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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum kontinuierlichen oder halbkontinuierlichen
Gießen von
geschmolzenem Aluminium, um einen Barren in der Gussform einer Gussmaschine
zu formen, wobei die Vorrichtung einen Einfüllkanal, eine Gussform und
Zuführmittel,
die an den Einfüllkanal
gekoppelt sind und in die Gussform hineinreichen, enthält. Die Erfindung
betrifft ebenfalls ein Verfahren zum kontinuierlichen oder halbkontinuierlichen
Gießen
von geschmolzenem Aluminium, um Barren aus dem Einfüllkanal
zu formen, durch Benutzen von Zuführmitteln, die mit der Zuführwanne
verbunden sind und in eine Gussform hineinreichen.
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Es
ist darauf zu achten, dass an den Stellen, an denen in der vorliegenden
Patentanmeldung von Barren die Rede ist, der Begriff auch Knüppel (die
im Wesentlichen runde Querschnittsflächen haben) oder andere Arten
des Gießens
beinhalten soll.
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Eine
Vorrichtung zum Gießen
von Aluminiumbarren, die in industriellem Maßstab weit verbreitet ist,
benutzt zwei Metallniveaus und enthält einen Einfüllkanal
oder eine Übergangspfanne,
die gegenüber
der Gussform oder einer Serie von Gussformen unterhalb auf einem
höheren
Niveau angeordnet ist. Vorrichtungen dieser Art enthalten, ohne
Einschränkung,
eine Vor richtung für
das direkte Kokillengussverfahren (DC) und das elektromagnetische
Gussverfahren (EMC). Das geschmolzene Aluminium wird von einem Gussofen über den
Einfüllkanal
in die Gussform befördert
und zwar mithilfe von Zuführmitteln,
wie einem Ausguss, einem Tauchrohr oder einer Gussdüse, wobei
die Zuführmittel
mit dem Einfüllkanal
verbunden sind und oft eine Austrittsöffnung im Boden oder der Basis
des Einfüllkanals
bilden. Die Gussdüse
tritt unterhalb des Meniskus des geschmolzenen Aluminiums in die
Gussform aus. Der Ausgang oder die Austrittsöffnung der Gussdüse ist im
Allgemeinen etwa 20 bis 160 mm unter dem Meniskus angeordnet. Um
den Fluss des Aluminiums aus der Gussdüse in die Gussform im Hinblick
auf Richtung und Geschwindigkeit zu einem gewissen Grad überwachen
zu können,
und um demzufolge auch das spätere
Makroabsonderungsprofil in dem gegossenen Barren überwachen
zu können,
ist es üblich,
dass eine aus einem Glasfasermaterial bestehende Tasche unterhalb
der Austrittsöffnung
angeordnet ist.
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Ein
Nachteil bei der Verwendung einer solchen Glasfasertasche besteht
darin, dass ein einzelner Guss im Allgemeinen schwierig zu reproduzieren ist.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass Oxide dem Glasfasermaterial
während
des Gießens
anhaften können
und in unregelmäßigen Intervallen
von diesem Material gelöst
werden und somit negative Auswirkungen auf die Qualität des Barrens
haben. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass es bei der Anlaufphase
eines Gussvorgangs zu einer Anhäufung
großer
Oxidmengen in der Glasfasertasche kommen kann, wobei diese Oxide
dann, während des
Gießens,
in den Gussbarren eindringen können und
folglich negative Auswirkungen auf die Qualität des Barrens haben können.
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Eine
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Vorrichtung
anzugeben, die die obigen Nachteile nicht aufweist, oder die diese
Nachteile zumindest in viel geringerem Maße aufweist.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Gießen von
Aluminiumbarren anzugeben, das die obigen Nachteile nicht aufweist
oder diese Nachteile zumindest in viel geringerem Maße aufweist.
