DE2122050A1 - Verfahren zum Gießen von Kokillen für die Herstellung von Stahl Gußstucken o dgl und Außenform zur Verwendung bei diesem Verfahren - Google Patents

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Patentanwalt Patentanwälte

Dr. phil. Gerhard Henkel Dr. rer. nat. Wolf-Dieter Henkel

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Verfahren zum Gießen von Kokillen für die Herstellung von Stahl-Gußstücken o.dgl. und Außenform zur Verwendung bei

. M. M

diesem Verfahren

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen von Kokillen zur Verwendung für die Herstellung von Stahl-Gußstükken, und dgl., bei welchem Gußeisen zwischen einen lotrecht aufrechtstehenden Sandkern und eine um diesen Kern herum angeordnete Außenform gegossen wird. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf diese Außenform sowie auf die mit Hilfe derselben erhaltenen Kokillen.

Beim Walzen von Stahlprodukten geht man üblicherweise von Stahl-Brammen bzw. -Platinen aus, die durch Vergießen des Stahls aus den Stahlerzeugungsöfen in sogenannte Kokillengußformei> erhalten werden. Derartige Kokillen bestehen normalerweise aus Gußeisen bzw. Grauguß und besitzen die Form eines dickwandigen, sich leicht verjüngenden Rohrs von im wesentlichen rechteckigem oder quadratischem Querschnitt. Beim Vergießen von Stahl in derartigen Kokillengußformen wird die Form auf einer schweren, auf Gußeisen bestehenden Gießplatte angeordnet, welche den Boden der Stahlkokille festlegt. Nach ausreichender Abkühlung der

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Kokille wird die Form durch Abziehen in Aufwärtsrichtung von der Stahlkokille entfernt, wodurch für das Schmieden geeignete Stahlblöcke hergestellt werden.

Während des Gießens und Abkühlens des Stahls ist die Kokillenform beträchtlichen Temperaturschwankungen unterworfen, welche zwangsläufig hohe Spannungen in der Form hervorrufen. Insbesondere im Hinblick darauf, daß die Kokillengußformen sehr dicke Wände besitzen, geben diese Spannungen Veranlassung zu Beschädigung der Formen. Aus diesem Grund sind an das Material der Kokillengußformen hohe metallurgische Anforderungen zu stellen. Insbesondere ist es höchst unerwünscht, wenn der Werkstoff der Kokillengußformen ein Gefüge besitzt, in welchem Austenit bzw. Zementit und dendritische Strukturen auftreten.

Demzufolge ist bisher noch keine andere Herstellungsart der Kokillengußformen als durch Gießen in Sand vorgeschlagen worden. Hierbei werden Sandkörper um ein Modell herum geformt, dessen Form der zu fertigenden Kokille entspricht, wobei die Sandkörper anschließend beim Gießen der Kokille als Außenform benutzt werden. Im Inneren einer entsprechenden Form wird eine Sandform geformt, welche den Kern zur Ausbildung des hohlen Innenraums solcher Kokillengußformen darstellt.

Die auf diese Weise gebildeten Sandkörper müssen genauestens getrocknet werden, bevor das Gußeisen in sie vergossen werden kann. Es hat sich gezeigt, daß die Herstellung der beiden Sandkörper ein besonders aufwendiger und zeitraubender Vorgang ist. Insbesondere ist für die Lagerung der aushärtenden Sandformen viel Raum in der Fertigungsanlage erforderlich, was insbesondere für die Außenform gilt.

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Es ist zwar an sich bekannt, Eisen- bzw. Stahl-Gußstücke unter Verwendung von Graugußformen herzustellen, was beträchtliche Einsparungen ermöglicht, da derartige Gießformen mehr als einmal benutzt werden können, so daß vergleichsweise weniger Zeit für die Gießformherstellung erforderlich ist, und da darüber hinaus der erforderliche Arbeitsplatz zur Lagerung der Graugußformen im Vergleich zu dem Platz, der für Gießformen aus gehärtetem Sand nötig ist, vernachlässigbar, doch werden Graugußformen in der Regel nur unter Bedingungen verwendet, die für das Gießverfahren und dessen Ergebnis weniger kritisch sind als beim Gießen von Brammenformen. Insbesondere bildeten die sehr

hohen Anforderungen, die bisher an den Werkstoff der Gieß- i|

formen gestellt werden mußten, ein Hindernis für die Verwendung von Metall-Gießformen für die Herstellung von Brammenformen .

