AT395390B - Verfahren zum stranggiessen von insbesondere ne-metallen und kokillenaggregat zur durchfuehrung dieses verfahrens - Google Patents

Description

AT395 390 B

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stranggießen von insbesondere NE-Metallen mittels eines Kokillenaggregates, welches einen gekühlten, insbesondere wassergekühlten, äußeren Metallmantel und eine innere, den Strangquerschnitt formende, ein- oder mehrteilige Grafitkokille aufweist, wobei in die Grafitkokille ein Schutzgas, z. B. Stickstoff, eingeleitet wird. Die Erfindung betrifft weiters ein Kokillenaggregat zur Durchführung 5 dieses Verfahrens.

Kokillenaggregate bestehen aus einem äußeren, gekühlten Metallmantel und einer inneren, den Strangquerschnitt formenden Grafitkokille. Dabei kommen je nach dem Strangformatein- oder mehrteilige GrafitkokillenzumEinsatz. Derartige Kokillenaggregate, welche allgemein bekannt sind, sind im „Handbuch des Stranggießens” von Dr. E. Herrmann, 1980, Seiten 102 bis 107 beschrieben. Sie werden vor allem zum Gießen von Nichteisen-Metallen (NE-10 Metallen) und von Gußeisen verwendet. Als Werkstoff für die Kokillen wird ausschließlichElektrografit verwendet, welcher sich durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit, eine geringe Benetzbarkeit durch flüssige Metalle, gute Gleiteigenschaften und eine hohe Selbstschmierfähigkeit auszeichnet

Die Grafitkokille kann als zylindrischer Formkörper in ein äußeres, z. B. aus Kupfer bestehendes Mantelrohr eingepreßt sein. Ebenso kann das Mantelrohr auf die Grafitkokille aufgeschrumpft sein. Die Grafitkokille kann aber 1S auch aus einzelnen Platten bestehen, welche einen Hohlraum mit einem rechteckigen, z. B. quadratischen Querschnitt umschließen. Unabhängig von der jeweiligen Ausführungsform sind für ein qualitativ hochwertiges Endprodukt und eine hohe Produktionsleistung die Ausbildung des Kühlsystems und dessen Verbindung mit der Grafitkokille von besonderer Bedeutung. Für einen einwandfreien Wärmetransport zwischen der Grafitkokille und dem Kühlmedium ist daher eine formschlüssige Verbindung zwischen der Grafitkokille und dem Kühlmantel unbedingt erforderlich. 20 ImBetriebhatsichjedochgezeigt,daßauchbeioptimalerVerbindungderGrafitkokillemitdemKühlmantelnach relativ kurzer Gießzeit ein Abfall des Wärmetransportes aus der Grafitkokille verursacht wird. Dies giltinsbesondere bei jenen Kupferlegierungen, die niedrig schmelzende und verdampfende Legierungselemente als Beimengungen aufweisen. Hierzu gehört z. B. Zink, das in Kupferlegierungen, wie Messing, Neusilber und ähnlichen Legierungen, enthalten ist. Der Grund hierfür liegt darin, daß die bei den Gießtemperaturen verdampfenden Legierungselemente 25 in die Wandung der Grafitkokille bzw. durch diese Wandung hindurch diffundieren und in dieser bzw. am angrenzenden metallischen Kühlmantel sublimieren, also vom gasförmigen bzw. dampfförmigen Zustand unmittelbar in den festen Zustand übergehen. Diese Diffusionen führen mit zunehmender Gießdauer zu einer wachsenden Verschlechterung des Wärmeflusses und vor allem zu örtlich sehr unterschiedlichen Wärmeflüssen, wodurch in verstärktem Maße Gußfehler auftreten. Diese unterschiedlichen Wärmeflüsse stellen zudem auch eine Gefahr für die 30 formschlüssige Verbindung der Grafitkokille mit dem Kühlmantel dar, weswegen mechanische Verformungen der

Grafitkokille, vor allem bei Plattenelementen, nicht ausgeschlossen werden können.

