromagnetanordnung führt. Die Wirkung der Elektromagnetanordnung sollte zuinindestens einen Teil und vorteilhafterweise im wesentlichen die volle Länge des Schmelzbades in Abwärtsrichtung unterhalb der Giessform erfassen, wobei der letzte Umstand wünschenswert ist, um den volllenj Vorteil einer Verrührung des Schmelzbades zu erzielen. ' --■

Der von den Spulen geführte Strom hängt vom gewünschten Umfang der Rührwirkung und dem Material des Schmelzbads ab. Unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten können erwünscht sein, in welchem lalle der Strom entsprechend geändert wird. Ferner sollte die Erregerfrequenz so gewählt werden, dass eine gute Durchdringungstiefe durch das Schmelzbad erzielt wird, um eine entsprechende Fluidströmung durch alle Bereiche des Schmelzbades zu erreichen. Die .Änderungen dieser Parameter sind für den Fachmann offensichtlich«

Obwohl ^rfür die Ausbildung' des magnetischen Feldes eine Erregung durch Wechselstrom unterschiedlicher Phase besonders erwähnt worden ist, besteht ein anderes Betriebsverfahren in der Verwendung eines gepulsten Gleichstroms. Die Phase der Impulsgabe wird üblicherweise unter den verschiedenen Spulenabschnitten oder Segmenten geändert, d. h. zeitlich aufeinanderfolgend längs der gewünschten Biehtung der vertikalen Abwärtsströmung eingestellt, um die gewünschte Bewegung des geschmolzenen Metalls Innerhalb des Schmelzbads-im Block zu erreichen. . " ... . -

Die Erregerfrequenz, gleichgültig οΐ> Wechselstrom oder gepulster Gleichstrom verwendet wird, ist im allgemeinen gering und üblicherweise in der Gross anordnung von 60 Hs oder kleiner. Jedoch kann es erwünscht sein, die Erregongsspulen zu begrenzen, so das eine periodische Erregung verwendet wird.

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Insbesondere kann dem geschmolzenen Metall ein Strömungsverlauf gemäss Fig. 2 mittels eines kontinuierlich einwirkenden Wechselstroms oder eines gepulsten Gleichstroms erteilt werden. JUe Erregung der Spulen erfolgt dann, intermittierend, sobald die Trägheit der "bewegten Flüssigkeit ausreicht, um eine Pluidströmung fortzuführen, ohne dass ein.äusseres Feld vorhanden ist. Eine wahlweise· Erregung der Spulen erfolgt dann, um das geschmolzene Metall im Bewegung zu halten.

Ferner können Änderungen des magnetischen Felds (Ampere-Windungen) innerhalb der verschiedenen Spulenabschnitte verwendet werden, falls dies gewünscht wird, oder die Anwendung (J einer Spulenanordnung nur über einen Teil anstelle über nahezu das gesamte Schmelzbad.

In Fig. 2 ist eine zweckmässige Giessform 10 dargestellt, wobei die Blockbewegung in vertikaler Richtung erfolgt. Es ist jedoch eine Blockbewegung in jeder Richtung möglich und es braucht leine bestimmte Giessform verwendet werden. Insbesondere kann ein bewegtes Förderband für die Blockbildung verwendet v/erden, welchesin der USA-Patentschrift 3 036 348 (Hazelett et al.) beschrieben ist. Daher kann unter der Giessform 10 in Fig. 2 jede "Formvorrichtung" verstanden werden, die sich zur Herstellung einer kontinuierlich gegossenen Struktur eignet.

Wie bereits erwähnt wurde, ändert sich die Strömungsgeschwindigkeit des geschmolzenen Metalls mit der Wachstumsstruktur im Block. Mit einer erzwungenen Fluidströmung sind drei grundsätzliche Wachstumsstrukturen möglich, nämlich gleichachsig, thamnitisch oder strömungsmodifiziert, und faserartig.

Eine gleichachsige dendritische Struktur ist durch'folgende Merkmale gekennzeichnet: (1) erkennbare Tannenbaum-Kristelle haben primäre und sekundäre Arme, bei welchen die Tannenbaum-

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Kristalle gebrochen sind und durch die erzwungene Fluidströmung an neue Lagen herangebracht wurden, welche von den Brechpunkten entfernt sind und (2) die primären Arme liegen in regelloser Orientierung vor. Die gleichachsige dendritische Mikrostruktur entspricht einer freien dendritischen Mikrostruktur, abgesehen von dem Umstand, dass ein Brechen der Tannenbaum-Kristalle vorliegt, und dass somit gebrochene und regellos orientierte.Tannenbaum-Kristalle vorhanden sind« Die gleichachsige Makrostruktur wird durch die Strömung innerhalb des Schmelzbades erzeugt. Die Fig. Ja und 3b' zeigen abgetastete El ektronen-Iiikro skoppho tographx en der Grenzschicht zwischen Festkörper und Flüssigkeit einer Struktur, die durch eine laminar - ähnliche Strömung gleichachsig ausgebildet wird, wobei die Vergrösserung in Fig. 3a das 100-fache und in Fig. 3b das 500-fache beträgt. In der einen ebenen Schnitt darstellenden Mikrographie der Fig. 8 sind die Umrisse der Tannenbaum-Kristalle mit ihrer charakteristischen Verzweigung durch die dunklen, scharf gewellten Linien oder Bereiche dargestellt; die gebrochene oder getrennte und in hohem Umfang gleichachsige Struktur ist erkennbar, desgleichen die etwas regellose Orientierung. In dieser Fig. sowie in den Fig. 9 bis 11 sind die sehr dünnen Linien und die fadenartigen Markierungen oder Punkte innerhalb der dendritischen Ausbildung oder anderen Formen ohne Bedeutung im vorliegenden Zusammenhang. Die hier beschriebenen Strukturen sind jene, welche von den eine.merkliche Erstreckung aufweisenden oder miteinander verbundenen dunklen Linien oder Markierungen gebildet werden.

