DE2518903A1 - Stranggiessverfahren und -vorrichtung - Google Patents

Description

• Stranggießverfahren und -vorrichtung Die Erfindung betrifft ein kontinuierliches bzw. Stranggießverfahren zum Gießen von Gußblöcken und insbesondere ein Stranggießverfahren und eine -vorrichtung zur Herstellung von Gußblöcken oder -strängen beliebiger Form, wobei ein Gasvorhang gebildet und dadurch die Schmelze aus beliebigen Metallen und Legierungen in der Kokille zum Erstarren gebracht wird, ohne daß sie mit der Kokille in unmittelbare Berührung gelangt.
• Gußblöcke oder -stränge besitzen im allgemeinen keine vollkommen glatten Oberflächen, vielmehr weisen sie mehr oder weniger starke Wellungen und häufig auch örtliche Risse auf. Speziell im Fall eines nach dem Stranggießverfahren hergestellten Gußblocks bilden sich häufig Oberflächenfehler, wie Oberflächenmarken und Risse, die auf die Reibung zwischen dem Strang und der Kokille beim Absinken des Strangs in der Kokille zurtlckzuführen sind. Zur Beseitigung solcher Oberflächenfehler werden die Oberflächen solcher Gußblöcke daher normalerweise einer Oberflächenglättung (scrafing) oder Fehlerabtragung unterzogen, bevor die Gußblöcke der plastischen Verformung, wie Schmieden, Walzen o.dgl. unterworfen werden. Ein Gußblock mit tiefen Oberflächenrissen ist dabei für die plastische Verformung ungeeignet, so daß er als Ausschuß behandelt wird.
• Aus diesem Grund ist es vom Standpunkt der Produktivität und Wirtschaftlichkeit höchst wünschenswert, den Gußblock ohne Oberflächenfehler herzustellen, weil in einem solchen Fall die Oberflächenbehandlung vermieden werden kann.
• Aus diesem Grund ist es höchst wiinschenswert, einen Gußblock mit vorgeschriebener Form herzustellen, indem eine Metallschmelze in einer Kokille abwärts verlagert bzw. aus ihr abgezogen wird, ohne daß die Metallschmelze mit der Innenwand der Kokille in unmittelbare Berührung gelangt.
• Als Verfahren zur Lösung dieser Aufgabe im Fall einer Aluminiumlegierung ist bereits ein Verfahren angewandt worden, bei dem anstelle der Kokille eine Hochfrequenzspule verwendet und die Metallschmelze in einem Hochfrequenz-Wechselmagnetfeld zum Erstarren gebracht wird, ohne daß sie mit der Spule in unmittelbare Berührung gelangt. Dabei ist es jedoch schwierig, dieses Verfahren auf ein Metall oder eine Legierung mit einem verhältnismäßig hohen spezifischen Gewicht, wie Stahl, Kupferlegierungen usw., anzuwenden.
• Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines Stranggießverfahrens und einer -vorrichtung zur Herstellung eines Gußblocks oder -strangs mit einer glatten, von Oberflächenfehlern freien Oberfläche, wobei dieses Verfahren auf beliebige Metalle und Legierungen anwendbar sein soll, einschließlich derjenigen Metalle und Legierungen, bei denen das bisher angewandte Verfahren zum Erstarrenlassen von Metallschmelzen in einem Hochfrequenz-Wechselmagnetfeld nicht anwendbar ist.
• Die Erfindung bezweckt dabei auch die Schaffung einer Kokille zur Verwendung bei diesem Verfahren.
• Diese Aufgabe wird bei einem Stranggießverfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an der Innenwand einer Kokille ein längs der Kokillen-Innenwand aufwärts strömender Gasfilm bzw. Gasvorhang ausgebildet wird und daß sodann eine Metallschmelze in die Kokille eingeschüttet wird.
• Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erf indung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Stranggießvorrichtung gemäß der Erfindung für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und Fig. 2 einen Längsschnitt durch den wesentlichen Teil einer Stranggießvorrichtung gemäß einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung.
• Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung gemäß der Erfindung weist eine wassergekühlte Kokille 1 auf, längs deren Innenwand eine waagerecht umlaufende Gasausblasöffnung 2 vorgesehen ist. An der Außenfläche der Kokille 1 ist ein Gasbehälter 3 vorgesehen. Die Gasausblasöffnung 2 ist aufwärts gerichtet, so daß das Gas im Zwischenraum zwischen dem Anfahrkopf 4 und der Kokille hauptsächlich aufwärts strömen kann. Vor Beginn des Vergießens der Metallschmelze wird das obere Ende des Anfahrkopfes 4 so angeordnet, daß es sich über dem oberen Ende der Gasausblasöffnung 2 befindet.
• Ein Kühlgas wird unter Druck über einen an der Außenseite der Kokille vorgesehenen Gaseinlaß 5 in den die Kokille umgebenden Gasbehälter 3 eingeführt, wobei der Druck des über die Gasausblasöffnung 2 zum Anfahrkopf 4 hin aus geblasenen Gases durch Winddruck-Einstellplatten so geregelt wird, daß er um den Umfang des Anfahrkopfes 4 herum gleichmäßig ist.
• Das Gas strömt dabei durch den engen Zwischenraum zwischen dem Anfahrkopf 4 und der Innenwand der Kokille 1 hindurch, wobei der größte Teil des Gases in Aufwärtsrichtung und ein Teil davon nach unten strömt. Der im Zwischenraum zwischen dem Anfahrkopf 4 und der Innenwand der Kokille 1 hochsteigende Gasstrom bildet einen Gasvorhang längs der Kokillen-Innenwand und auch noch ein Stück nach dem Ausströmen aus diesem Zwischenraum über dem Anfahrkopf 4. Wenn eine Netallschmelze 7 aus einem Zwischentrichter 8 in die Mitte des vom Gasvorhang umgebenen Raums eingefüllt wird, kühlt sich die auf den Anfahrkopf 4 geschüttete Schmelze 7 von ihrer Unterseite her ab und wird auch von der Seite her durch das den Gasvorhang bildende Gas abgekühlt, so daß die Schmelze erstarrt und erstarrtes Metall 9 bildet. Anschließend wird water Steuerung oder Regelung des Khlgases und anderer Faktoren in der Weise, daß sich die Oberseite des erstarrten Metalls, d.h. die feste i'Haut" 9, stets über der Gasausbiasöffnung 2 befindet und die Erstarrung der Metallschmelze von der Grenzschicht zwischen der Oberfläche der Metall schmelze und der Innenwand der Kokille 1 mit dem dazwischen befindlichen Gasvorhang her einsetzt, entweder der Anfahrkopf 4 oder das erstarrte Metall bzw. der Strang 9 nach unten abgezogen, wobei die Metallschmelze durch KUhlwasserstrahlen 11 abgekühlt wird, die aus den Sprühdüsen 10 eines am Unterteil der Kokille vorgesehenen Wasserrohrs austreten, so daß der Gußstrang vollständig verfestigt und mit Hilfe von Klemmwalzen 14 kontinueirlich abgezogen wird.
• Die wesentlichen Merkmale der Erfindung sind die Verhinderung einer vanmittelbaren Berührung zwiscen der Metallschmelze und der Kokille durch einen längs der Kokillen-Innenwand gebildeten, gleichförmigen Gasvorhang sowie die Steuerung oder Regelung verschiedener Faktoren, um zu gewährleisten, daß die Metallschmelze von der Grenzschicht zwischen der Oberfläche der in die Kokille eingebrachten Metallschmelze und dem längs der Innenfläche der Kokille aufwärts strömenden Gasvorhang her zu erstarren beginnt. Diese Faktoren umfassen die Erstarrungstemperatur, die Gießtemperatur und -geschwindigkeit, die Strang-Abzugsgeschwindigkeit, die Abkühlung des Strangs von seinem Unterteil her, die Größe des Gußstrangs, das Material sowie die Form des Gußstrangs, seine Temperatur, seine spezifische Wärmemenge, die Durchsatzgeschwindigkeit des Kühlgases und dgl. In der Praxis ist es empfehlenswert, die Strömungs- oder Durchsatzgeschwindigkeit des Kühlgases beim Gießvorgang zu regeln.
• Durch entsprechende Regelung der Durchsatzgeschwindigkeit des Kühlgases beginnt die Metallschmelze von der Grenzschicht zwischen ihrer Oberfläche und dem Gasvorhang her zu erstarren, ohne mit der Kokille in unmittelbare Berührung zu gelangen, wobei sich der Strang unter Aufrechterhaltung seiner Berührung mit dem Kühlgas abwärts bewegt und sein verfestigter Teil dick genug wird, um dem Ausblasdruck des Gases widerstehen zu können, bis er den Bereich der Gasausblasöffnung erreicht.