Die vorstehend dargelegten Schwierigkeiten sind bekannt und wurden zu vermeiden versucht. So ist es aus der DE-PS 26 57 207 bekannt, in den sich zwischen der Grafitkokille und dem erstarrenden Strang ausbildenden Schrumpfspalt ein Schutzgas, insbesondere Stickstoff, einzuleiten. Durch diese Maßnahme kann jedoch im 35 EntstehungsbereichderZinkverdampfung,d.h.imLiquidus-Solidusbereich,diestörendeDiffusionderdampfförmigen

Ausscheidungen in die bzw. durch die Wandung der Grafitkokille hindurch nicht verhindert werden. ' Aus der DE-OS 37 18 372 ist es weiters bekannt, die Graftikokille mindestens zweischichtig auszubilden und zwischen den Schichten eine Metallfolieais Diffusionssperre anzuordnen. Diese Maßnahme istzwar wirkungsvoller, jedoch verhindert sie nicht eine Diffusion in jenen Bereich der Grafitkokille, welcher mit dem Gießprodukt 40 unmittelbar in Berührung steht.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, welches es gestattet, auch solche Legierungen, welche niedrig schmelzende Beimengungen enthalten, in optimaler Qualität und mit hoher Leistung zu gießen, ohne daß die vorstehend angegebenen Schwierigkeiten auftreten können. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, daß die Grafitkokille für den Gießvorgang von außen her zumindest über einen Teil ihrer Länge mit 45 einem Schutzgas beaufschlagt wird, welches diese nach innen durchsetzt, wodurch quer zur Gießrichtung eine Diffusionssperre gebildet wird.

Vorzugsweise setzt die Beaufschlagung der Grafitkokille mit Schutzgas vor dem Beginn des Gießvorganges ein und wird während dieses aufrechterhalten. Insbesondere wird die Grafitkokille während des Gießvorganges mit dem Schutzgas beaufschlagt, welches durch diese hindurch, wie an sich bekannt, auch in den Schrumpfspalt gelangt. 50 Sofeme dabei Helium als Schutzgas verwendet wird, wird aufgrund dessen fünffacher Wärmeleitfähigkeit gegenüber Stickstoff eine zusätzliche Steigerung der Kühlintensität erzielt, wodurch eine Produktionserhöhung ermöglicht wird.

Durch die Diffusions- bzw. Sauerstoffsperre wird auch das Gießen von sauerstoffhaltigem Kupfer mit über 150ppm Sauerstoffgehaltermöglicht, ohnedaßeine Reaktion zwischen dem Sauerstoffund dem Kohlenstoff eintritt. 55 Ein erfindungsgemäßes Kokillenaggregat ist vorzugsweise an der Trennfläche zwischen dem Kühlmantel und der Grafitkokille in an sich bekannter Weise mitsich inLängsrichtungundbzw.odermit sich dazu quer erstreckenden Kanälen, Nuten od. dgl. ausgebildet, über welche der Grafitkokille ein Schutzgas zuführbar ist, welches durch diese

AT 395 390 B hindurch nach innen diffundieren kann. Insbesondere können dabei die Kanäle, Nuten od. dgl. in der Grafitkokille vorgesehen sein.

Dadurch, daß die Grafitkokille im Bereich der höchsten Temperaturen, d. h. vom flüssigen Metalleinlauf bis nach der Schrumpfspaltbildung, über ein Kanalsystem von einem Schutzgas durchflutet wird, wird eine Diffusionsspene S bewirkt,wodurch verhindert wird,daß niedrigschmelzende und verdampfendeLegierungselemente in dieGrafitkokille eindringen. Diese Diffusionsspene hat zur Folge, daß die beim Stranggießen frei werdenden Metalldämpfe im Bereich des Kontaktes der Schale des Stranges und der Kokille auf einem Temperaturniveau gehalten werden, das eine Sublimation der Legierungselemente verhindert. Die Metalldämpfe werden vielmehr unter Mithilfe des Schutzgases und der Strangabzugsbewegung in den Schrumpfspalt gefördert, in welchem sie abkühlen und sich nach 10 dem Erreichen der Sublimationstemperatur am Gußstrang als Niederschlag äbsetzen. Hierdurch nehmen sie auf die

Grafitkokille keinen störenden Einfluß.