Eine thamnitische oder strömungsmodifi zierte Mikro struktur, welche durch eine turbulente Fluidströmung erzeugt wird, ist eine Mischung von regellosen, -runden Formen. Keine Arme können dabei unterschieden werden, weder primäre noch sekundäre Arme. Die Fig. 4a und 4b zeigen abgetastete elektronenmikroskopische Photographien der Grenzschicht zwischen Festkörper und Flüssigkeit einer thamnitischen oder strömungsmodifizierten Struktur,

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die durch eine turbulente IPluidströmung erzeugt wird. Die Vergrösserung in diesen Figuren beträgt jeweils das 5Ofache und das 200fache. Das Fehlen jeglicher Symmetrie in der tham-. nitischen oder Strömungsmodifizierten Struktur ist offensichtlich. Im Einklang mit thermo dynamisch en Gesichtspunkten schreitet das dendritische Wachstum normalerweise in eine Strömung fort, welche in einer Richtung erfolgt} es hat sich nunmehr gezeigt, dass, wenn, die Strömung turbulent wird, und keinerlei Ausrichtung aufweist, das feste Metall entsprechend in einer regellosen Vielzahl von Richtungen wachsen kann, woraus sich die ausgeprägte thamnitische Struktur ergibt, wobei der Ausdruck thamnitisch eine büschelartige Struktur kennzeichnet. Die einen ebenen Schnitt darstellende Mikrographie der Fig. 9 zeigt die regellosen, eng aneinandergrenzenden und verschiedentlich verbundenen abgerundeten Formen dieser Mikrostruktur\ ihr Aussehen ist"im wesentlichen das gleiche bei Betrachtung in einer Ebene senkrecht zur Wachstumsrichtung.

Faserartige Mikrostrukturen werden bei einer stark turbulenten Strömung erhalten. Diese Struktur ist durch primäre Strukturelemente gekennzeichnet, die nur in einer Sichtung verlaufen, ohne dass irgendwelche sekundäre Strukturelemente oder Arme vorhanden sind. Dabei ist eine offensichtliche Verschmelzung oder Verwirkung der primären Strukturelemente vorhanden, und zwar als Folge der sich kontinuierlich ändernden Wachstumsbedingungen in der Grenzschicht (in der flüssigen Phase), als Folge des extrem starken turbulenten Strömungsverlaufs. Die Fig. 5a und Jh zeigen abgetastete elektronen-mikroskopische Photographien der Grenzschicht zwischen Festkörper und Flüssigkeit einer faserartiSen Struktur, die durch eine turbulente Strömung erzeugt wurde. Die Vergrösserungen betragen jeweils das 10Ofache und das 20Ofache. Die Fig. 10a und 10b stellen in einem ebenen Schnitt in der vorausgehend beschriebenen Weise erhaltene Mikrographien dar, welche die länglichen, irgendwie über Kreuz liegenden Grenzlinien (in Wachstumsrichtung) an-

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geben sowie die kleinen Querabschnitte der etwa faserartig verlaufenden Elemente dieser Mikrostruktur, welche darüberhinaus durch sehr kleine Abstände zwischen den einzelnen Elementen gekennzeichnet ist.

Die abgetasteten elektronenmikroskopisehen Photographien der Pig. 3> 4- und 5 wurden von statisch gegossenen Blöcken aufgenommen. Das Blockrsiaterial war AISI 4335 Stahl. Dabei wurde ein zylindrischer Schmelztiegel mit einem Durchmesser von 10 cm und einer Höhe von 15 ^cm verwendet, v/elcher über eine horizontale Achse um 180° drehbar war. Das Giessen des Blocks erfolgte am Boden des Schmelzt!egels. Eine um den Block angeordnete Induktionsspule sorgte für die erforderliche Umwälzung des gegossenen Metalls. Das wohlbekannte Abgiess-Verfahren wurde verwendet, um die Grenzschicht zwischen Festkörper und Flüssigkeit der Blockstruktur erkennen zu lassen. Insbesondere wurde der Schmelztiefel zu einem bestimmten Zeitpunkt während der in einer Eichtung erfolgenden Erstarrung um 180° verschwenkt, um das geschmolzene Metall wegzugiessen, wodurch die Grenzschicht zwischen Flüssigkeit und Festkörper für eine anschliessende photographische Aufnahme freigelegt war.