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Bei
einem Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung vorgesehen, die
dadurch gekennzeichnet ist, dass die Zuführmittel mit einer Gießwanne verbunden
sind, wobei die Gießwanne
mit einem Einlassteil ausgestattet ist, um das geschmolzene Aluminium
aus dem Einfüllkanal
in die Kammer der Gießwanne
einzulassen, und außerdem
mit Mitteln zur Druckminderung, um den absoluten Gasdruck in dem
Teil der Gießwanne
zu mindern, der über
dem flüssigen,
in die Kammer der Gießwanne
eingelassenen Aluminium liegt, und wobei die Mittel zur Druckminderung
während
des Gebrauchs einen absoluten Gasdruck im Bereich von 0,50 bis 0,97
bar in dem Teil der Gießwanne
erzeugen können,
der über
dem flüssigen,
in die Kammer der Gießwanne
eingelassenen Aluminium liegt. Dies entspricht einem absoluten Druckunterschied
gegenüber
dem Luftdruck von 0,50 bis 0,03 bar. Selbst ein relativ geringer
absoluter Druckunterschied führt
zu einer deutlichen Verbesserung bei der Überwachung der Flüssigkeitsströmungsgeschwindigkeit
des Aluminiums in die Gussform, wobei die Form dazu dient, einen
Barren mit einer Dicke von 450 mm oder mehr und einer Breite von
2000 mm oder mehr zu gießen.
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Die
Benutzung einer Gießwanne
in einer Gussmaschine diesen Typs zum kontinuierlichen oder halbkontinuierlichen
Gießen eines
Aluminiumbarrens bedeutet, dass die Strömungsgeschwindigkeit des geschmolzenen
Aluminiums in die Gussform wesentlich erfolgreicher mithilfe des
Gasdrucks überwacht
werden kann und deshalb in dem entstandenen Barren ein Makroabsonderungsprofil
erreicht wird, das besser reproduzierbar und flacher ist. Des Weiteren
ist der Gebrauch der bekannten Glasfasermaterialtasche nicht mehr
nötig und
demzufolge sind alle damit verbundenen Nachteile behoben. Des Weiteren
wirkt sich der verminderte Gasdruck in dem Teil der Gießwanne,
der über
dem geschmolzenen, in die Gießwanne
eingelassenen Aluminium liegt, also in der Kammer der Gießwanne,
so aus, dass die Bildung eines Wirbels oder Strudels in unmittelbarer Nähe zum Übergangsbereich
von der Gießwanne
zu den Zuführmitteln,
beispielsweise einer Gussdüse, deutlich
reduziert wird. Einen weiteren Vorteil stellt der wesentlich stabilere
und weniger schwankende Meniskus in der Gussform dar.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung gemäß der Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Druckminderung einen
absoluten Gasdruck im Bereich zwischen 0,75 und 0,95 bar in dem
Teil der Gießwanne
erzeugen, der über
dem in die Kammer der Gießwanne
eingelassenen, flüssigen
Aluminium liegt. Dies entspricht einem absoluten Druckunterschied
gegenüber
dem Luftdruck von 0,25 bis 0,05 bar. Dies führt zu einer weiteren Verbesserung
bei der Überwachung
der Flüssigkeitsströmungsgeschwindigkeit
des Aluminiums in die Gussform.
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Es
hat sich herausgestellt, dass es beim Gießen von Aluminiumlegierungen,
welche Legierungselemente mit einem niedrigeren Dampfdruck als geschmolzenes
Aluminium bei einer vorgegebenen Temperatur enthalten, wie z. B.
Magnesium, bei Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, zu keinen
wesentlichen Proble men mit dem etwas verminderten Luftdruck in der
Gießwanne
kommt. Es ist möglich,
dass durch den verminderten Gasdruck eine leichte Entgasung des
geschmolzenen Aluminiums auftritt, wobei diese Entgasung jedoch
nicht Ziel der vorliegenden Erfindung ist.