Die Diffusionssperre verhindertnichtnurdasEindringen dampfförmiger Legierungselemente in dieGrafitkokille, sondern sie verhindert auch den Zutritt von Sauerstoff zur Grafitkokille, wodurch keine Reaktion zwischen dem Sauerstoff und dem Kohlenstoff und damitkeine Grafitoxydation eintreten kann. Damitwird nichtnur ein konstanter 15 Wärmefluß für eine qualitativ hochwertige Produktion erzielt, sondern es wird gleichzeitig auch durch Verhinderung einer Grafitoxydation die Standzeit der Grafitkoküle wesentlich verlängert Die gleichzeitig entstehende Sauerstoffsperrebewirkt außerdem, daß die MetaUdämpfekeiner Oxydation unterliegen und auch dieerste Strangschalenbildung, welche im direkten Kontakt mit der Grafitkokille steht ohne Oxydation erfolgt

Die erfindungsgemäß bewirkte Diffusionssperre ist dann optimal wirksam, wenn die Längskanäle für die 20 Schutzgaszuführung nicht nur den flüssigen und schalenbildenden Bereich, sondern auch einen Teil des Schrumpfspaltes überdecken, damit in diesen ausreichend Schutzgas einströmt wodurch bei der weiteren Abkühlung des Gußstranges eine mögliche Oxydation unterbunden wird. Die Gasdurchlässigkeit der Grafitkokille, bezogen auf Stickstoff, wird von den Grafitherstellem in Milli Darcy angegeben. Sofeme die Sauerstoffsperre bis zum Unterschreiten der Oxydationstemperatur des Gießwerkstoffes aufrecht bleibt kann ein Gießprodukt mit optimaler Oberflächengüte 25 hergestellt werden, wodurch bei einer Mehrzahl von NE-Metallen eine sofortige Weiterverformung ohne die bisher notwendige spanabhebende Oberflächenbearbeitung ermöglicht ist

Anstelle von Stickstoff kann als Schutzgas auch ein Edelgas, wie Helium, verwendet werden. Helium weist zwar einerseits eine um etwa 10 % höhere dynamische Viskosität gegenüber Stickstoff auf, wodurch bei gleichen Druckverhältnissen die Durchflußmenge durch die Grafitkokille je Zeiteinheit um etwa 10 % abnimmt. Es hat jedoch 30 andererseits die fünffache Wärmeleitfähigkeit, wodurch in der Grafitkokille ein veibesserter Wärmefluß bewirkt wird, was für den Wärmefluß im Schrumpfspalt von großer Bedeutung ist. Der erhöhte Wärmefluß bewirkt eine verstärkte Kühlleistung und damit eine erhöhte Produktion in der Zeiteinheit.

Das erfindungsgemäße Verfahren und ein erfindungsgemäßes Kokillenaggregat sind nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt ein Kokillenaggregat im Längsschnitt 35 Das Kokillenaggregat weist eine Grafitkokille (1) auf, welche bei Rundformaten einteilig ist Rechteckige

Formate sind vorzugsweise mehrteilig als sogenanntePlattenelemente ausgeführt. DieGrafitkokille(l) ist von einem insbesondere durch Wasser gekühlten Metallmantel (2) formschlüssig umgeben. Beide Teile bilden das Kokillenaggregat, welches mit einer Kokillenanbau- und Ofenverschließeinheit (3) mittels Schrauben (4) verbunden ist 40 Oie Kokillenanbau- und Ofenverschließeinheit (3) besteht aus einer Profilstahlkonstruktion, welche nach dem

Anbau des Kokillenaggregates (1) und (2) sowie nach dem Einsetzen einer Rückkühlblende (5) durch Feuerfestmaterial (6) ausgekleidet wird. DieRückkühlblende(5) verhinderteine unerwünschte Temperaturabsenkung des vor dem Kokilleneinlauf befindlichen flüssigen Metalles. Der Teü (6) ist durch Zwischenschalten einer Isoliermatte (7) mit einem weiteren Teil (8) aus Feuerfestmaterial des Metallaufnahmegefäßes mittels Schrauben metalldicht 45 zusammengefügt. Der Metallzulauf zum Kokillenaggregat (1) und (2) erfolgt über eine trompetenförmige Öffnung (9) im Metallaufnahmegefäß.

Der wassergekühlte Metallmantel (2) weist an der Kontaktstelle mit der Grafitkokille (1) einen Ringkanal (10) auf, an den über den Umfang verteilte Längskanäle (11) anschließen. Der Ringkanal (10) bzw. die Längskanäle (11) werden vor Beginn des Gießvorganges und während desselben über Kanäle (12) bis (15) mit einem Schutzgas, z. B. 50 Stickstoff oder Helium, gespeist, welches mit einem dem System angepaßten Druck der Grafitkokille (1) zugeführt wird und diese durchsetzt. Das Kanalsystem kann auch in der Grafitkokille (1) vorgesehen sein.