Die Fig. 8 bis 11 stammen ebenfalls von Blöcken, die in den vorausgehend genannten Schmelztiegel gegossen wurden, wobei die Strömung des geschmolzenen Metalls gegen die wachsende Grenzschicht zwischen Festkörper' und Flüssigkeit gerichtet ist, d. h. die Strömung verläuft im wesentlichen parallel zur abgeschreckten Fläche, von welcher das Wachstum voranschreitet. Fig. 11 zeigt eine Anordnung, bei welcher die Strömung unterbrochen wurde, während das Wachstum in dendritischer Form in der linken Seite der Figur fortschritt, worauf eine turbulente Strömung hervorgerufen wurde, welche im mittleren Bereich ein thaiani ti sehen Wachstum ergab (wobei die Strömung in der Figur vertikal verläuft), und worauf schliesslich die Strömung unterbrochen wurde, um zur Rechten

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in der Figur eine weitere dendritische Struktur zu erzeugen, wobei letztere etwas regellos und gleichachsig ausgebildet ist, da die Flüssigkeit im gewissen Umfang mit gebrochenen Tannenbaum-Kristallen beladen war.

Diese drei neuen grundsätzlichen Wachstumsstrukturen sind in der nachfolgend aufgeführten Tabelle angegeben, \«/elche diese Strukturen mit der unerwünschten säulenartigen, dendritischen Struktur vergleicht, welche vorhanden ist, wenn das G-iessen des Blocks ohne jegliche erzwungene Strömung erfolgt. Die wünschenswerten Merkmale der gleichachsigen dendritischen Struktur, der thamnitisehen oder strömungsmodifizierten Struktur und der faserartigen Struktur sind aus der Tabelle ersichtlich.

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Tabelle I

Säulenartige dendritische Struktur (keine Strömung)

Gleichachsige dendritische Struktur (durch Strömung verursacht) Thamni ti s ch e
oder strönungsrmodifiaierte
Struktur (turbulente Strömung)

Fa s er ar ti ge Struktur
(turbulente Strömung:

Physikalische Merkmale

Festigkeitseigenschaften

Ziehfähigkeit

In einer Richtung'ver- Regellose Anhäufung laufende ausgerichtete α,ιά Orientierung von Dendriten (primäre Arme gebrochenen Dendriten miteinander ausgerichtet) Regellose runde
Formen, gebildet
in situ

"**· Art der breiigen Merklich - Zone

Anisotrop (grösste Festigkeit in Wachstumrichtung)

Schwach guer zur Vachs tumsrichtung

Isotrop

Gut Verringert Isotrop

sehr klein

ITur in einer Richtung verlaufende zueinander fluchtende primäre Arme, welche zwischen sich verschmolzen oder verstrickt sind

Gut

Praktisch nicht vorhanden

CO CD CO

!Tabelle I;i ( Po r t s e t ζ ung )

Säulenartige dendritische Struktur (keine Strömung) Gleichachsige dendritische Struktur
(durch Strömung verursacht)

Einschlüsse

Vorhanden; Grosse und Volumenanteil steigt von der Form nach

j r\Ti gp

Vorhänden; jedoch von
im wesentlichen konstanter Grosse und
konstantem Volumenanteil

!Ihamnitische oder strömungsmodifizierte Struktur (turbulente Strömung)

Faserartige Struktur ("turbulente Strömung)

Wenig, verhältnismässig konstant und von geringer Grosse und gerin-

fe_m Volumenanteil Volumenanteil kann sich von der Form geringfügig nach innen verringern

Vorhanden, konstant und von geringer Grosse und geringem Volumenanteil , von der Form nach innen abnehmend

IO	Kücroseige-	Vorhanden
O	rung
<o
«Ρ	MaTrroseige-	Vorhanden
O	ruog


IO
KJ
to

Vorhanden

Merklich verringert

Verringert

Sehr geringfügig oder nicht vorhanden

Merklich verringert

Keine

8407-ACS **

Die Fig. 6 ergibt eine graphische Darstellung der verschiedenen Wachstumsarten bei fehlender Strömung als Punktion der Konzentration C der gelösten Stoffe und des kritischen Verhältnisses G/E, wobei G den Temperaturgradienten im Schmelzbad an der Grenzschicht zwischen Festkörper und Flüssigkeit darstellt und E die Wachstumsgeschwindigkeit des Festtörpermaterials in einer Sichtung senkrecht zur Grenzschicht zwischen Festkörper und Flüssigkeit. In Fig. 6 sind vier Hauptarten des Wachstums vorhanden, nämlich: (a) Freies, dendritisches Wachstum (keine besondere Orientierung der primären dendritischen Arme); (b) säulenartiges, dendritischet] Wachstum (Fluchtung der primären dendritischen Amre); (c) zellenförmiges Wachstum (primäre, aber keine sekundären dendritischen An&e); und (d) planares Wachstum (keine dendritische Struktur).