• Wenn sich die Stelle, an welcher die Erstarrung der Metallschmelze einsetzt, unterhalb der Oberfläche der Metallschmelze befindet, kommen das Gas und die Metallschmelze in Berührung miteinander, so daß das Gas in die Schmelze eindringt; außerdem kommen dabei die Schmelze und die Kokille örtlich in Berührung miteinander, so daß sich am gebildeten Gußstrang Oberflächenfehler bilden. Außerdem wird in diesem Fall die feste nHaut" nahe der Gasausblasöffnung ziemlich dünn, so daß sie durch den Ausblasdruck des Gases aufgebrochen werden kann, was zu einer beträchtlichen Verschlechterung der Oberfläche des Gußstrangs führt.
• Wenn dagegen der Abkühlungsgrad der Metallschmelze zu hoch ist, breitet sich auf der Oberfläche der Metallschmelze eine feste Kruste aus, die Wellungen auf der Strangoberfläche hervorruft. Außerdem ist eine solche übermäßige Kühlung vom wirtschaftlichen Standpunkt aus unerwünscht.
• Fig. 2 ist ein Längsschnitt durch den wesentlichen Teil einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung.
• Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist eine Kokille 15 vorgesehen, deren Innenwand entweder mit einer einzigen, waagerecht umlaufenden Gasausblasöffnung 16 oder mit mehreren Gasausblasöffnungen 16 versehen ist, die waagerecht um den Umfang herum auf gleichmäßige Abstände voneinander verteilt sind. Eine oder mehrere Absaugöffnungen 18, die waagerecht gleichmäßig um den Umfang herum verteilt sind und jeweils abwärts weisen, können über der Gasausblasöffnung 16 und auch über dem oberen Ende des Anfahrkopfes 4 vor Beginn des Gießens der Metallschmelze angeordnet sein. Uber der Innenwand sowie der Oberseite der Kokille 15 ist eine Abdeckung 17 angeordnet, wobei der Zwischenraum zwischen dem Oberteil der Innenwand der Kokille 15 und der Abdekkung 17 die Absaugöffnung 18 bildet, während der Zwischenraum zwischen der Kokille und der Abdeckung 17 einen Absaugkanal 19 bildet. Wie bei der Ausführungsform gemäß Fig.
• 1 wird hierbei durch aufwärts gerichtetes Ausblasen von Gas aus der Gasausblasöffnung 16 ein Gasvorhang gebildet, und während das Gas über die Absaugöffnung 18 abgesaugt wird, wird die Metallschmelze aus dem Zwischentrichter eingefüllt.
• Es braucht eigentlich nicht besonders darauf hingewiesen zu werden, daß die Gasabsaugöffnung 18 bei dieser Ausführungsform über dem Niveau der Oberfläche der Metallschmelze liegen sollte. Nach dem Absaugen des aus der Gasausblasöffnung 16 ausströmenden Gases durch die Absaugöffnung 18 wird das Gas gekühlt und wiederverwendet. Außerdem kann das Gas auch mittels einer Vakuumpumpe o.dgl. zwangsweise abgesaugt werden.
• Das beim erfindungsgemäßen Verfahren zu verwendende Gas sollte vorzugsweise ein Gas mit überlegener Kühiwirkung sein. Diesbezüglich wird C02-Gas bevorzugt, doch ist auch die Verwendung von Luft zufriedenstellend. Speziell im Fall eines vor Oxydation zu schützenden Metalls bzw. einer Legierung wird ein Inertgas, wie Ar, verwendet. Bei mit einem Sauerstoff-Stahlkonverter arbeitenden Stahlwerken kann durch Verwendung von verflüssigtem Stickstoff, der bei der Erzeugung von Sauerstoff anfällt, eine große Kühiwirkung erzielt werden, da der Siedepunkt von flüssigem Stickstoff bei -1730C liegt, wobei der hergestellte Gußstrang nicht nur eine glatte Oberfläche, sondern auch ein äußerst verfeinertes, verfestigtes Gefüge, welches auch oxydationsbeständig ist, besitzt.
• Die in der Kokillen-Innenwand vorgesehene, aufwärts gerichtete Gasausblasöffnung 16 ist normalerweise eine offene Bohrung oder ein Leerraum. Zur Verhinderung eines Eindringens von Metallschmelze in diese Öffnung auch im Fall einer Unterbrechung der Gasausblasung infolge eines Unfalls oder Schadens kann die Ausblasöffnung 16 aber auch aus einem porösen metallischen oder nicht-metallischen, feuerfesten Sintermaterial mit Gasdurchlässigkeit bestehen. Hierbei wird die Verwendung von kugelförmigem Sintermaterial bevorzugt, weil dabei das Gas über andere Öffnungen austreten kann, selbst wenn ein Teil dieser Öffnungen verstopft wird.