Aufgrund der Gasdurchlässigkeit der Grafitkokille (1) dringt das Schutzgas einerseits bis zum flüssigen bzw. bereits teilweise erstarrten Metall vor, wodurch das Eindringen verdampfender Legierungselemente verhindert wird. Andererseits dringt das Gas in den Teil (6) aus Feuerfestmaterial sowie in den Schrumpfspalt (la) ein und verhindert 55 dort den Zutritt von Sauerstoff, wodurch eine Oxydation der Grafitkokille, der Metalldämpfe sowie der Oberfläche des Gußstranges (lb) verhindert wird. Weiters schützt das in den Schrumpfspalt (la) gelangende Schutzgas die Oberfläche des Gußstranges (lb) auch während ihrer weiteren Abkühlung vor einer möglichen Oxydation.

Claims (7)

1. AT395390B Zudem wird durch die Diffusions- bzw. Sauerstoffsperre das Gießen von Kupfer mit üb»-150 ppm Sauerstoffgehalt ermöglicht, ohne daß eine Reaktion zwischen dem Sauerstoff und dem Kohlenstoff eintritt. Weiters erfährt die Grenzflächentemperatur der Grafitkokille zum Gießwerkstoff durch die ständige Durchflutung von Schutzgas eine zusätzliche Absenkung, wodurch eine höhere Kühlleistung und damit eine höhere Produktion je Zeiteinheit ermöglicht werden. Bei Verwendung von Helium wird aufgrund von dessen fünffacher Wärmeleitfähigkeit gegenüber Stickstoff eine zusätzliche Steigerung der Kühlintensität und damit eine Produktionserhöhung ermöglicht Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere beim Gießen von Nichteisenmetallen (NE-Metallen) von großem Vorteil, da ein Eindringen von dampfförmigen Legierungsbestandteilen in die Grafitkokille verhindert wird. Die Tatsache, daß durch das Schutzgas Oxydationen da* Grafitkokille und der Oberfläche des Metallstranges verhindert werden, ist jedoch auch beim Gießen von solchen Metallen, welche keine leicht verdampfenden Legierungsbestandteile enthalten, wie z. B. Gußeisen, von Bedeutung. PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zum Stranggießen ναι insbesondere NE-Metallen mittels eines Kokillenaggregates, welches einen gekühlten, insbesondere wassergekühlten, äußeren Metallmantel und eine innere, den Strangquerschnitt formende, ein- oder mehrteilige Grafitkokille aufweist, wobei in die Grafitkokille ein Schutzgas, z. B. Stickstoff, eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Grafitkokille (1) für den Gießvorgang von außen her zumindest über einen Teil ihrer Länge mit dem Schutzgas beaufschlagt wird, welches diese nach innen durchsetzt, wodurch quer zur Gießrichtung eine Diffusionssperre gebildet ist.
2. 2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beaufschlagung der Grafitkokille (1) mit Schutzgas vor dem Beginn des Gießvorganges einsetzt und während dieses aufrechterhalten wird.
3. 3. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Grafitkokille (1) während des Gießvorganges mit dem Schutzgas beaufschlagt wird, welches durchdie Grafitkokille (1) hindurch, wie an sich bekannt, auch in den Schrumpfspalt (la) gelangt.
4. 4. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Helium als Schutzgas aufgrund der fünffachen Wärmeleitfähigkeit gegenüber Stickstoff eine zusätzliche Steigerung der Kühlintensität erzielt wird, wodurch eine Produktionserhöhung ermöglicht wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusions- bzw. Sauerstoffsperre auch das Gießen von sauerstoffhältigem Kupfer mit über 150 ppm Sauerstoffgehalt ermöglicht, ohne daß eine Reaktion zwischen dem Sauerstoff und dem Kohlenstoff eintritt.
6. 6. Kokillenaggregat mit einer von einem Kühlmantel umgebenen Grafitkokille zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es an der Tiennfläche zwischen dem Kühlmantel (2) und der Grafitkokille (1) in an sich bekannter Weise mit sich in Längsrichtung undbzw. oder mit sich dazuquer erstreckenden Kanälen (10,11),Nuten od.dgl.,ausgebildet ist, überwelchederGrafitkokille(l)ein Schutzgas zuführbar ist, welches durch diese hindurch nach innen diffundieren kann.
7. 7. Kokillenaggregat nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (10,11), Nuten od. dgl., in der Grafitkokille (1) vorgesehen sind. Hiezu 1 Blatt Zeichnung -4-