Die vorliegende Erfindung arbeitet mit einem Schmelzbad innerhalb eines Blocks, bei welchem die Faktoren der Konzentration der gelösten Stoffe und des kritischen Verhältnisses in thermodynamischer Hinsicht normalerweise zu einem säulenartigen dendritischen Wachstum führen würden, beispielsweise entsprechend dem Punkt a in Fig. 6. Bei einer laminarartigen Strömung erfolgt ein Abbau oder ein Aufbrechen der Dendriten, so dass die Breite der säulenartigen Zone verringert wird, die normalerweise durch mindestens zwei Vorgänge vorhanden wäre: Dynamisches Abscheren der Dendriten und die Lösung der Dendritenstämme durch das umgewälzte flüssige Metall durch die breiige Zone. Ein säulenartiges Wachstum wird ferner durch die Fluidströmung verhindert, da Dendriten innerhalb · der Strömung an von den Bruchstellen verschiedenen Punkten wieder abgelagert werden, woduch eine gleichaohsige Struktur (regellose Orientierung des primären Dendritenanne) vervollständigt wird- Obwohl ein säulenartiges dendritisches Wachstum beispielsweise an der Stelle a in Fig. 6 vorhanden sein würde, ist die Wirkung der geschmolzenen Fluidströmung derart, daas eine gleichachsig« Struktur

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8407-Acs 13 .2141869'

erhalten wird, welche das Äquivalent eines freien Dendriten- Wachstums darstellt. Das Äquivalent einer thermodynamisehen Verschiebung des Punkts a in den freien dendritischen V/achstumsbereich der Fig. 6 wird dabei durch eine laminarähnliche Strömung erzielt.

Steigert sich die Strömungsgeschwindigkeit zur einer turbulenten Strömung, so stellt sich heraus, dass die übliche dendritische Morphologie eliminiert ist, obwohl die normalerweise vorhandene thermodynamische Betriebsweise innerhalb des säulenartigen, dendritischen Bereichs in Pig. 6 liegen würde, und es wird eine Struktur erhalten, die in diesem λ Zusammenhang als thamnitisch oder als Strömungsmodifiziert bezeichnet wird, und welche in der dritten Spalte der vorausgehenden Tabelle I durch regellose runde !Formen gekennzeichnet ist. Keine Armbildungen sind in der thamni ti sehen Struktur erkennbar.

Bei noch höheren Geschwindigkeiten des geschmolzenen Metalls erfolgt das örtliche Wachstum innerhalb des Blocks im allgemeinen in einer Richtung. Ein derartiges Wachstum wird hier als "faserartig bezeichnet und ist in der vierten Spalte der Tabelle I aufgeführt. Eine derartige Wachstumsstruktur entspricht einem zellenartigen Wachstum unter äquivalenten, thermodynamisehen Bedingungen ohne Fluidströmung. \

Wie ersichtlich, bestimmt die Strömungsgeschwindigkeit die Mikrostruktur des Blocks und daher wird abhängig von der gewünschten Struktur- die Strömungsgeschwindigkeit ausgewählt.

7 gibt eine graphische Darstellung der Strömungsgeschwindigkeit, welcher für die drei einzelnen und vorausgehend beschriebenen unterschiedlichen Mikrostrukturen erforderlich ist, nämlich für eine gleichachsige (zumindest teilweise gleichachsige), für eine strömungsmodifizierte oder thamnitische, und für eine faserartige Struktur, als

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Funktion der Ausgangs temp era tür. Wie ersichtlich, besteht eine unmittelbare Beziehung zwischen der Strömungsgeschwindigkeit . und der den Spulen zugeführten Leistung, welche eine »Strömung des geschmolzenen Metalls hervorruft, und daher ergibt die Ordinate in Fig. 7 die Strömungsgeschwindigkeit oder die Leistungszufuhr an die Erregerspulen an. In KLg. 7 wird, der gleichachsige Bereich durch die Fläche unter der Kurve 40 dargestellt. Der strömungsmodifizierte oder thamnitische Bereich liegt zwischen den Kurven 40 und 42 und der faserartige Bereich liegt oberhalb der Kurve 42.

Untersuchungen mit stationär gegossenen Blöcken mit induzierter Fluidströinung wurden mit AISI 4335 Stahl durchgeführt. Dabei ergab sich folgendes: (die Zahlen ergeben die durchschnittlichen Strömungsgeschwindigkeiten und beziehen sich auf eine Schmelze mit einer Eingangstemperatur von 1565° C) s

1. Eine induzierte Fluidströmung geringer Geschwindigkeit (unter 20 cm/sec)_ erzeugt laminarähnliche Strömungsbedingungen, die eine säulenartige dendritische Struktur in eine gleichachsige dendritische Struktur verändern, bei den vergleichsweise höheren Temperaturgradienten oder kürzeren Entfernungen gegenüber einer vorgegebenen Abschreckung, welche im Vergleich zu den statischen Erstarrungsbedingungen vorhanden sind. Steigt die Geschwindigkeit der induzierten Strömung an (bis 25 cm/sec), so erhöht sich der Anteil des Abbaus der säulenartigen dendritischen Strukturen in in einer Richtung erstarrenden Blöcken, bis diese säulenartige Struktur vollständig verschwunden ist. Bei noch grösseren Geschwindigkeiten (oberhalb 25 cm/sec) wird die induzierte Strömung turbulent und die Morphologie der erstarrten Strukturen wird strömungsmodifiziert oder thamnitisch, wobei das örtliche Wachstum in vielen Eichtungen voranschreitet. Eine turbulente Pluidßtrömung bei sehr hohen Geschwindigkeiten (oberhalb 55 cm/sec) erzeugt faserartige Strukturen mit einem Aussehen, welches einer zellenförmigen Struktur ähnlich ist.