Obgleich vorstehend und auch in der folgenden Beschreibung speziell auf Kokillen Bezug genommen wird, gelten entsprechende Überlegungen ersichtlicherweise auch für das Gießen sehr schwerer Eisen- oder Stahl-Gußstücke mit einer ungefähr der Gestalt von Kokillen entsprechenden Konfiguration, an welche ebenfalls entsprechende Anforderungen zu stellen sind.

Es hat sich als möglich erwiesen, beträchtliche Einsparun- ^

gen der Fertigungskosten zu erzielen, ohne die Qualität der auf diese Weise erzeugten Kokillen zu beeinträchtigen, wenn erfindungsgemäß nur die Außenform aus Grauguß-Formteilen besteht, die lösbar miteinander verbunden sind und sich jeweils über die Gesamthöhe der Außenform erstrecken. Bei dieser Kombination eines Sandkerns mit einer Außenform aus Grauguß kann das Abkühlen des Gußstücks so langsam vor sich gehen, daß im Werkstoff des Gußstücks keine unerwünschten Mikrogefüge entstehen. Außerdem hat es sich gezeigt, daß das Gießen bei einer solchen Kombination

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aus einem Sandkern und einer Grauguß-Außenform in einer vom Standpunkt der Gießtechnik vorteilhaften Weise möglich ist, wenn die Außenform teilbar ist.

Sind die Teile der Außenform dünn, so steigt die Temperatur der Außenform beim Vergießen des Eisens bzw. Rohstahls zunächst schnell an. Anschließend vermag die Aussenform dann nicht mehr viel Wärme vom Gußstück aufzunehmen, so daß das Abkühlen des Gußstücks ziemlich langsam vor sich geht, was vom metallurgischen Standpunkt vorteilhaft ist. Es hat sich aber gezeigt, daß bei einer dünnwandigen Außenform wesentlich mehr Verschleiß auftritt als bei einer Gießform mit dickeren Wänden; bei letzterer erhöht sich jedoch die Gefahr der sogenannten Weißverfestigung bzw. -erstarrung, d.h. ohne Ausseigerung von Graphit.

Erfindungsgemäß werden die besten Ergebnisse erzielt, wenn die Wanddicke der Außenform an die Dicke der zu gießenden Kokillen angepaßt ist, wobei die Gesamtmasse der Formteile der Außenform das 0,8- bis 1,4-faehe der Gesamtmasse der Kokillen beträgt.

Durch entsprechende Auswahl der Wanddicke der Außenform ist es sowohl technisch als auch metallurgisch möglich, ein gutes Gefüge zu erzielen, indem das Gußstück unter Ausnutzung der noch in ihm enthaltenen Wärme geglüht bzw. angelassen wird. Zu diesem Zweck wurde bisher das Gußstück nach der Entnahme aus der Außenform beispielsweise mittels eines Glocken-Temperofens etwa 20 Stunden lang abgedeckt, wobei sich die Außenwandtemperatur des so behandelten Gußstücks wieder auf einen Wert erhöhte, bei welchem während der Anlaß- bzw. TemperZeitspanne ein gewünschtes Gefüge erzielt wird.

Dieses Verhältnis zwischen den Massen der Außenform und den zu gießenden Gußstücken läßt sich weiterhin in gewis-

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sem Ausmaß durch Auswahl einer zusätzlichen Substanz beeinflussen, die vor dem Gießen auf die Innenwand der Gießform aufgetragen wird. Das Einreihen der Gießformen mit einem solchen Hilfsmittel, welches ein Anhaften des Gußstücks an der Gießform verhindert, ist bekannt. Hierzu wird häufig ein Graphitgemisch verwendet. Außerdem ist der Auftrag von Hilfsmitteln bekannt, welche PeSi oder CaSi enthalten. Insbesondere die letztgenannten Hilfsmittel werden verwendet, um einer Weißerstarrung (d.h. ohne getrennte Graphitausseigerung) entgegenzuwirken.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich in vorteilhafter Weise unter Verwendung einer Außenform durchführen, die mehrere sich über die Gesamthöhe der Außenform erstreckende Formteile sowie Mittel zur lösbaren Verbindung dieser Formteile zu einer einheitlichen Anordnung aufweist. Im Prinzip ist es möglich, die Außenform aus einer sehr grossen Anzahl von Formteilen bzw. Dauben aufzubauen. Das Zusammensetzen und Zerlegen solcher Formteile ist jedoch ein ziemlich komplizierter Vorgang, der außerdem sehr viel Geschick des Arbeitspersonals erfordert. Andererseits hat es sich aber herausgestellt, daß das Herauslösen des Gußstücks aus den Formteilen Schwierigkeiten aufwirft, wenn die Gießform nur in zwei oder drei Teile zerlegbar ist.