• Erfindungsgemäß ist es außerdem wesentlich, eine einwandfreie Erstarrung der Metallschmelze durch gleichmäßige Verteilung derselben längs des Anfahrkopfes zu bewirken.
• Aus diesem Grund ist die Oberseite des Anfahrkopfes vorzugsweise konkav, da sich im Fall einer flachen Oberseite die auf den Anfahrkopf aufgeschüttete Metallschmelze nicht gleichmäßig zur Wand der Kokille hin ausbreiten würde.
• Erfindungsgemäß wird also eine unmittelbare Berührung zwischen der Kokille und der Metallschmelze verhindert, und die Erstarrung der Schmelze wird entsprechend gesteuert, so daß kontinuierlich ein Gußstrang mit äußerst glatter Oberfläche hergestellt und somit auf die üblichen Arbeitsgänge der Beseitigung von Oberflächenfehlern des Strangs verzichtet werden kann. Die Erfindung bietet folglich einen großen industriellen Nutzen.
• Infolge der Anordnung der Gasabsaugöffnung ermöglicht es das erfindungsgemäß Verfahren zudem, das Kühlgas bm Kreislauf zu verwenden, -weshalb das erfindungsgemäße Verfahren speziell bei Verwendung eines teueren Inertgases als Eiihlgas sehr wirtschaftlich ist.
• Im folgenden ist die Erfindung in Beispielen näher erläutert.
• Beispiel1 In einer Kupferkokille mit 50 mm Höhe und 25 mm Innendurchmesser und mit dem Lämgsschnitt gemäß Fig. 1 wurde ein Kupfer-Anfahrkopf mit einem Außendruchmesser von 24 mm so angeordnet, daß sich seine Oberseite 10 mm über der Oberkante der Gasausblasöffnung @@@@. der Abstand zwischen Ober- und Unterkannte, der Basausblasöffnung betrug dabei 2 m Während bei dieser Vorrichtung Fuhllauft mit einer Temperatu von 5°C in einer Durchsatzmenge von 0,5 l/s ausgeblasen wur wurde 99,7% reines Aluminium aus einem Zwischentrichter mit einer Temperatur von 680 0C in die Kokille eingegossen, wobei der Anfahrkopf mit einer Geschwindigkeit von 2 mm/s abgesenkt wurde. Bei diesem Verfahren wurde ein Gußstrang mit einer glatten, fehlerfreien Oberfläche erhalten.
• Beispiel 2 Unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 1 wurde lediglich die Ausblasgeschwindigkeit der Kühlluft zwischen 0,1 und 2 l/s variiert. Bei einer KuhlluSt-Ausblasgeschwindigkeit von 0,1 l/s erfolgte das Anwachsen der festen 11Haut" an der Seite des Gußstrangs langsam, und die Metallschmelze kam örtlich in Berührung mit der Innenwand der Kokille, so daß kein Gußstrang mit glatter Oberfläche erzielt werden konnte. Bei einer Ausblasgeschwindigkeit der Kühlluft von 2 l/s breiteten sich andererseits auf der Oberfläche der Schmelze festeKrusten aus, die Wellungen der Oberfläche des Strangs hervorriefen.
• Beispiel 3 In eine Kupfer-Kokille mit 100 mm Höhe und 50 mm Innendurchmesser sowie mit dem Längsschnitt gemäß Fig. 2 wurde ein Kupfer-Anfahrkopf mit einem Außendurchmesser von 48 mm derart eingesetzt, daß sich seine Oberseite 20 mm über der Oberkante der Gasausblasöffnung befand. Der Abstand zwischen Ober- und Unterkante der Gasausblasöffnung betrug dabei 5 mm. Bei dieser Vorrichtung wurde auf -1000C gekühltes Stickstoffgas in einer Durchsatzmenge von 2 lls ausgeblasen. Eine Schmelze eines Kohlenstoffstahls mit 0,14% C, 0,19% Si, 0,7596 Mn, 0,015% P und 0,0i796S wurde aus einem Zwischentrichter eingeschüttet, und der Anfahrkopf wurde mit einer Geschwindigkeit von 5 mm/s abgesenkt. Auf diese Weise konnte kontinuierlich ein Gußstrang mit einer glatten, rißfreien Oberfläche hergestellt werden.
• Zusammenfassend wird mit der Erfindung also ein Stranggießverfahren unter Verwendung einer an ihrer Innenwand mit einer Gasausblasöffnung versehenen Kokille geschaffen, wobei längs der Innenwand der Kokille ein Gasvorhang gebildet und die Metallschmelze unter Vermeidung einer unmittelbaren Berührung mit der Kokille eingeschüttet wird.