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8407-Acs χζ 21A1868

2. Steigende Strömungsgeschwindigkeit verringert die Vachstumsgeschwindigkeit des in einer Richtung wachsenden Festkörpers und erhöht den Temperaturgradienten an der Grenzschicht zwischen Festkörper und Flüssigkeit durch einen kombinierten mechanischen und thermischen Effekt. Dieser Strömungseffekt ist ausgeprägter bei grösseren Entfernungen von der Abschreckungsstelle.

5. Eine turbulente Fluidströmung am wachsenden Festkörper vorbei verringert die Breite der breiigen Zone₅ beseitigt eine Makros ei gerung und verringert den Umfang der llikroseigerung. f

4» Turbulente Strömung, deren Geschwindigkeit mindestens zur Bildung von Strömungsmodifizierten oder thamnitisehen Strukturen ausreicht, verhindert eine Vergröberung von Einschlüssen, welche normalerweise auftritt, wenn die Entfernung von der Abschreckungsstelle zunimmtj bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten, welche zur Ausbildung von faserartigen Strukturen führen, fällt der Anteil der Volumeneinschlüsse mit steigender Entfernung von der Abschreckungs- ' stelle.

5. Die Zugfestigkeitseigenschaften der Strömungsmodifizier- j ten Struktur sind a'enen ähnlich, die bei einer statisch gegossenen, säulenartigen dendritischen Struktur nahe an der Abschrecksteile erhalten werden, wobei jedoch kein Verlust an Streckbarkeit (Masseneffekt) bei grösseren Entfernungen von der Absehrecksteile der statisch erstarrenden Struktur eintritt. . .

6. Die faserartige Struktur ist in ihren Zugfestigkeitsverhalten ähnlich der säulenartigen und strömungsmodifizierten oder thamni tischen Struktur·

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_2C 2H1868

8407-lCS

7. Die interdendritischen Entfernungen sind in der gleichachsigen dendritischen Struktur viel kleiner als in der säulenartigen dendritischen Struktur, wodurch weniger Raum für Seigerungen und Einschlüsse vorhanden ist, die in der Makrostruktur eingeschlossen werden können. Dieses Raum verringert sich zwischen den Vachstumselementen der thamnitisehen Mikrostruktur und wird noch kleiner in der faserartigen Mikrostruktur.

Es wird darauf hingewiesen, dass bei der normalen Erstarrung des Metalles, bei geringer oder fehlender Strömung, eine sogenannte breiige Zone von verhältnismässig erheblicher Ausdehnung tischen dein wachsenden Festkörper und dem flüssigen Metall vorhanden ist. In dieser Zone tritt eine Seigerung auf und ruft eine lokalisierte erhöhte Konzentration gelöster Stoffe hervor, was sich im Erzeugnis sowohl im Mikromasstab (wie vorausgehend definiert) als auch im Makromasstab zeigt, indem eine Kontinuität der erhöhten Konzentration gelöster Stoffe über einen erheblichen Bereich oder eine erhebliche Entfernung erhalten wird. Darüberhinaus wird die Bildung von Einschlüssen, d. h. sogenannten ursprünglichen Einschlüssen, in der breiigen Zone hinsichtlich von Atomen von Elementen wie Sauerstoff und Schwefel erheblich gefördert, welche dort in flüssiger Phase konzentriert werden und sich mit den metallischen Elementen in der breiigen Zone vereinigen. Bei einer erheblichen Fluidströmung werden im Einklang mit der " vorliegenden Erfindung Seigerung und die Bildung von Einschlüssen erheblich verringert, wie vorausgehend ausgeführt wurde. Die Ausdehnung oder Dicke der breiigen Zone wird verringert und in der Tat im !"alle einer intensiven Strömung, die eine faserartige Struktur hervorruft, völlig zum Verschwinden gebracht, und die Bewegung des Metalles führt die örtlichen Anteile der hohen Konzentration gelöster Stoffe und den örtlichen Anteil von· ELnschlüseenbildenden Elementen weg, so dass die letztgenannten aufgelöst und die erstgenannten

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8407-ACS ZT

in der üblicherweise beabsichtigten Konzentration in der Flüssigkeit neu verteilt werden. Die Verkleinerung der breiigen Zone wird gefördert oder gekennzeichnet durch die Verkleine— rung des Abstands zwischen den wachsenden Festkörper-Strukturen, wie beispielsweise den Dendriten, was zur Beseitigung der durch Seigerung und Einschlüsse entstehenden Probleme beiträgt. Schliesslich werden die thermodynamisehen Bedingungen zwischen der festen und flüssigen Phase durch die Bewegung der Flüssigkeit und ihre Nachbarschaft aur festen Phase verändert, und zwar in Richtung eines grÖsseren Ausgleichs der Konsentration der gelösten Stoffe in benaohbar- · ten festen und flüssigen Abschnitten, xfie dies zur Vermeidung λ der Seigerung im fertigen gegossenen Körper höchst erwünscht ist.