Es hat sich gezeigt, daß die besten Ergebnisse erzielt werden, wenn die Außenform vier im wesentlichen plane Formteile aufweist, deren aneinander anliegende Kanten eine Form besitzen,die eine geringe Schwenkbewegung der Formteile relativ zueinander zuläßt. Da die auszuwalzenden Brammen bzw. Platinen in der Regel rechteckigen oder quadratischen Querschnitt besitzen, entsprechen die im wesentlichen planen Formteile ohne weiteres den vier Seitenflächen der zu gießenden Brammen. Auf diese Weise ist es leicht möglich, eine ein sehr gutes Lösen des Gußstücks

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gewährleistende Gießform mit- begrenzter Anzahl von Formtellen herzustellen. Während ^es Gießens der Gußstücke und während ihres Abkühlens r-eten in der Gießform hohe Kräfte auf, welche bestrebt ^ind, die Gießform zu verformen. Da die Gießform jedoch in Formteile unterteilt ist, können diese Verformungskräfte beträchtlich herabgesetzt werden.

Dies trifft speziell deshalb zu, weil die Formteile etwas zueinander verschwenkbar zusammengefügt sind. Während des Gießvorgangs nehmen die vier im wesentlichen planen Formteile gewissermaßen auswärts konvexe Positionen ein, wobei die Schwenkkanten und die Mittel zum Zusammenhalten der Teile so ausgelegt sein müssen, daß sie diese Möglichkeit zulassen. Die Ausbildung der zusammenpassenden Kanten der Formteile kann auf einfache Weise erreicht wer- ' den, indem diese Kanten paarweise als Messerkantenlager ausgelegt werden, deren Messerkanten vorzugsweise einen Spitzenwinkel von 120 - I6o°besitzen. Es trifft zwar zu, daß bei dieser Ausbildung beim Verschwenken der Formteile relativ zueinander ein Spalt - zwischen diesen Formteilen gebildet wird, in welchen Eisen hineinfließen kann, doch hat es sich in der Praxis gezeigt, daß dieser Umstand keine Schwierigkeiten aufwirft. Die Ausbildung der Schwenkkanten als Messerkanten hat bezüglich der Schwenkbarkeit gegenüber aufeinander abrollenden Zylinderflächen den Vorteil, daß ihre Herstellung wesentlich einfacher ist.

Es ist darauf hinzuweisen, daß einem möglichen Eintritt von Eisenschmelze in den zwischen den Formteilen gebildeten Spalt dadurch entgegengewirkt werden kann, daß zwischen diese Formteile feuerfestes Packungs- bzw. Dichtungsmaterial eingefügt wird, wie es ohne weiteres handelsüblich erhältlich ist.

