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Die Erfindung betrifft eine Kokille bzw. einen Kokillenaufsatz für gegebenenfalls kontinuier- liches Umschmelzen und/oder Giessen von Metallen und Legierungen sowie Verfahren zu ihrer
Herstellung.
Es ist eine grosse Zahl von Konstruktionen für Kokillen und Kokillenaufsätze bekanntgeworden.
Sie weisen grundsätzlich einen Hohlraum für die Aufnahme der Schmelze eines Giessmetalls und/oder einer Schlacke auf, der durch, gegebenenfalls mehrteilige, diesem Raum zugekehrte, im Falle von Aufsätzen meist mehrdimensional gekrümmte Kühlfläche (n) begrenzt ist. Diese Kühlfläche ist Teil eines gegebenenfalls mehrteiligen Kühlkörpers, welcher selbst mindestens einen Hohlraum zur Durchleitung von Kühlmedium aufweist. Solange die genannten Kokillen bzw. Aufsätze keinen besonderen Beanspruchungen ausgesetzt sind, können die Kühlkörper im wesentlichen bloss aus
Blechen gefertigt sein, welche einen über Anschlüsse mit Kühlmedium versorgbaren Kühlmediumsraum umschliessen. Zur Erreichung möglichst intensiver Kühlwirkung z.
B. bei Schlackewiderstandsheizung, wie beispielsweise Elektroschlacke-Blockkopfheizung bzw.-Umschmelzung und zur Verhinderung von die Kühlwirkung schwächenden Dampfblasen ist es notwendig, das Kühlmedium, meist Kühlwas- ser, unter erhöhtem Druck zur Vergrösserung der Durchflussgeschwindigkeiten durch den Kühlkörper zu führen. Bei dafür geeigneten Kokillen bzw. Aufsätzen kann beispielsweise ein der Metallschmelze zugeordneter Kühlmantel von Elektroschlackeumschmelz (ESU)-Kokillen durch einen Hohlzylinder aus Cu oder einer Cu-Legierung gebildet sein, welcher innerhalb eines hohlzylindrischen Stahlman- tels angeordnet ist. Der Zwischenraum zwischen Innen- und Aussenmantel wird vom Kühlmedium durchflossen.
Gegossene Werkstoffe sind bei Temperaturwechselbeanspruchungen, d. h. bei oftmaligen
Wärmebeaufschlagungen, mit hohen Temperaturgradienten weitgehend masshaltig bzw. stabil, so dass vorteilhaft keine masslichen Veränderungen der Kokilleninnenwand auftreten. Cu und
Cu-Legierungen mit hoher Wärmeleitfähigkeit sind jedoch im Gusszustand porös. Eine gegossene, z. B. im Schleudergussverfahren hergestellte, Innenwand der Kokille lässt daher ein unter erhöhtem
Druck stehendes Kühlmedium durch, so dass dieses bis in das Schlackenbad oder Stahlbad eindrin-- gen kann. Für den Innenmantel werden daher verformte bzw. gedichtete Cu oder Cu-Legierungswerk- stoffe verwendet.
Nachteil solcher Kokillen ist, dass sie infolge der Temperaturwechselbeanspruchung und der hohen Temperaturgradienten zu Verformungen des Cu-Kühlkörpers, beispielsweise durch Auslenkung zur Achse hin neigen und damit nicht mehr ein gewünschter Kokillenquerschnitt erhalten bleibt. Zur Vermeidung solcher Verformungen kann man so vorgehen, dass der Kühlkörper ein Hohlzylinder oder-prisma aus Kupfer ist, in welchem selbst sich Kanäle zur Führung von Kühlmedium befinden, und dass der genannte Kühlkörper von einem stützenden Aussenmantel aus Stahl korsettartig umschlossen ist. Mittels Schraubverbindungen sind die beiden Körper miteinander verbunden. Die Kühlmediumskanäle sind als gerade Bohrungen im Kühlkörper ausgebildet.
Solche Bohrungen können im wesentlichen nur bei Kokillen oder Aufsätzen mit geradlinige Erzeugende aufweisenden Innenflächen angeordnet werden und sind ausserdem herstellungsaufwendig. Bei der Herstellung von Blöcken mit Elektro-Schlacke-Kopfheizung unter Verwendung von Abschmelz- oder nichtschmelzenden Elektroden und bei andern Kokillenaufsätzen weisen die Kühlkörper üblicherweise mehrdimensional gekrümmte Kühlfläche (n) auf. Somit kommen Ausführungen mit geradlinigen Bohrungen für die Kühlmediumsführung nicht in Frage. Gegossene Kühlkörper, welche gekrümmte Kanäle zur Führung des Kühlwassers aufweisen können, scheiden infolge Materialundichtheit, wie vorher erwähnt, aus.
