AT397477B - Verfahren und vorrichtung zum stranggiessen von metallen - Google Patents

Description

σ ΑΤ 397 477 Β

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stianggießen von Metallen, wobei das flüssige Metall senkrecht von unten nach oben in eine Stranggießkokille, die von einem nach oben wandernden elektromagnetischen Wechselfeld umflossen ist, zugeführt wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Ein Verfahren dieser Art ist in der JP-AS 48-5413 beschrieben. Bei diesem Verfahren findet jedoch kein 5 willentliches Einstellen eines Spaltes zwischen flüssigem Metall und Kokille statt.

Bei dem in der US-PS 3 735 799 beschrieben«! Verfahren zum Stranggießen handelt es sich um ein Verfahren zum Abwärts-Gießen. Ein wesentlicher Nachteil dieses Vorgehens ist die mangelnde Betriebssicherheit. So wird im Falle eines unerwarteten Stromausfalles geschmolzenes Metall aus der nach unten gießenden Vorrichtung herausspritzen, anstatt nur wie beim Aufwärts-Gießen in den Vorratsbehälter zurückzulaufen. 10 Außerdem erfordern die Möglichkeiten des Überlaufens der Schmelze oder eines Ausbruchs derselben beim Gießen in Abwärtsrichtung eine konstante, sorgfältige Steuerung sowohl der Schmelzbeschickungsgeschwindigkeit als auch der Geschwindigkeit, mit welcher der Block abgezogen wird. Darüberhinaus sind diese Geschwindigkeiten in drastischer Weise durch das Wärmeaustauschproblem beschränkt, welches das kommerzielle Potential dieser speziellen Art des Stranggießens vermindert Der Spalt der beim Stranggießen 15 nach der US-PS 3 735 799 auftritt, ist sehr weit und es wird außerdem Kühlmittel in diesen Spalt eingebracht

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, das eingangs genannte Verfahren dahingehend zu verbessern, daß einerseits Reibungskräfte oder ähnliche Kräfte minimiert werden, anderseits der Wärmeübergang nicht wesentlich behindert wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß das elektromagnetische Wechselfeld den metallostatischen Flüssigkeitsdruck der flüssigen Metallsäule vermindert daß in einem 20 ersten Bereich der Stranggießkokille die Außenfläche der flüssigen, sich verfestigenden Metallsäule und der diese umgebende Innenfläche der Stranggießkokille im direkten Kontakt gehalten werden, und daß in einem zweiten Bereich, der unmittelbar oberhalb des ersten Bereiches in der Stranggießkokille liegt durch die Einwirkung eines stationären elektromagnetischen Wechselfeldes ein minimaler Spalt zwischen der Außenfläche der sich verfestigenden Metallsäule und der diese umgebenden Innenfläche der Stranggießkokille 25 eingestellt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet die Herstellung von Kupfer- und anderen Metallstäben, die in der üblichen Weise zu Draht gewalzt, geglüht und gezogen werden können, wobei auf gewissen Produktionsgebieten eine wesentliche Kostensenkung erzielt wird. Beispielsweise ermöglicht die Erfindung die Herstellung von Schweißdrähten und anderen Produkten, bei welchen die Korngröße nicht von primärer 30 Bedeutung ist, direkt in der endgültig gewünschten Größe. Als weiterer wichtiger Vorteil ist die vorliegende Erfindung ganz allgemein keinen Beschränkungen in der Zusammensetzung unterworfen, und sie ist auf die Fabrikation von Kupferstäben sowohl aus Kupfer mit hohem als auch mit niedrigem Sauerstoffgehalt anwendbar, und auch auf die Herstellung von Stäben und anderen Formen größerer Längserstreckung aus anderen Metallen und Legierungen, wobei Aluminium, Legierungen auf Aluminiumbasis, Legierungen auf 35 Kupferbasis, Stahl u. dgl. eingeschlossen sind, obwohl die Erfindung nicht auf diese Metalle beschränkt ist

Bei dem erfindungsgemäßen Aufwärts-Stranggießverfahren erfolgt eine Bewegung der flüssigen Metallsäule in und durch eine Formungszone, in welcher sie, während sie einem elektromagnetischen Feld ausgesetzt wird, das die zum Abziehen des erhaltenen Produktes aus der Formungszone erforderliche Kraft verringert, fortschreitend abgekühlt und verfestigt wird. Dieser Effekt des elektromagnetischen Feldes wird 40 durch die Gewichtsverminderung und das Einschließen der geschmolzenen Metallsäule über den größten Teil ihrer Länge, insbesondere den Teil, wo die Verfestigung erfolgt, verursacht Die Gewichtsverminderung bzw. Levitation wird mittels elektromagnetischer Wanderwellen bewerkstelligt die so angewandt werden, daß der überwiegende Teil der Länge der Säule während des Gießverfahrens im wesentlichen gewichtslos gehalten wird. Zum Einschließen ist das elektromagnetische Feld stationär, wird jedoch gleichfalls kontinuierlich 45 angelegt wobei es die flüssige Metallsäule über den größten Teil ihrer Länge frei von einem Kontakt mit der Stranggießkokille hält Demzufolge erfüllen die elektromagnetischen Feldmittel sowohl eine Hebefunktion als auch die Halte- oder Formfunktion.