Ein Vorteil der erzwungenen Strömung des geschmolzenen Metalls innerhalb des Bades im Innern eines kontinuierlich gegossenen Blocks besteht darin, dass Seigerungen und Einschlüsse vorwiegend auf das Bad beschränkt sind- Infolgedessen ist am Ende eines Giessvorgangs Ίas Schmelzbad reich, an gelösten Stoffen und Seigerungen« Wie vorausgehend erwähnt wurde, ist das Ende des Blockes₉ welcher zuletzt gegossen wurde, und welcher unbrauchbar ist, kürzer als in einem Falle, wenn keine erzwungene FliiidstrÖmung vorgesehen ist. . . · i

Obgleich einige als Ausführungsbeispiele dienenden Versuche mit ausgewählten repräsentativen, niedrig-legierten Stähle durchgeführt wurden, eignet sich die Erfindung zum Giessen von Metallen schlechthin, einschliesslich aller Stahlsorten, gleichgültig ob es sich um üblichen Strahl mit üblichem

Kohlenstoffanteil oder um verschiedene hoch- oder niedriglegierte Stahlsorten, rostfreiem Stahl oder andere Spezialstähle handelt. Die Verbesserungen im Verfahren und in den Erzeugnissen betreffen grundsätzlich die Strukturen, d. h. die Mikrostrukturen und die verbesserten physikalischen

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8407-ACS

22 . 2Hi 868

Wirkungen, welche im Verlauf der Erstarrung des geschmolzenen Metalls auftreten. Obwohl sich die Erfindung vorwiegend auf ein kontinuierliches Gi essverfahren der beschriebenen Art bezieht, sind die unterliegenden Grundsätze auf das Giessen im weiteren Sinne anwendbar. Ein besonderer Vorteil, welcher vorausgehend betont wurde und beim kontinuierlichen Giessen erheblichen Wert hat, liegt in der Erzeugung eines ungewöhnlich reinen, gleichförmigen Metalls in einer verlässlichen und ohne Schwierigkeiten steuerbaren Weise.

Ein Ausführungsbeispiel einer Spulenanordnung, welche um den · nach unten austretenden Strang (d. h. Block) bei einem kontinuierlichen Giessverfahren gelegt wurde, wies drei Abschnitte mit je 10 Windungen aus Kupferrohr auf, welche . . . Kühlwasser führen und die längs des Strangs kontinuierlich unmittelbar aufeinanderfolgen, wobei die Windungen quadratisch mit abgerundeten Ecken ausgeführt sind und schraubenförmig den Strang mit rechteckförmigen Querschnitt umgeben. In- einem Falle wurde eine Vorrichtung zum Giessen von Stahl verwendet, beispielsweise zum Giessen eines Blocks mit den Abmessungen 20 cm χ 25 cm mit einer jFörderjgeschwindigkeit des Blocks von 112 cm pro Minute nach unten| durch eine Giessform mit einer Höhe von 92 cm, wobei die Abschnitte jeweils an eine übliche Dreiphasen-Wechselstromquelle angeschlossen waren, undj| die Phasendifferenz (120°) in der Einheit fortschreitend nach unten auftrat, und zwar derart, dass ein I¹Iiessen des geschmolzenen Metalls nach unten (ausgehend von einem Bereich oberhalb zu einem Bereich unterhalb der Einheit) längs der Grenzschicht zwischen Festkörper und Flüssigkeit und zurück zum Mittelbereich des flüssigen Schmelzbads erzielt wurde. Dabei wird darauf hingewiesen,, dass die Geschwindigkeit der Abwärtsströmung,die im geschmolzenen Metall induziert wird, in allen Fällen grosser ist als die Geschwindigkeit der Abwärtsbewegung des Blockes und des Bades insgesamt, und beispielsweise von unterschiedlicher höherer Grössenordnung der Geschwindigkeit ist»

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8407-ACS Ü\

!Führt jeder Abschnitt der Einheit einen Strom von etwa 800 Ampere "bei einer Spannung von 5OO Volt, so erscheint die Strömung des geschmolzenen Metalls- genügend schnell, um eine thaitmitische Struktur in einem Band von nach innen wachsender Erstarrung zu erzeugen, welches auftritt, wenn der Strang durch die Einheit hindurchtritt, wobei einige günstige Einwirkungen auf die MikroStruktur in weiter innengelegenen Erstarrungsbereichen erzielt werden. Eine gewisse Brauchbarkeit wurde in der Tat mit einer einzigen Spuleneinheit erreicht, welcher 75 cm hoch war (25 cm pro Abschnitt) und dessen oberes Ende 153 cm unter dem Boden der Giessform · angeordnet war: Die Mikrostruktur war dabei im gewissen Um- \ fang zumindest in den Bereichen verbessert, die im Abstand von 3»8 cm vom Strangumfang nach innen lagen, und Schrumpfungen im Mittelbereich oder Hohlräume wurden verkleinert oder insgesamt in ihrer Zahl verringert, so dass ein besseres Giesserzeugnis erhalten wurde, als dies bisher in vielen Fällen möglich war oder ohne dajssj eine unerwünscht niedrigere Temperatur des in der Giesswanne zugeführten Metalls verwendet wurde.