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Eine vorteilhafte Ausführungsforra der Mittel zur Verbindung der Formteile besteht darin, daß um die Formteile herum Stahlrahmen angebracht werden, die jeweils aus durch Keile miteinander gekoppelten Stangen bestehen.Die Form dieser Stangen und ihr Werkstoff werden derart gewählt, daß die Verformungen der Formteile infolge thermischer Ausdehnung sowie die Krümmungen bzw. Verwerfungen infolge von Temperaturunterschieden durch die Rahmen vollständig elastisch aufgefangen werden können. Auf diese Weise wird erreicht, daß die Formteile während des Abkühlens des Gußstücks bzw. der Kokille durch den Rahmen in gegenseitiger Anlage gehalten werden. Eine andere vorteilhafte Ausführungsform der Verbindungsmittel besteht darin, daß die Zone der Schwenklinien quer zu den und durch die Kanten der aneinander angepaßten Formteile von Bolzen durchsetzt werden, die vorzugsweise durch Keile zusammengehalten werden. Infolge dieser Festlegung der Befestigungsmittel brauchen diese nicht die gesamte thermische Ausdehnung der Gießform aufzunehmen, sondern nur die Drehtendenz der Formteile relativ zueinander. Indem die Bolzen die Schwenklinien durchsetzen, kann diese Verdrehung bzw. Schwenkbewegung der Formteile zueinander lediglich ein Biegemoment in den Bolzen hervorrufen,wobei die Bolzen nicht zusätzlich durch Zugspannungskräfte beansprucht werden. Selbstverständlich sind auch Kombinationen von Rahmen und Bolzen möglich, so daß Nutzen aus den Vorteilen beider Konstruktionsarten gezogen werden kann. Derartige Lösungen werden ebenfalls als einen Teil der Erfindung bildend angesehen. Mit Hilfe des vorstehend umrissenen Verfahrens und unter Verwendung der beschriebenen Außenformen ist es nicht nur möglich, Kokillen mit niedrigeren Fertigungskosten herzustellen, sondern kann auch die Qualität dieser Kokillen verbessert werden, was darauf zurückzuführen ist, daß bei wiederholter Verwendung jeweils derselben Außenform mehr Erfahrung beim Gießen mit dieser Außenform gewonnen wer-

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den kann, als wenn für jeden Gießvorgang eine neue Sandform angefertigt werden müßte. Zudem ist es auch möglich, das Verhalten des Gußstücks während des Abkühlens unter Verwendung einer Metall-Außenform auf bessere Weise zu beeinflussen.

Während des Abkühlens können mögliche lokale Berichtigungen vorgenommen werden. Zu diesem Zweck können die Temperaturen an oder in der Kokille während des Abkühlens gemessen werden, so daß der Abkühlvorgang verfolgt und gewünschtenfalls korrigiert werden kann.

Im folgenden sind zwei bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Gießformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig.1 einen lotrechten Längsschnitt längs der Linie I-I in Fig. 2 durch eine Gießform mit den Merkmalen der Erfindung,

Fig.2 einen Querschnitt längs der Linie II-II in Fig.1,

Fig.5 eine abgewandelte Ausführungsform des in Fig. 2 im Kreis III angedeuteten Teils und

Fig.4 eine Seitenansicht des Details IV in Fig. J.

In den Figuren sind einander entsprechende Teile jeweils mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. In Fig. 2 sind nur die wesentlichsten Teile der in Fig. 1 im Längsschnitt veranschaulichten Konstruktion dargestellt.

Gemäß Fig. 1 wird die Gießformkonstruktion auf einer Grundplatte 1 aufgebaut, die an der Oberseite konkav ausgebildet ist. Dieser konkave Teil wird mit Formsand 2 bis auf

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eine der Oberkante der Grundplatte entsprechende Höhe gefüllt. Auf dieser Sandsohicht wird auf an sich bekannte Weise ein Sand-Kern 3 aufgebaut, der, gegebenenfalls nach Trocknung, mittels einer öse 4, einer Abspannstange 5, einer Deckplatte 6 und einer Mutter 7 auf die dargestellte Weise gegen die Grundplatte verspannt wird. Diese Verspannung ist beim Gießen des Gußstücks von Wichtigkeit, um zu verhindern, daß der Kern in der Schmelze schwimmt und sich dann aufwärts bewegt.

Auf der Außenkante der Grundplatte 1 wird eine aus Gußeisen bzw. Grauguß bestehende Außenform 8 angeordnet, die mit ösen 9 und 10 versehen ist, so daß sie nach dem Gießen und Abkühlen vom Gußstück abgehoben werden kann.

Zwischen dem Kern 3 und der Außenform 8 verbleibt ein Ringraum 11, in welchen das Gußeisen vergossen und in welchem nach Erstarrung dieses Gußeisens eine Kokille gebildet wird.