Claims (10)

Patentansprüche

1. Stranggießverfahren, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß an der Innenwand einer Kokille ein längs der Kokillen-Innenwand aufwärts strömender Gasfilm bzw.

Gasvorhang ausgebildet wird und daß sodann eine letallschmelze in die Kokille eingeschüttet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Gießen die Temperatur der Grenzschicht zwischen der Oberfläche der Metallschmelze und dem längs der Kokillen-Innenwand aufwärts strömenden Gasvorhang auf einen Wert eingestellt wird, bei dem eine Erstarrung des vergossenen Metalls einsetzt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einfüllgeschwindigkeit der Netallschmelze und die Abzugsgeschwindigkeit eines Anfahrkopfes so gesteuert werden, daß die Oberseite der festen "Haut" der in die Kokille eingefüllten Metallschmelze stets oberhalb der Ebene der in der Innenwand der Kokille vorgesehenen Gasausblasöffnung gehalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Gasausblasöffnung ausströmende Gas nach seiner Abkühlung wiederverwendet wird, indem es über eine oberhalb der Gasausblsöffnung längs der Innenwand der Kokille angeordnete Gasabsaugöffnung abgesaugt wird.

5. Stranggießkokile zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Anspruches gs e k e n n z e i c h -i e t durch eine längs der Innenwand der Kokile (1) waagerecht umlaufende Gasausblasöffnung (2, 16), die so angeordnet ist, daß sie sich vor Beginn des Einschüttens der Metallschmelze in die Kokille unterhalb des oberen Endes eines Anfahrkopfes (4) und nach Beginn des Einschütten unterhalb des oberen Endes der festen Haupt" der Metallschmelze befindet.

6. Kokille nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasausblasöffnung (2, 16) in der Kokillen-Innenwand aufwärts gerichtet ist.

7. Kokille nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß längs des oberen Endabschnitts der Innenwand sowie längs der Oberseite der Kokille (1) eine Abdeckung vorgesehen ist und daß der obere Endabschnitt der Kokillen-Innenwand oberhalb der Gasausblasöffnung (2, 16) mit einer Gasabsaugöffnung (18) versehen ist, deren Vorderende offen ist.

8. Kokille nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasausblasöffnung (2, 16) aus einem porösen Material hoher Durchlässigkeit gebildet ist.

9. Kokille nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Material hoher Durchlässigkeit aus einem porösen metallischen oder nicht-metallischen, feuerfesten Sintermaterial besteht.

10. Kokille nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anfahrkopf mit einer konkaven Oberseite vorgesehen ist.