Bei wie oben genannter Kopfheizung mit geschmolzener Schlacke besteht unter anderem die Forderung, dass die Kühlung der Innenfläche gegen die Schlacke hin mit ausreichender Intensität erfolgen kann, es soll also möglichst nahe der Schmelze gekühlt werden. Durch das über die Liquidustemperatur des Stahls erhitzte Schlackenbad soll keine Beschädigung infolge Aufschmelzen der Kokillenaufsatzinnenwand auftreten. Weiters soll das Kühlsystem im Aufsatz auch bei im Vakuum betriebenem Giessen einwandfrei funktionieren.
In der AT-PS Nr. 346001 wird eine Durchlaufkokille mit einer kühlbaren Wandung beschrieben, bei welcher gerade Kühlkanäle in den Kühlkörper eingebracht sind, so dass keine mehrdimensional gekrümmten Kühlflächen erstellbar und kein gegossener Kühlkörper anwendbar sind.
Der wassergekühlte Kokillenaufsatz gemäss AT-PS Nr. 282845 besteht aus geschweisstem Stahlblech, so dass dieser bei hohen Schlacken und/oder Stahltemperaturen keine ausreichende Kühlwirkung erbringen kann.
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Eine bewusst niedrige Kühlung wird auch mit einer Giessform, die in DE-PS Nr. 855151 beschrie- ben ist, erreicht, so dass deren Verwendung beim Elektroschlacke-Blockkopfheizen bzw.-Umschmel- zen nicht anwendbar ist.
Auch eine Vorrichung aus üblichem Kokillenmaterial mit Pressluft- oder Pressgaskühlung, wie diese in der DE-PS Nr. 725674 beschrieben ist, kann für Prozesse, die eine hohe Kokillenkühl- leistung verlangen, nicht eingesetzt werden.
Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, eine Kokille bzw. einen Kokillenaufsatz zu schaffen, bei der bzw. dem die erforderliche intensive Kühlung und hohe Standzeiten ohne Verfor- mungen der Kokilleninnenkontur erreicht werden.
Gegenstand der Erfindung ist somit eine Kokille bzw. Kokillenaufsatz od. dgl. für gegebenen- falls kontinuierliches Giessen und/oder Umschmelzen von Metallen und Legierungen, vorzugsweise
Elektroschlacke-Blockkopfheizung und -Umschmelzung mit einem gegebenenfalls mehrteiligen, z. B. gegossenen, Kühlkörper, aus gut wärmeleitfähigem Metall, welcher mindestsens einen einer mindestens einem Hohlraum für die Aufnahme von Schmelze zugekehrten, gegebenenfalls mehrdimen- sional gekrümmten Kühlfläche entsprechende Gesamtform bzw.
Aussenkontur aufweisenden, im wesentlichen Spiral-und/oder mäanderformig ausgebildeten Hohlraum mit Metallmantel zur Führung von gegebenenfalls unter Druck stehendem Kühlemdium allseitig satt umschliesst, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Kühlkörper mit Guss- und/oder vorzugsweise warmgepresstem und/oder heissverdich- tetem Sintermetall gebildet ist.
Eine satte Umschliessung des vorzugsweise einen Metallmantel aufweisenden Raumes zur
Führung des Kühlmediums und des Kühlkörpers aus Guss und/oder Sintermetall ist für einen hohen Wärmedurchgang vorteilhaft und kann durch verschiedene, zum Stand der Technik gehörende
Massnahmen erreicht werden. Bei der erfindungsgemässen Kokille weist der Kühlmediumführungsraum insgesamt z. B. die Form einer räumlichen Spirale bzw. räumlicher Spiralen auf, deren Windungen in relativ geringem und jeweils konstantem oder je nach gewünschter lokaler Kühlung berechnetem Abstand von der Kühlfläche im Körper aus gegossenem (gesintertem) Metall (Legierung) eingebettet sind. Dadurch ist auch bei mehrfach gekrümmten Kühlflächen eine gleichmässige, intensive Kühlung gewährleistet.