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Die
Zuführmittel
können
eine Gussdüse
enthalten, die derart geformt ist, dass das Strömungsbild des Aluminiums in
die Gussform im Wesentlichen stabil und symmetrisch ist. Die Erfindung
basiert zum Teil auf der Erkenntnis, dass eine Gießwanne mit
einer Kammer mit herabgesetztem Gasdruck die Möglichkeit bietet, sich von
den bekannten Gussdüsen oder
Ausgüssen
wegzubewegen, zusammen mit den damit verbundenen Nachteilen, und
die Auswahl einer Gussdüse
ermöglicht,
die wesentlich besser dazu geeignet ist, ein erwünschtes Flüssigkeitsströmungsbild
in der Gussform aufzuerlegen und beizubehalten. Das erwünschte Strömungsbild
kann sich sowohl auf die Symmetrie, die Stabilität, die Austrittsgeschwindigkeit,
die Austrittsrichtung als auch auf passende oder erwünschte Kombinationen
daraus beziehen.
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Die
gesamte Querschnittsaustrittsfläche
der Gussdüse,
AAustrittsdüse,
geteilt durch die horizontale Querschnittsfläche der Gussform (die im Wesentlichen
der Dicke multipliziert mit der Breite des Aluminiumbarrens entspricht),
AGussform, kann im Bereich von 0,0001 bis
0,1 liegen, und liegt bevorzugt in einem Bereich von 0,001 bis 0,1.
Der dimensionslose Verlustkoeffizient, der in Beziehung zur mittleren
Geschwindigkeit des geschmolzenen Aluminiums in der Querschnittsaustrittsfläche der
Gussdüse
steht, liegt typischerweise im Bereich von weniger als 1,6·106, und vorzugsweise in einem Bereich von
weniger als 10.
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Abhängig von
der Breite des zu gießenden Barrens,
ist es auch möglich,
dass sich zwei oder mehr Gussdüsen
in eine Gussform öffnen.
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Eine
Ausführungsform
der Vorrichtung gemäß der Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung der Zuführmittel,
vorzugsweise eine Gussdüse,
in einem Bereich von mehr als 20 mm unterhalb des Meniskus des geschmolzenen Aluminiums
in der Gussform liegt, und vorzugsweise in einem Bereich von nicht
mehr als 150 mm, und noch bevorzugter in einem Bereich von 40 bis
70 mm.
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Es
hat sich gezeigt, dass die Vorrichtung gemäß der Erfindung zum Gießen von
im Wesentlichen rechteckigen Barren mit einer Dicke und einer Breite besonders
geeignet ist, wobei die Dicke mehr als 500 mm beträgt.
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Es
hat sich gezeigt, dass die Vorrichtung gemäß der Erfindung zum Gießen von
im Wesentlichen rechteckigen Barren mit einer Dicke und einer Breite besonders
geeignet ist, wobei die Breite mehr als 2300 mm beträgt, und
noch bevorzugter mehr als 2500 mm beträgt.
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Aluminiumbarren
mit einer Querschnittsfläche
von 450 × 2300
mm oder mehr werden in Fachkreisen oft als „Jumbo"barren bezeichnet. Barren dieser Größe sind
sehr schwierig kontinuierlich oder halbkontinuierlich zu gießen und
weisen oft ein Makroabsonderungsprofil auf, das schwierig zu reproduzieren
und höchst
unvorteilhaft ist. Die Herstellung sehr großer Barren dieser Größenordnung
mithilfe der Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung hat deutliche Vorteile, insbesondere ein vorteilhaftes Makroabsonderungsprofil
und eine besser zu überwachende
Strömung
des geschmolzenen Aluminiums in die Gussform.
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Bei
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zum Gießen
des geschmolzenen Aluminiums vorgesehen, um einen Barren in der
Gussform einer Gussmaschine zu formen, umfassend die Schritte des
Gießens
des geschmolzenen Aluminiums gemäß dem angehängten Verfahrensanspruch
8.
