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Verfahren zum Vergiessen von Stahl in flüssige Schlacke enthaltende
Kokillen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vergiessen von Metall in flüssige Schlacke enthaltende Gussformen oder Kokillen. Während des Giessens kann der Giesser die Trennungsschicht Metall-Schlacke nicht sehen und auch nicht feststellen, ob die über den Kokillenrand fliessende Schlacke flüssige Metallteilchen enthält oder nicht. Durch visuelle Beobachtung kann also die Giessgeschwindigkeit und/oder Giessdauer des Metalls nicht derart geregelt werden, dass der Giesser genau die Menge des vergossenen Metalls kennt oder das Überfliessen des Metalls oder das Mitreissen von Metallteilchen in die aus der Gussform überflie- ssende Schlacke verhindern kann.
In der nicht vorveröffentlichten österr. Patentschrift Nr. 210074 ist ein Verfahren zum Vergiessen von.
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gekennzeichnet ist, dass auf einer bestimmten Höhe der Kokille der Beginn der durch die Verdrängung der reinen Schlacke durch eine Metall-Schlacken-Emulsion bedingten Leitfähigkeitsänderung des sich auf dieser Höhe befindlichen Mediums bestimmt wird, danach kontinuierlich oder diskontinuierlich der Stahl mit verlangsamter Geschwindigkeit vergossen wird, damit sich Schlacke und Metall trennen können und das Vergiessen des Metalls beendet wird, wenn die Leitfähigkeit des reinen Metalls erreicht ist.
Es wurde nun gefunden, dass es auf Grund der physikalischen Eigenschaften der flüssigen Schlacke und des flüssigen Metallsmöglich ist, auch andere Mittelzur Regulierung des Vergiessens eines Metalls in eine flüssige Schlacke enthaltende Giessform anzuwenden. Es muss nur jeweils die zur Regelung benutzte physikalische Eigenschaft einen merklich verschiedenen Wert für flüssige Schlacke und Metall aufweisen und in einem horizontalen Abschnitt kontinuierlich oder in kurzen Zeitabschnitten während der ganzen Zeit des Giessens des Metalls in die Gussformen messbar sein.
Zu diesem Zwecke sieht die Erfindung beim Vergiessen der Metallschmelze in flüssige Schlacke enthaltende Kokillen vor, dass der Guss des Metalls verlangsamt wird, sobald sich auf einer bestimmten Höhe der Kokille eine der nachstehend angeführten physikalischen Eigenschaften der Schlacke der entsprechenden Eigenschaft des Metalls nähert : Die Dichte, die Durchlässigkeit für Röntgenstrahlen od. dgl., die Durchlässigkeit für Ultraschallwellen od. dgl., das Potential oder der Gehalt an radioaktiven Indikatoren, und dass der Guss des Metalls völlig unterbrochen wird, sobald auf der besagten Höhe die betreffende Eigenschaft in einem dem flüssigen Metall entsprechenden Ausmass angezeigt wird.
Die Bestimmung der Standhöhe eines nicht unmittelbar sichtbaren Flüssigkeitsspiegels auf Grund der Änderung bestimmter physikalischer Eigenschaften ist an sich nicht neu. Die bekannten Methoden betreffen aber nur die Messung des Niveaus einer an Luft angrenzenden Flüssigkeit von definierter Oberfläche, z. B. mittels Neutronen oder Ultraschall, doch handelt es sich dabei um eine einzige Flüssigkeit.
Der Erfindung liegt aber das schwierige und mit den bekannten Hilfsmitteln bisher nicht gelöste Problem zugrunde, bei dem bei hohen Temperaturen erfolgenden Giessen von Metall in flüssige Schlacke enthaltende Kokillen die jeweilige Höhe der unteren der beiden Flüssigkeiten in der Kokille genau zu bestimmen.