Insbesondere bei in mehreren Sektoren geteilten Kühlkörpern kommen für die Kühlmediumsräume beispielsweise auch im wesentlichen mäander-, schlangen-oder serpentinenartige, in ihrer Kontur an die Form der Kühlfläche (n) angepasste Mediumsführungshohlräume in Frage. Neben intensivierter Kühlwirkung besteht der Vorteil, dass zwischen Kühlrohr und es satt umschlie- ssendem Giessmetall-Kühlkörper eine Art gegenseitige Stützung eintritt, und dadurch auch hohe Kühlmediumsdrücke und Anwendung von Vakuum keine Probleme bringen. Die neuen Kokillen bzw. Aufsätze eignen sich unter anderem für kontinuierliches Giessen, ESU-Prozesse, Kopfheizung beim Giessen von Blöcken mit ESU u. dgl.
Bei einer insbesondere einfachen Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist vorgesehen, dass sie bzw. er einen gegebenenfalls mehrteiligen, mindestens ein den Kühlmediumführungs-Hohlraum ummantelndes Rohr aus Cu bzw. Cu-Legierung oder Stahlrohr umschliessenden Kühlkörper aus Cu bzw. Cu-Legierung aufweist.
Bei Herstellung einer solchen Kokille kann so vorgegangen werden, dass ein im wesentlichen dünnwandiges Rohr der Form eines Aufsatzes bzw. von dessen Kühlfläche entsprechend, beispielsweise spiralförmig, gebogen wird, wobei der Abstand zwischen den Rohren festgelegt ist und diese Spirale in einer entsprechend gebildeten Giessform mit Cu-Legierung umgossen wird, so dass nach Fertigbearbeitung des Gussstückes ein Aufsatz vorliegt, in welchem eine Kühlspirale von gegossener Cu-Legierung umbettet festgesetzt ist, wodurch Überdruckkühlung völlig problemlos erfolgen kann.
Gemäss einer weiteren, besonders intensive Kühlung und höchste Standzeiten erbringenden Ausführungsform ist die Kokille bzw. der Kokillenaufsatz so gestaltet, dass sie (er) einen gegebenenfalls mehrteiligen, mindestens ein den Kühlmediumsführungs-Hohlraum ummantelndes Rohr aus Kupfer oder Kupferlegierung umschliessenden Kühlkörper aus gut wärmeleitfähigem Guss- und/oder Sintermetall, vorzugsweise Kupfer oder Kupferlegierung, aufweist, der mit einem gegebenenfalls mehrteiligen Aussenkörper aus anderem Metall, vorzugsweise Grauguss oder Stahl, verbunden ist, wobei aneinanderliegende Flächen von Kühlkörper und Aussenkörper miteinander kooperierende Formschluss- bzw. Verankerungselemente aufweisen.
Ein vom Kühlkanal durchzogener Kühlkörper
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und der diesen tragende Aussenkörper bilden die Kokille, wobei der Aussenkörper nicht unbedingt vollflächig ausgebildet sein muss, sondern z. B. nach Art von Tragschienen, eines Käfigs od. dgl. gebaut sein kann. Die Aufnahme der Kräfte erfolgt durch einen im wesentlichen kaltbleibenden
Aussenkörper aus bevorzugt mechanisch festem Metall, während der von ihm gestützte Kühlkörper für die Wärmeableitung sorgt. Infolge seiner Herstellungsweise auf dem Wege von Giessen und/oder
Sintern kann der Kühlkörper praktisch jede gewünschte Gesamtkontur seiner Kühlspirale bzw. -schlange aufweisen, so dass z.
B. bei Kokillenaufsätzen für Elektroschlacke-Umschmelzen und
Blockkopfbeheizung von Guss-, Schmiede- und Walzblöcken zu jeder Zeit die sichere Gewähr einer Begrenzung des Warmhalteraumes durch an den Kühlflächen erstarrte Schlacke gegeben ist. Da gleich beim Giessen des Kühlkörpers infolge Umgiessens von Verankerungselementen auf der Innenfläche des Aussenkörpers in ihrer Form genau entsprechende Gegenformschlusselemente gebildet werden, wird eine äusserst innige, festigkeitssteigernde Sandwichstruktur erreicht, und damit hohe Mass- und Formhaltigkeit. Dabei ist die Herstellung der Verankerungsverbin- dung - wie beschrieben - äusserst einfach.
Die Herstellung der Kokille nach der letztgenannten Ausführungsvariante geht etwa folgender- massen vor sich :
Aus Graugussmaterial wird eine äussere, tragende Schale eines Kokillenaufsatzes hergestellt, wobei die Innenfläche nicht glatt, sondern mit Formschlusselementen, etwa nach Art einer Verzah- nung oder "Verzinkung" ausgebildet ist. Im Abstand von der Innenfläche des so gebildeten
Aussenkörpers wird ein Rohr aus einer Kupferlegierung oder Kupfer z. B. spiralig verlegt und befestigt : Danach wird Kupfer oder eine Kupferlegierung auf die Graugussschale und um die
Kupferrohrspirale gegossen und auf diese Weise wird ein Verbundkokillenkörper gebildet. Zufolge der guten Wärmeleitfähigkeit von Kupfer bzw. desen Legierung ist eine äusserst intensive Kühlung gegeben.