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Benutzt
man das Verfahren gemäß der Erfindung
zum kontinuierlichen oder halbkontinuierlichen Gießen eines
Aluminiumbarrens, kann die Flüssigkeitsströmungsgeschwindigkeit
des Aluminiums in die Gussform wesentlich erfolgreicher überwacht werden,
und deshalb wird in dem abschließend gegossenen Barren ein
Makroabsonderungsprofil erreicht, das erfolgreicher reproduziert
werden kann und das vorteilhafter ist. Des Weiteren ist der Gebrauch
einer Glasfasermaterialtasche nicht mehr nötig, was dazu führt, dass
alle damit verbundenen Nachteile überwunden werden. Des Weiteren
bedeutet ein verminderter Gasdruck in dem Teil der Gießwanne,
der über
dem geschmolzenen, eingelassenen Aluminium liegt, dass die Bildung
eines Wirbels oder Strudels in unmittelbarer Nähe zum Übergangsbereich von der Gießwanne zu
den Zuführmitteln, beispielsweise
einer Gussdüse,
deutlich reduziert wird.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
des Verfahrens gemäß der Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, dass ein absoluter Gasdruck in einem
Bereich von 0,75 bis 0,95 bar in dem Teil der Gießwanne gewählt ist,
der über
dem flüssigen,
in die Gießwanne
eingelassenen Aluminium liegt. Selbst ein relativ geringer absoluter
Druckunterschied führt
zu einer deutlichen Verbesserung bei der Überwachung der Flüssigkeitsströmungsgeschwindigkeit
des Aluminiums in die Gussform. Ein weiterer Vorteil und eine bevorzugte
Anordnung sind, dass die Stopfenstange, als Überwachungsteil, nicht länger direkt oberhalb
oder fluchtend mit der Gussdüse
angeordnet sein muss. Das führt
dazu, dass durch eine Stopfenstange ausgelöste Unterbrechungen das Flüssigkeitsströmungsbild
eines Tauchrohrs oder einer Gussdüse nicht mehr beeinträchtigen.
Des Weiteren bewirkt dies eine erwünschte und stabilere, gleichförmige und
symmetrische Eintrittsflüssigkeitsströmung.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens gemäß der Erfindung
ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminium gegossen
wird, um einen im Wesentlichen rechteckigen Barren mit einer Dicke
von 500 mm oder mehr zu bilden, und des Weiteren dadurch, dass das
Aluminium gegossen wird, um einen im Wesentlichen rechteckigen Barren
mit einer Breite von 2300 mm oder mehr, vorzugsweise mehr als 2500
mm zu bilden.
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Aluminiumbarren
mit einer Querschnittsfläche
von 450 × 2000
mm oder größer werden
in Fachkreisen oft als „Jumbo"barren bezeichnet.
Große Barren
dieses Typs sind sehr schwierig kontinuierlich oder halbkontinuierlich
zu gießen
und weisen oft ein Makroabsonderungsprofil auf, das schwierig zu
reproduzieren und höchst
unvorteilhaft ist. Die Herstellung großer Barren dieser Größenordnung
mithilfe der Vorrichtung gemäß der Erfindung
hat deutliche Vorteile, insbesondere ein wesentlich vorteilhafteres Makroabsonderungsprofil
als Ergebnis einer erfolgreicheren Überwachung der Flüssigkeitsströmung des
Aluminiums in die Gussform.
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Es
hat sich ebenfalls gezeigt, dass das Verfahren und die Vorrichtung
gemäß der Erfindung
besonders geeignet sind für
die Herstellung von Barren aus geschmiedeten Aluminiumlegierungen
mit einem hohen Anteil an Legierungselementen, insbesondere den
Aluminiumlegierungen aus den Aluminium Association Serien (AA)2xxx,
(AA)5xxx und (AA)7xxx, wie beispielsweise, aber nicht darauf beschränkt, 2024, 2034,
5053, 5069, 7010, 7050, 7075 und Abwandlungen davon.
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Die
Erfindung wird unten unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, die nicht
beschränkende
Ausführungsformen
darstellen, beschrieben. In den Zeichnungen:
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zeigt 1 eine
schematische Ansicht einer kontinuierlichen oder halbkontinuierlichen
Betriebsvorrichtung zur Herstellung eines Aluminiumbarrens unter
Verwendung der Erfindung, und
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2a und 2b zeigen
einen schematischen Querschnitt durch eine Gussdüse zum Koppeln an eine Gießwanne in
einer Vorrichtung gemäß dieser
Erfindung.