Besondere und deutlich verbesserte Ergebnisse werden durch die Erfindung jedoch dann erhalten, wenn die elektromagnetische Einwirkung der Spulen mindestens einen erheblich längeren · λ Bereich des Schmelzbades erfasst (welches sich 10,7 m oder mehr unterhalb der Giessform erstrecken kann) und vorzugsweise den gesamten Schmelzbadbereich; beispielsweise kann in der vorausgehend beschriebenen Vorrichtung eine weitere gleichartige Spuleneinheit zwischen der Giessform und der genannten vorausgehend·beschriebenen Spuleneinheit angeordnet werden und ferner kennen eine weitere Einheit oder mehrere solcher Einheiten unterhalb der beschriebenen Einheit längs des austretenden Strangs angeordnet werden.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren sum Giessen eines Blocks, "bei welchem innerhalb des Blocks ein Bad geschmolzenen Metalls vorhanden ist, das von mindestens einer erstarrten Metallzone umgeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbesserung der anschliessenden erhaltenen Erstarrungsstruktur des geschmolzenen Metalls eine Umwälzung des geschmolzenen Metalls innerhalb des Schmelzbads verursacht wird, welche (a) kontinuierlich mindestens eine ausgewählte Länge der Grenzschicht zwischen Festkörper und Flüssigkeit zwischen dem Schmelzbad und der erstarrten Zone spült, um dabei eine erste Richtung festzuliegen, und_ Cb) in einer Eichtung izurfick| geführt wird, die entgegengesetzt zur genannten ersten Richtung liegt, um die Umwälz-"bewegung zu vollenden.

2. Verfahren zum kontinuierlichen Giessen eines Blocks, in welchem ein Bad eines geschmolzenen Metalles vorhanden ist, welches sich von der Giessform, in welchem die äussere Haut des Blocks erzeugt wird, einen wesentlichen Betrag nach unten erstreckt, dadurch gekennzeichnet, das zur Verbesserung der Erstarrungsstruktur des Blockes eine Umwälz strömung geschmolzenen Metalls innerhalb des Blocks erzeugt wird, welche

(a) längs der Grenzschicht zwischen Festkörper und Flüssigkeit des Blocks in einer ersten Richtung im wesentlichen fluchtend zur Richtung der Blockbewegung verläuft und die genannte Grenzschicht- stromabwärts der Giessform L^spült und welche

(b) in einer Richtung zurückgeführt wird, die entgegengesetzt zur genannten ersten Richtung innerhalb einer Längszone im Innern des Schmelzbads verläuft.

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8407-.4CS Zn

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung des geschmolzenen Metalls auch innerhalb der Giessfoim erfolgt.

4-. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung des geschmolzenen Metalls im wesentlichen längs der gesamten Ausdehnung der genannten Grenzschicht erfolgt.

5.. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration C_Q der gelösten Stoffe innerhalb des ■ Schmelzbades und der Temperaturgradient G an der Grenz- | schicht an der Flüssigkeitsseite derselben und die Wachstumsgeschwindigkeit E des festen Blockmaterials in Richtung quer zur genannten Grenzschicht derart gewählt sind, dass thermodynamisch normalerweise ein säulenartiges dendritisches Wachstum erhalten wird, und dass die Strömungsgeschwindigkeit des geschmolzenen Metalles ausreicht, um die sich bildenden säulenartigen Dendriten aufzubrechen, um eine resultierende gleichachsige dendritische Struktur zu liefern.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass

die Konzentration C der gelösten Stoffe innerhalb des

A Schmelzbades und der Temperaturgradient G an der Grenz- I schicht an der Flüssigkeitsseite derselben und die Wachstumsgeschwindigkeit R des festen Blockmaterials in einer Richtung quer zur genannten Grenzschicht derart sind, dass thermodynamisch normalerweise ein säulenartiges dendritischen Wachstum erhalten wird, und dass die Strömungsgeschwindigkeit des geschmolzenen Metalles ausreicht, um innerhalb des Blocks eine thamnitische oder strömungsmodiifzierte Struktur zu erzielen.

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration C_Q der gelösten Stoffe innerhalb des

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2H1-868

Schmelzbades und der Temperaturgradient G an der Grenzschicht an der Flüssigkeitsseite derselben und die Wachsturasgeschvdndigkeit H des festen Blockmaterials in einer Bi'chtung quer zur Grenzschicht derart sind, dass thermodynamisch ein säulenartiges dendritisches Wachstum im Block erhalten wird,' und dass die Strömungsgeschwindigkeit des geschmolzenen Metalles ausreicht, um innerhalb des Blocks eine faserartige Struktur zu erzeugen,

8. Verfahren nach Anspruch 2₃ dadurch gekennzeichnet, dass die erste Richtung mit der Eichtung der Blockbewegung zusammenfällt,

9. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Giessform die Strömung des geschmolzenen Hetalles zumindestens teilweise längs der Unterseite der erzeugten Schlackenschicht erfolgt.

10» Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung des geschmolzenen Metalles mittels eines bewegten Magnetfelds unterhalb der Giessform hervorgerufen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass . sich das Feld im wesentlichen über die gesamte Länge des Blockes erstreckt, soweit das Schmelzbad innerhalb des Blocks reicht.

12. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das geschmolzene Metall zunächst der Giessform von einer Zone unterhalb der Schlackenschicht zugeführt wird, wobei das zugeführte Metall im wesentlichen gegen die Unterseite der Sehlackenschicht zugeführt wird.

13· Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das zugeführte Metall im wesentlichen gegen den Bereich des Schnittpunkts der Schlackenschicht mit der Innenwand

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8407-ACS 33

der Giessform gerichtet wird.

14-. Vorrichtung zum kontinuierlichen Giessen eines Blocks mit einer Einrichtung zur Zuführung von geschmolzenem Metall und einer Giessform zum Kühlen des geschmolzenen Metalls zur Ausbildung eines Blocks» gekennzeichnet durch eine schraubenförmig gewickelte Spulenvorrichtung, welche stromabwärts der Giessform angeordnet ist, um eine Strömung des geschmolzenen Metalls im Schmelzbad innerhalb der erstarrten Haut des Blocks zu erzeugen.

15* Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenvorrichtung ein bewegtes Magnetfeld erzeugt, welches ausreicht, um das geschmolzene Metall

(a) längs der Grenzschicht zwischen Festkörper und Flüssigkeit des Blocks in einer ersten Richtung zu bewegen, die im wesentlichen fluchtend zur Bewegungsrichtung des Blocks liegt und das geschmolzene Metall die Grenzschicht innerhalb der Giessvorrichtung im wesentlichen ül»er ihre gesamte Er- · Streckung und stromabwärts derselben spült, um dabei den 2?emperaturgradienten im Bereich der Grenzschicht zu erhöhen und

(b) das geschmolzene Metall in eine Richtung zurückbe- ' wegt wird, die entgegengesetzt zur ersten Sichtung innerhalb einer Längszone im Innern' des Schmelzbads verläuft. .

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet» dass die schraubenförmige verlaufende Spulenvorrichtung eine Anzahl von einzelnen schraubenförmig gewickelten . ' j Abschnitten aufweist, die in Längsrichtung des Blocks stromabwärts der Giessvorrichtung im Abstand voneinander angeordnet sind.

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8407-AOS ' 34

17· Vorrichtung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch eine Erregervorrichtung zur Erregung der Spulenabschnitte, wobei die Phase der Erregung zwischen der Anzahl der Abschnitte unterschiedlich ist, um die genannte Strömung des flüssigen Metalles hervorzurufen.

18, Verfahren zum kontinuierlichen Giessen eines Blocks, bei welchem innerhalb des Blocks ein Bad eines geschmolzenen Metalles vorhanden ist, welches sich von dem bis zu 1 m betragenden Bereich, in dem die äussere Haut des Blocks zuerst gebildet v;ird, bis zu einem oder mehreren Metern stromabwärts nach unten erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbesserung der Erstarrungsstruktur des Blockes eine Zirkulationsströmung aus geschmolzenem Metal innerhalb des Schmelzbades erzeugt wird, in dem eine Kraft zur Einwirkung gebracht wird, die in einer Zone längs des Blockes über die Länge des Schmelzbades erzeugt wird mit Ausnahme des ersten beiden 60 cm des Schmelzbades, welche jenen Bereich umfassen, an welchem die äussere Haut des Blocks gebildet wird, und dass die Umwälzbewegung des geschmolzenen Metalles (a) längs der Grenzschicht von Festkörper und Flüssigkeit des Blockes in einer ersten Richtung erfolgt, die im wesentlichen fluchtend zur Blockbewegung ist und welche die Grenzschicht im wesentlichen über ihren gesamten Bereich abspült und (b) die fiückströmung entgegengesetzt zur ersten Richtung innerhalb der Längszone im Innern des ßchmelzbades erfolgt, wobei diese Strömung eine Änderung in der Giesstrukfcur gegenüber jener erzeugt, die normalerweiise bei der gegebenen Konzentration O₀ der gelösten Stoffe und beim Temperaturgradienten G an der genannten Grenzschicht an·der Flüssigseite derselben und bei der Wachstumsgeschwindigkeit H des festen Blockmaterials in einer Richtung quer zur genannten Grenz» schickt vorhanden ware»

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8407-Acs ir .2141888

ο Stahl, gekeimt ei chnet durch, eine fchamnitische Mkro-Btruktur.

20. Stab.1, gekennzeichnet durcli eine faserartige Makrostruktur.

21. Stahl, gekennzeichnet durch eine gleichachsige dendritische Mikrostruktur, dadurch gekennzeichnet, dass die dendritische Mikrostruktur gebrochene Dendriten aufweist, Vielehe im erstarrten Erzeugnis in permanente Lagen gelbracht sind, die fern von den. Bruchstellen liegen.

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