Weiterer Vorteil ist die stabile und zeitstandfeste Formhaltung, so dass auch die Verwen- dung als direkte Kokille für Elektro-Schlacke-Umschmelz-Prozesse durchaus gegeben ist und die Kokille auf Grund des ein Stützkorsett bildenden Aussenteiles keinem Verzug während des Einsatzes unterworfen sein kann.
Ein besonders inniger Verbund zwischen stützendem Aussenkörper und Kühlkörper lässt sich dann erreichen, wenn die Formschlusselemente an den Flächen von Kühlkörper und Aussenkörper als vorzugsweise einander hintergreifende Vorsprünge und Ausnehmungen, vorzugsweise etwa nach Art einer Verzahnung oder "Verzinkung", ausgebildet sind.
Wie schon oben erwähnt, kann der Aussenkörper auch als Stützkonstruktion in Form von im Abstand zueinander geordneten Tragerippen od. dgl. ausgebildet sein, wobei deren dem Kühlkörper zugewendete Flächen die oben genannten Formschlusselemente aufweisen. Damit können beim Aussenkörper Materialeinsparungen erzielt werden.
Gegenstand der Erfindung ist weiters ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung einer bzw. eines wie oben beschriebenen Kokille bzw. Kokillenaufsatzes od. dgl. Es ist dadurch gekennzeichnet, dass in den Giesshohlraum einer Giess- bzw. Sinterform, deren äussere Begrenzungswand gegebenenfalls zumindest teilweise durch einen aus Metall, insbesondere Metallguss, gefertigten Aussenkörper, mit zum Giesshohlraum hinweisenden Formschluss- bzw. Verankerungselementen, gebildet ist, jeweils im Abstand von Innenwand und Aussenwand der Giess- bzw. Sinterform ein im wesentlichen spiralig und/oder mäanderförmig verlaufendes, in mit seiner Gesamtform bzw.
Aussenkontur im wesentlichen der Gestalt des Formhohlraumes entsprechender Form ausgebildetes, einen Kühlmediumsführungshohlraum ummantelndes, gegebenenfalls mit einer Beschichtung oder einem Metallüberzug versehenes Rohr aus Metall oder Metallegierung angeordnet wird, wonach, gegebenenfalls unter Rütteln od. dgl., Metallschmelze und/oder Metallpulver unter allseitiger Umschliessung des Kühlmediumsführungsrohres in den Formhohlraum eingebracht wird und dort unter Bildung eines Kokillen-Kühlkörpers erstarren gelasen wird bzw. einem Sintern, gegebenenfalls mit Warmpressen, Heissverdichten od. dgl., unterworfen wird. Das zu umgiessende Rohr kann
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im Falle von Rohren aus Cu oder Cu-Legierungen, versehen sein. Damit lässt sich die Ausbildung von den Wärmeübergang verhindernden Oxyden od. dgl. verhindern.
Das Verfahren zeichnet sich
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durch Einfachheit seiner Durchführung und besondere Kühlwirksamkeit der fertigen Kokille aus. Im Falle der Herstellung von Kühlkörpern aus Sintermetall ist auf besonders sorgfältige Kompaktierung des Metallpulvers zu achten, die günstig durch das genannte Warmpressen bzw.
Heissverdichten gefördert werden kann.
An Hand der Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen schemaartig Fig.1 einen Schnitt durch einen Teil einer gebräuchlichen Kokille, Fig. 2 einen solchen durch eine andere Kokille, Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch einen einschaligen Kokillenaufsatz gemäss der Erfindung, Fig. 4 einen derartigen mehrschaligen Aufsatz mit Kühlkörper und Aussenkörper und schliesslich gibt Fig. 5 ein Detail der Grenzfläche von Kühlkörper und Aussenkörper im Schnitt wieder.
Die in Fig. l schematisch gezeigte Kokille --2--, z. B. für ESU, weist einen z. B. aus Cu oder einer Cu-Legierung gebildeten Kühlkörper --20-- um den Giessraum --10-- auf, der in der gezeigten Ausführung von einem im Abstand angeordneten, im wesentlichen ebenfalls hohlzylindrischen Aussenkörper --21--, z.B. aus Stahl, umgeben ist, wobei der zwischen Kühl- und Aussen-
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und Betriebssicherheit der Prozesse nicht mehr gegeben sind.