Es ist ersichtlich, daß mit diesem Vorgehen wichtige Vorteile verbunden sind und daß die elektromagnetische Gewichtsverminderung hohe Produktionsgeschwindigkeiten zuläßt, weil die Metallsäule im 50 wesentlichen gewichtslos ist Es ist daher nicht erforderlich, den frisch verfestigten Teil des Metallproduktes zur Entwicklung einer ausreichenden Festigkeit zu kühlen, um das darunter befindliche Metallgewicht zu halten und auch um den Zugkräften zu widerstehen, die bei der Überwindung der Reibung beim Abziehen des Produktes aus der Formungszone auftreten. Anders ausgedrückt ist die zum Abziehen des verfestigten Metallproduktes aus der Stranggießkokille erforderliche Arbeitsleistung beim erfindungsgemäßen Verfahren 55 beträchtlich verringert, weil die Arbeitsleistung eine Funktion der Stranggießkokillen-Gießling-Reibung ist und diese Reibung proportional der Druckkraft an der Grenzfläche ist

Bei der praktischen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Druckkraft wegen des gewichtslosen Zustandes der geschmolzenen Metallsäule und dem dadurch drucklosen Kontakt der Säule mit der Stranggießkokille verschwindend klein. Ein Hauptvorteil des elektromagnetischen Einschließens wird 60 hiedurch ohne Beeinträchtigung der Wärmeaustauschwirksamkeit der Stranggießkokille erzielt, da bei der bevorzugten praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung keine Notwendigkeit für einen mehr als minimalen Spalt zwischen der Stranggießkokille und der geschmolzenen Metallsäule über den größeren Teil -2-

AT397477B der Länge der letzteren besteht

Die Kombination von elektromagnetischer Gewichtsverminderung und Entschließen bietet auch eine Möglichkeit für größere Produktionsgeschwindigkeiten. Demzufolge wird in jedem Fall die zur Entfernung des frisch verfestigten Produktes und des Vorwärtsrückens der geschmolzenen Metallsäule durch die Verfestigungszone benötigte Kraft durch Eliminierung der Reibungs- und Adhäsionskräfte wesentlich vermindert Weiters wird in jedem Fall ein guter Wärmeübergang erzielt weil die Breite des Spaltes zwischen der geschmolzenen Metallsäule und der umgebenden Stranggießkokille so gering wie möglich ist

Ein weiterer Vorteil des kombinierten Verfahrens besteht darin, daß die Gewichtsverminderung leicht bewerkstelligt und unter enger Steuerung über einen weiten Bereich der zugeführten Leistung aufrechterhalten werden kann. So wurde überraschenderweise festgestellt, daß dieses Verfahren eine bemerkenswerte selbstregulierende Eigenschaft aufweist weil die einschließenden Kräfte und die gewichtsvermindemden Kräfte hinsichtlich ihrer Wiikungen in Wechselbeziehung stehen. Bei vorgegebenem Säulendurchmesser führt ein Anstieg der aufwärts gerichteten Laufgeschwindigkeit der Metallschmelzensäule zu einer Verringerung der Größe ihres Querschnittes und demzufolge zu einer Abnahme der auf die Säule wirkenden elektromagnetischen Hubkraft. Wenn sich die Aufwärts-Geschwindigkeit verringert und der Querschnitt der Säule demzufolge wieder ansteigt erhöht sich die Hubkraft so daß das System, auch wenn es eine leichte Schwankungstendenz aufweisen kann, niemals weit vom Gleichgewicht entfernt und das Produkt in der Größe seines Querschnittes und der Form im wesentlichen gleichmäßig ist

Das erfindungsgemäße Verfahren ist in weitem Umfang auf Metall, Metallmischungen, Metall-Legierungen und auf alle elektrisch leitenden schmelzbaren Materialien anwendbar, die durch Wärmeentzug verfestigt werden können. Ein anderer eng verwandter, unerwarteter Befund ist daß in dem Zustand, in dem der Flüssigkeitsdruck im wesentlichen Null ist in der flüssigen Metallsäule weiters ein ausreichender Wirbelstrom induziert wird, der ein Durchrühren der Flüssigkeit der Säule zur Folge hat auch wenn die Verfestigung mit dem Durchlauf der Säule durch die Levitationszone rasch voranschreitet, so daß hochhomogenes Gießprodukt offensichtlich sogar mit denjenigen Metallmischungen erzielt wird, die eine ausgeprägte selektive Neigung zur entmischten Verfestigung aufweisen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird zu Beginn des Gießens ein Metallstab mit der geschmolzenen, sich durch das Feld nach oben bewegenden Metallsäule verbunden.