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1 zeigt
schematisch eine Vorrichtung zum halbkontinuierlichen Gießen eines
Barrens 1, in der eine Gießwanne 3 vorgesehen
ist, die mit Mitteln zur Druckminderung 5, wie z. B. einer
Vakuumpumpe, verbunden ist, um den Gasdruck in dem Teil der Gießwanne 3 zu
verringern, der über
dem eingelassenen geschmolzenen Aluminium liegt, und ein Einlassteil 10 ist
ebenfalls vorgesehen, um geschmolzenes Aluminium aus dem Einfüllkanal 4 in
die Gießwanne
einzulassen. In dem Einfüllkanal 4 herrscht normaler
Luftdruck. Das Einlassen von geschmolzenem Aluminium kann mithilfe
einer Stopfenstange 6 geregelt werden. Das Regelsystem
zum Einlassen von geschmolzenem Aluminium kann automatisiert sein.
Um das Fließen
des geschmolzenen Alumini ums von der Gießwanne 3 in die Gussform 8 zu
regeln, ist es nicht notwendig, dass die Stopfenstange 6 unmittelbar
oberhalb oder fluchtend mit den Zuführmitteln angeordnet ist, wobei
die Zuführmittel
die Gussdüse
sind. Diese Vorrichtung wird sogar bevorzugt. Das geschmolzene Aluminium
fließt über die Zuführmittel 2,
wie z. B. die Gussdüse,
die mit der Gießwanne
verbunden sind, in eine Gussform 8. Die Zuführmittel 2 erstrecken
sich bis unterhalb des Meniskus 7 des geschmolzenen Aluminiums
in der Gussform. Der Abstand X2 zwischen
dem Meniskus 7 des geschmolzenen Aluminiums und der Austrittsöffnung 9 der
Zuführmittel 2 liegt
vorzugsweise in einem Bereich von weniger als 70 mm. Dies ist insbesondere
wichtig, wenn „Jumbo"barren gegossen werden.
Der Abstand X1 zwischen dem Boden der Gießwanne 3 und
der Austrittsöffnung 9 der
Zuführmittel 2 liegt
vorzugsweise in einem Bereich zwischen 300 und 500 mm, und vorzugsweise
in einem Bereich von 400 bis 500 mm. Der Höhenunterschied Δh zwischen dem
Flüssigkeitsniveau
in der Gießwanne
und dem Flüssigkeitsniveau 7 in
der Gussform liegt typischerweise in einem Bereich von 150 bis 1500
mm, und bevorzugt in einem Bereich von 150 bis 1000 mm.
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2a zeigt
schematisch eine Gussdüse 2, die
sich zur Benutzung in Kombination mit der Gießwanne gemäß der Erfindung als besonders
geeignet erwiesen hat. Die Gussdüse
umfasst zwei symmetrische Austrittsöffnungen 9, die in
einem Winkel α1 gegenüber
einer Längsachse
stehen, wobei die Längsachse,
im Betrieb, die senkrechte Achse darstellt. In 2a,
ist α1 gleich 20° gegenüber der Horizontalen und liegt
typischerweise in einem Bereich von 10° bis 90°. Die Gussdüse besteht aus einem geeigneten feuerfesten
Material. Der Querschnitt der Gussdüse kann verschiedene Formen
annehmen, wie z. B. oval und rund. Die Austrittsöffnungen können ebenfalls verschiedene Formen
annehmen. In 2b, ist α1 gleich
20° und,
davon unabhängig,
kann α2 in einem Bereich von 10° bis 90°, und vorzugsweise 20° bis 90° gewählt werden.
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Nachdem
die Erfindung nun vollständig
beschrieben wurde, wird es nun für
einen Fachmann durchschnittlichen Könnens offensichtlich sein,
dass viele Änderungen
und Abwandlungen durchgeführt werden
können,
ohne vom Schutzbereich der Erfindung, der in den hier beigefügten Ansprüchen aufgezeigt
ist, abzuweichen.