Um derartige Formveränderungen zu verhindern, ist bei der in Fig. 2 gezeigten Kokille --2-- ein innerer, mindestens einen Kühlmediumsführungsraum --3-- mit Anschlüssen --32,
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ist durch Bohrungen im Kühlkörper --20-- im wesentlichen parallel zu den Erzeugenden von dessen Kühlfläche --200-- gebildet. Es ist daher nicht möglich, derartige Kokillen oder Aufsätze mit an mehr als zweidimensional gekrümmte Kühlflächen angepasst verlaufenden Kühlkanälen herzustellen.
Der in Fig. 3 im Schnitt gezeigte erfindungsgemässe Kokillenaufsatz --2-- weist eine einem Raum --10-- zur Aufnahme von Metall- bzw. Schlackenschmelze zugekehrte, dreidimensional gekrümmte Kühlfläche --200-- auf einem ein spiralförmiges, einen Kühlmediumsführungsraum --3-- ummantelndes Stahl- oder Kupferrohr --30-- umschliessenden Kühlkörper --20-- aus Kupferguss auf. Körper --20-- hat Kühlfunktion und ist gleichzeitig tragender Körper und als Gusskörper gegen Verzug gesichert. Die vom Rohr --30-- um den Mediumsführungsraum --3-- gebildete Spirale weist im wesentlichen eine Kontur A auf, die jener der Kühlfläche --200-- entspricht, und ist, im Abstand von dieser angeordnet, voll vom gegossenen Metall umschlossen. Über Zu- --31-- und Ablauf --32-- wird Kühlwasser geführt.
An seiner Aussenfläche --201-- weist der Kühlkörper--20--Trageöse (n)--28--auf.
Bei dem in Fig. 4 gezeigten Kokillenaufsatz --2--, der im wesentlichen gleiche Gestalt hat wie der in Fig. 3 gezeigte, ist ein ebenfalls spiralig verlaufendes, in der Kontur A der Spirale im wesentlichen der Gestalt der Kühlfläche --200-- entsprechend geformtes Rohr --30-aus Kupfer oder Kupferlegierung vorgesehen, welches den durch es bestimmten spiralig geformten Mediumsführungshohlraum --3-- umschliesst. Das Rohr selbst ist allseitig vom den Giessraum --10-umgebenden Kühlkörper --20-- aus Guss-Kupfer bzw. -Kupferlegierung umschlossen. An der Aussenflä- che --201-- des Körpers --20-- liegt ein tragender Aussenkörper --21--, z.B. aus Grau- oder
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spiralig gewundene Rohr --30-- im Kühlkörper --20-- aus Guss.
Fig. 5 zeigt im Detailschnitt, wie bei der in Fig. 4 gezeigten Kokille --2-- das den Mediumsführungshohlraum --3-- umschliessende Kupferrohr --30-- in der Kupfergussmasse des Kühlkörpers --20-- eingebettet ist. An seiner Aussenseite --201-- weist der Kupferkörper --20-- Vertiefun-
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gen --205-- und Vorsprünge --206-- auf, welche hintergreifend von entsprechenden Vorsprün- gen --215-- und Vertiefungen --216-- in Fläche --210-- des am Kühlkörper --20-- anliegen- den Aussenkörpers --21-- aus Stahl verbunden sind. Übrige Bezugszeichen entsprechen jenen der andern Zeichnungen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Kokille bzw. Kokillenaufsatz od. dgl. für gegebenenfalls kontinuierliches Giessen und/oder
Umschmelzen von Metallen und Legierungen, vorzugsweise Elektroschlacke-Blockkopfheizung und -umschmelzung mit einem gegebenenfalls mehrteiligen, z. B. gegossenen, Kühlkörper aus gut wärmeleitfähigem Metall, welcher mindestens einen einer mindestens einem Hohlraum für die
Aufnahme von Schmelze zugekehrten, gegebenenfalls mehrdimensional gekrümmten Kühlfläche entspre- chende Gesamtform bzw.
Aussenkontur aufweisenden, im wesentlichen spiral- und/oder mäanderförmig ausgebildeten Hohlraum mit Metallmantel zur Führung von gegebenenfalls unter Druck stehendem
Kühlmedium allseitig satt umschliesst, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (20) mit Guss- und/oder, vorzugsweise warmgepressten und/oder heissverdichtetem, Sintermetall gebildet ist.