Dieses Problem wird dadurch kompliziert, dass es sich nicht nur darum handelt, eine bestimmte Trennlinie zwischen einer schmelzflüssigen Schlacke und einem flüssigen Metall zu ermitteln, was bei den genannten Materialien schon schwierig genug ist, sondern auch darum, die bei dem beschriebenen Metall" giessverfahren in flüssige Schlacke entstehende Metall-Schlacke-Emulsion zu berücksichtigen und aus dem Auftreten dieser inhomogenen Zwischenschicht das richtige Niveau des sich erst später endgültig einstel-
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Für die Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung ist es übrigens nicht notwendig, die absoluten Werte der benutzten physikalischen Eigenschaften zu kennen, sondern es genügt die Möglichkeit der Auffindung ihrer Änderungen in der Höhe, in der das Steigen des Metalls in der Gussform unterbrochen werden soll. Das Verfahren ist anwendbar, gleichgültig wie gross die Menge flüssiger Schlacke bei Beginn des Metallgusses in der Gussform ist. Das ist besonders wichtig, weil diese Menge grösser ist als die Menge, die man in der Gussform über dem Metall bei Beendigung des Metallgusses belassen will. Das Verfahren ist anwendbar, wenn so gegossen wird, dass sich Metall und Schlacke nicht mischen, wie auch wenn während des Gusses eine Dispersion des Metalls in der flüssigen Schlacke eintritt.
Das Verfahren lässt sich bei Kokillen mit und ohne Giesshaube anwenden.
Ist am Ort der Messung keine merkliche Mischung der beiden flüssigen Phasen vorhanden, so zeigt sich eine plötzliche Änderung der physikalischen Eigenschaft. Im ändern Falle erfolgt die Änderung stetig, so dass es möglich ist, die Trennung der beiden Phasen zu verfolgen.
Bei dem erfindungsgemässen Verfahren kann die Messung der Dichte, die Messung einer das Medium durchdringenden Strahlung (Röntgenstrahlen, Gammastrahlen), die Messung der Intensität des vom Medium durchgelassenen oder reflektierten Ultraschalls, die Dispersion eines radioaktiven Spurenelementes im Giessmetall oder in der die Gussform füllenden Schlacke und die Messung eines E1ektrodenpotentials zwischen zwei Punkten der Masse durchgeführt werden.
Mit allen diesen Mitteln kann festgestellt werden, wann das Metall die gewünschte Höhe der Kokille erreicht, und die Giessgeschwindigkeit des Metalls oder seine Giessdauer unter Vermeidung des Überschreitens dieser Höhe geregelt und die Trennung der Metall-Schlacke-Phasen beobachtet werden.
Bei Anwendung von Gammastrahlen, Röntgenstrahlen, Ultraschall und Spurenelementen muss das zu untersuchende Medium von Strahlen durchsetzt werden, und man könnte annehmen, dass die Anwesenheit der gleichfalls zu durchstrahlenden Gussform eine Störungsquelle bei der Bestrahlung darstelle. Da jedoch nicht absolute Werte. sondern nur Änderungen gemessen werden, werden die gegebenenfalls durch die Anwesenheit der Gussform entstehenden Schwierigkeiten eliminiert.
In der Zeichnung beziehen sich die Fig. 1-3 auf die Anwendung der Dichtenmessung, während Fig. 4 die Anwendung von Gammastrahlen in dem besonderen Fall des Giessens von Blöcken betrifft und die Fig. 5-8 die Anwendung von Ultraschall veranschaulichen.
In Fig. 1 und 2 ist der obere Teil einer Kokille 1 mit einer Giesshaube 2 zu Beginn und am Ende des Gusses dargestellt. Ein Schwimmer 3, dessen Dichte zwischen der des Metalls und der der Schlacke liegt, hängt über einige Ringglieder 4, 5 an einem festen Punkt 6. Taucht der Schwimmer in Luft oder in Schlakke, so hängt er in der niedrigen Stellung gemäss Fig. 1. Wenn das Metall oder eine Mischung von Metall und Schlacke die Höhe des Schwimmers erreicht, wird dieser hochgehoben und steigt dann gleichzeitig mit dem Metall (vgl. Fig. 2). Der Schwimmer kann z.
B. gemäss Fig. 3 ausgebildet sein und aus einem Rohr 17 aus hochhitzebeständigem Material, wie Siliciumcarbid, bestehen, das unten mit einem Stopfen 28 verschlossen, mit einer schweren Masse 29 austariert und schliesslich oben mit einem Stopfen 30 verschlossen ist, an dem ein Ring 23 zum Aufhängen angebracht ist.
In Fig. 4 ist schematisch ein Anwendungsbeispiel für die Messung der Absorption oder des Durchlasses des Mediums, z. B. für Gamma- oder Röntgenstrahlen, dargestellt. 31 ist die Kokille und 35 die Giesshaube, 33 die Strahlenquelle, 34 der Empfänger. Wird die aus der Quelle 33 ausgesandte Strahlung gegen die Kokille gerichtet, so nimmt der Empfänger die durch die Materie durchgelassene Strahlung auf. Der Empfänger ist passend abgestimmt, um den Einfluss sekundärer Bestrahlungenauszuschaltenundnurdieauf der geraden Linie 32 durchgelassenen Strahlen zu empfangen. Die aus der Strahlenquelle 33 ausgesandten Strahlen müssen selbstverständlich genügend stark sein.