Pig. 2 zeigt einen Querschnitt lungs der linie II-II in Pig. 1, bei welchem jedoch die Grundplatte 1 und der Kern 3 weggelassen sind. Wie aus Pig. 2 hervorgeht, ist die Außenform 8 zum Gießen der Kokillen aus vier Formteilen 8a bis 8d aufgebaut. Bei dieser dargestellten Ausführungsform sind die Kanten, mitjwelchen die Formteile zusammengepaßt sind, als Messerkantenlager ausgebildet. Hierbei verbleibt an der Außenseite der Kanten ein Schlitz, so daß sich die Formteile 8a bis 8d geringfügig relativ zueinanderverschwenken können.

Die Formteile werden durch vier Rahmen (vergl. auch Fig.1) zusammengehalten, die jeweils aus vier Stangen bestehen, von denen zwei Stangen 12 als flache Leisten mit an ihren Enden vorgesehenen ösen bzw. öffnungen ausgebildet sind,

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während die beiden anderen Stangen 13 diese öffnungen zu durchsetzen vermögen. Zudem sind die Stangen 1j5 an ihren Außenenden mit Langlöchern versehen, durch welche Keile 14 hindurchgeführt werden können.

Pig. j5 veranschaulicht eine Abwandlung des Befestigungsverfahrens für die Formteile und stellt speziell den in Fig.2 im Ausschnitt III gezeigten Teil näher dar. Bei dieser abgewandelten Ausführungsform sind die Leisten 12 und die Stangen 13 weggelassen, doch sind die Formteile 8a bis 8d mit Hilfe von Bolzen 18 miteinander verbunden. Zu diesem Zweck sind in den Formteilen Ausnehmungen 16 und 17 vorgesehen, in welche der Kopf eines derartigen Bolzens 18 bzw. ein Keil 19 eingesetzt sind. Die Bolzen 18 durchsetzen Bohrungen, welche sich quer durch die Trennfläche zwischen den Formteilen erstrecken, und zwar speziell durch die Schwenklinie, um welche herum diese Formteile in gewissem Maß relativ zueinander schwenkbar sind.

Wenn sich die Formteile etwas um diese Schwenklinie herum verschwenken, werden die Bolzen 18 ersichtlicherweise nur einem Biegemoment, aber keiner Zugbelastung unterworfen, was eine besonders steife und feste Konstruktion gewährleistet, die dennoch die nötige Flexibilität besitzt.

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Claims (7)

Patentansprüche

1. Verfahren zum Gießen von Kokillen für die Herstellung von Stahl-Brammen und ähnlichen Gegenständen, bei welchem Gußeisen zwischen einen lotrecht angeordneten Sandkern und eine unter Festlegung eines freien Formraums um diesen Sandkern herum angeordnete Außenform vergossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Außenform verwendet wird, die aus lösbar miteinander verbundenen Grauguß-Formteilen besteht, welche sich über die Gesamthöhe der Außenform erstrecken.

2. Außenform zur Verwendung beim Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch mehr als einen sich über die Gesamthöhe der Außenform (8) erstreckenden Grauguß-Formteil sowie durch Mittel zur lösbaren Verbindung dieser Formteile zu einer einheitlichen Anordnung.

3· Außenform nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie vier im wesentlichen plane Formteile (8a-8d) aufweist, deren aneinander anliegende Kanten so ausgebildet sind, daß sie eine geringe Schwenkbewegung der Formteile relativ zueinander zulassen.

4. Außenform nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusammengefügte Kanten paarweise als Messerkantenlager ausgebildet sind, deren Messerkanten vorzugsweise einen Schneidenwinkel von 120 - 16O° besitzen.

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5. Außenform nach Anspruch 2,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Verbindung der Formteile (8a-8d) Stahl-Rahmen sind,djLe um die Formteile herum

- angeordnet sind und .aus mit Hilfe von Keilfedern oder Keilen (14) miteinander verbindbaren Stangen (12,13) bestehen.

6. Außenform nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Verbindung der Formteile Bolzen sind, welche sich im Bereich der Schwenklinien quer durch die Kanten der zusammengefügten Formteile (8a-8d) erstrecken und vorzugsweise durch Keile (19) o.dgl. Befestigungsglieder in ihrer Lage gesichert sind.

7. Außenform nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Formteile an die Dicke der darin zu gießenden Brammenformen angepaßt ist, wobei die Gesamtmasse der Formteile das 0,8- bis 1,4-fache der Masse der darin zu gießenden Kokillen beträgt.

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