Beobachtet man vor dem Vergiessen des Metalls einen Wert Ri für die durch den Empfänger aufgenommene Strahlung, so bleibt dieser Wert Rl praktisch beim Eingiessen des Metalls erhalten, bis Metall oder eine Metall-Schlacke-Emulsion die Höhe der Linie 32 erreicht. In diesem Augenblick beobachtet man einen von Ri deutlich verschiedenen Wert. Man unterbricht oder verlangsamt jetzt das Vergiessen des Metalls und giesst gegebenenfalls weiter, bis der dem Metall entsprechende Wert Rm konstant bleibt.
Als Quelle der Gammabestrahlung kann man jede Quelle verwerten, die qualitativ und quantitativ eine genügende Durchdringungskraft besitzt, wobei der Empfänger z. B. ein Geigerzähler ist. Die Intensität I einer Gammastrahlung, die durch eine Materie gegangen ist, entspricht der Formel 1=1 e-ZJl
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in der 10 die Intensität der ausgesandten Strahlung, z die Weglänge im durchstrahlten Medium und der lineare Absorptionskoeffizient dieses Mediums ist (veränderlich mit der Emissionsspannung der Strahlen).
Bezeichnet man mit z den Weg zwischen den Wänden der Kokille, mit J1., und IL m die linearen Absorptionskoeffizienten der Schlacke und des Metalls und jeweils mit 11 und Im die durchgestrahlten Intensitäten, wenn die Kokille Schlacke und Metall auf dem Bestrahlungswege enthält, so stehen diese Intensitäten in dem Verhältnis
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Nimmt man als Beispiel für eine Strahlungsquelle Kobalt 60 mit einer Emissionsspannung von 1, 25 MV (Millionen Volt), für welche - i-i
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nutzbarer Oberfläche von etwa 10 cm und einem Abstand von 2 Metern zwischen Strahlungsquelle und Empfänger kann die Lage der Trennlüue zwischen einer Metallphase und einer Schlackenphase in weniger als einer Sekunde auf wenige Millimeter bestimmt werden.
Um erfindungsgemäss verwertbar zu sein, sollen die Röntgenstrahlen eine Emissionsspannung von mehr als 1 MV haben. Um sie herzustellen, wird man die klassischen Röhren mit erhöhter Emissionsspannung oder vorteilhaft Acceleratoren von VAN DER GRAAF, lineare Acceleratoren oder Betatrone benutzen. Der Empfänger wird, wie für die Gammastrahlen, ein Funkenzähler sein.
Der Ultraschall kann, wie auch auf andern Gebieten, im Durchstrahlungsverfahren oder im Durch- strahlungs-und Reflexionsverfahren benutzt werden. Vorzugsweise werden Frequenzen zwischen 0, 2 und 10 MH (Millionen Hertz) verwendet. Geeignet sind kontinuierliche oder Impulssender. Im erstgenannten Fall wird zur Regelung des Metallgusses die Änderung der durchgelassenen Intensität gemessen, sobald das Metall die Schlacke ersetzt. Im zweiten Fall wird eine Änderung der Intensität der Impulse und/oder eine Verschiebung dieser Impulse aus der Abszisse infolge der unterschiedlichen Geschwindigkeiten der Ultraschallstrahlen in der Schlacke und im Metall beobachtet.
Um eine passende Koppelung zwischen dem zu untersuchenden Medium und dem Schallsender oder dem Schallempfänger herzustellen, kann die Kokille in der gewünschten Höhe mit Graphitstäben versehen werden, die direkt durch die Kokillenwand geführt sind und auf die dann die als Schallsender und/oder Schallempfänger dienenden Prüfköpfe aufgesetzt werden.
In den Fig. 5-8 sind mehrere Anordnungen der Sonden dargestellt-In jeder dieser Figuren ist die Wegstrecke der ausgesandten und/oder reflektierten Schallwelle durch eine strichlierte, mit Pfeilen versehene Linie gezeichnet, Die Wandungen der Kokille sind mit 41, 42 und die emittierenden Sonden mit 43 bezeichnet.
Fig. 5 betrifft eine Durchstrahlung. Die in 43 ausgesandte Welle wird direkt in 44 empfangen. Der Sender kann kontinuierlich oder mit Impulsen arbeiten,
Fig. 6 betrifft eine Reflexion mit einem einzigen Prüfkopf. Die bei 43 durch einen Sender mit Impulsen ausgesandte Welle wird senkrecht auf die gegenüberliegende Wandung 42 gerichtet und wird auf dieser Wandung reflektiert. Die reflektierte Welle wird bei 43 mittels der gleichen Sonde empfangen.
Fig. 7 betrifft eine Reflexion mit zwei Prüfköpfen. Die bei 43 durch einen kontinuierlichen oder mit Impulsen arbeitenden Sender ausgesandte Welle wird so gelenkt, dass sie in schräger Richtung auf die Wandung 42 fällt. Sie reflektiert auf dieser Wandung. Diese Welle wird durch einen zweiten Prüfkopf bei 45 im Rückkehrpunkt der reflektierten Welle auf der Wand 41 empfangen.
Nach Fig. 8 wird die Trennfläche zwischen Metall und Schlacke oder der Emulsion aus Metall und Schlacke durch Reflexion von Ultraschallwellen bestimmt, die von einem Sender in der Nähe der Schlakkenoberfläche ausgesandt und gegen den Boden der Kokille gerichtet werden. Die Zeit. die die Ultra-
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von dem Abstand zwischen Sender und der Reflexionsfläche ab, d. h. von der Dicke der das Metall bedeckenden Schlackenschicht. Eine bestimmte Dicke dieser Schlackenschicht entspricht also einer bestimmten Zeit, bis die ausgesandte Schallwelle wieder zurückgekehrt ist. Der Guss wird unterbrochen, bis diese Zeit der gewünschten Schlackendichte entspricht. So ist es z.
B. möglich, einen in die Schlacke eintauchenden Impulsschallsender zu verwenden, der senkrecht zu der Schlackenoberf1ä. UltraschaH.lwellen aussendet und nach Reflexion an der Trennfläche zwischen Schlacke und Metall oder der Emulsion aus Schlacke und Metall wieder empfängt. Selbstverständlich kann auch neben dem Ultraschallsender ein gesonderter Ultraschallempfänger verwendet werden.
Will man radioaktive Spurenelemente zur Durchführung des Verfahrens benutzen, so dispergiert man im Metall oder in der Schlacke ein in einem von beiden lösliches radioaktives Element, das harte Gammastrahlen ausstrahlt. Man dispergiert z. B. Kobalt 60 in dem Metall oder Lanthan 140 in der Schlacke.
Man verwendet einen sorgfältig abgestimmten Geigerzähler, der so aufgesteckt wird, dass seine Achse in der Ebene liegt, in der das Steigen des Metalls oder der Emulsion unterbrochen werden soll. Wird auf dieser Ebene die anfänglich anwesende Schlacke durch Metall oder Metall-Schlacke-Emulsion verdrängt, so ändert sich der durch den Zähler angezeigte Wert und auf Grund dieser Änderung kann das Giessen des Metalls geregelt werden.
Soll die Menge des radioaktiven Elementes beschränkt werden, so wird vorteilhafterweise in die Kokillenwandung in der gewünschten Höhe ein die Gammastrahlen wenig absorbierender Graphitstab eingesetzt und der Zähler hinter diesem Stab aufgestellt.
Zur Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung kann auch die Messung eines Elektrodenpotentials angewendet werden. Zu diesem Zweck werden im Innern der Kokille zwei Elektroden aus Graphit oder aus Kohle angebracht, die von der Kokille elektrisch isoliert sind. Diese beiden Elektroden liegen auf verschiedenen Höhen. Die niedrigere befindet sich auf der Höhe, auf der das Steigen des Metalls oder der Metall-Schlacke-Emulsion unterbrochen werden soll. Die Elektroden sind an ein selbstschreibendes empfindliches und rasch anzeigendes Potentiometer angeschlossen und es werden die angezeigten Werte am Potentiometer abgelesen. Da die beiden Elektroden niemals in das gleiche Medium tauchen, zeigt dieser Wert ein Maximum, wenn eine von ihnen in die Schlacke und die andere in das Metall taucht.
Das Potentiometer zeigt einen Zwischenwert, wenn eine der Elektroden sich in der Schlacke und die andere sich in einer Metall-Schlacke-Emulsion befindet. Die Beobachtung dieses Wertes gestattet die Regulierung des Metallgusses derart, dass weder das Metall noch die Metall-Schlacke-Emulsion die gewünschte Höhe überschreitet.