Bei der praktischen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Länge des elektromagnetischen Feldes zweckmäßig größer, vorzugsweise beträchtlich größer als der Durchmesser des Feldes, und die Länge der Säule ist bei der besten Arbeitsweise größer als ihr Durchmesser.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt eine längliche, rohrförmige, in aufrechter Stellung angeordnete StranggießkokiUe, eine Einrichtung zum Zufuhren von flüssigem Metall zum unteren Teil der Stranggießkokille, mit der Kokille zum Kühlen und Erstarren des flüssigen Metalls verbundene Wärmetauscher, eine Einrichtung zum Entfernen des erstarrten Metalls aus dem oberen Bereich der StranggießkokiUe und eine elektromagnetische Spule, die rings um die StranggießkokiUe entlang eines Teiles ihrer Länge angeordnet ist.

Die Spule weist vorteilhaft mehrere elektromagnetische Wicklungen zur Verbindung mit aufeinanderfolgenden Phasen einer mehrphasigen Stromquelle auf. Dies gestattet die Erzeugung eines aufwärts gerichteten Hubeffektes in einer flüssigen Metallsäule in der Stranggießkokille.

Unter "Hubeffekt" wird verstanden, daß eine kontinuierliche Säule aus flüssigem Metall in Kontakt mit dem unteren Ende des produktbildenden Stabes nach oben drängt. Auf diese Weise werden Poren und Lunker vermieden.

Im einzelnen umfaßt die Vorrichtung einen Tiegel zur Aufnahme eines mit dem unteren Ende der StranggießkokiUe kommunizierenden Bades von geschmolzenem Metall und eine mit dem Tiegel verbundene Einrichtung zum Errichten und Bewegen einer Säule von flüssigem Metall nach oben in die Stranggießkokille bis zu einem Niveau oberhalb des unteren Endes der Spule.

Die neuen Produkte des Verfahrens der vorliegenden Erfindung sind lange Metallkörper, die vollständig blasenfrei, von im wesentlichen gleichmäßigem Durchmesser und in jedem Fall von durch und durch konstanter Zusammensetzung sind, ln ihrem gegossenen Zustand haben diese Stangen, Stäbe u. dgl. glatte, leicht wellige Oberflächen, die der Tatsache zuzuschreiben sind, daß vor, während und gerade nach der Verfestigung das Metall, aus welchem sie hergestellt worden sind, elektromagnetisch außer Kontakt mit der seitlichen Tragkonstruktion gehalten wurde, und ebenso auch infolge der Tatsache, daß das flüssige Metall an der Verfestigungsfront durch induzierte Wirbelströme beständig durchgerührt wurde. Bei der bevorzugten Ausführungsform kann das Produkt geeigneterweise ein Stab mit einer Zusammensetzung sein, welche stark zu einer Phasentrennung tendiert, wobei die induzierten Wirbelströme einen hohen Grad an Homogenität bewirken.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde gefunden, daß die durchschnittliche Durchmesserdifferenz eines in Schwebe gehaltenen Stabes und eines Stabes, der mit dem Rohr physikalisch in Kontakt war, etwa 25 bis etwa 50 pm beträgt. Dies zusammen mit der einzigartigen Obeirflächengestalt beweist, daß die Verfestigung des Stab-Produktes außer Kontakt mit der Oberfläche der StranggießkokiUe erfolgte. -3-

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Weitere Merkmale der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Im einzelnen zeigen: Fig. 1 eine teilweise geschnittene Vorderansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zusammen mit einer Warmwalz-Vorrichtung; Fig. 2 eine schematische Vorderansicht der Gießanordnung der in Fig. 1 gezeigten Vomchtung; Fig. 3 eine vergrößerte halbschematische 5 Ansicht der Stranggießkokille von Fig. 2 im Querschnitt, welche die bevorzugte praktische Ausführungsform unter Einbeziehung des Gewichtsverminderungsverfahrens darstellt; Fig. 4 eine Ansicht ähnlich der von Fig. 3 einer Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, welche die praktische Ausführungsform unter Einbeziehung der kombinierten Wirkungen des Haltens der flüssigen Metallsäule und ihrer Gewichtsverminderung veranschaulicht; Fig. 5 einen Verdrahtungsplan einer Gewichtsverminderungsspule, wie er bei der Vorrichtung 10 der Fig. 1 bis 4 verwendet werden kann; Fig. 6 eine Ansicht ähnlich jener der Fig. 3 und 4 einer weiteren Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, welche die Wirkung des Einschließens der flüssigen Metallsäule bei der praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; Fig. 7 eine Photographie eines gemäß der bevorzugten praktischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellten Kupferstabes; und Fig. 8 eine Großaufnahme des unteren Endes des Kupferstabes von Hg. 7, welche die nachstehend 15 diskutierten Oberflächeneigenschaften zeigt

Wie in Fig. 1 gezeigt wird das zu gießende geschmolzene Metall in einem kippbaren Warmhalteofen (nicht gezeigt) gehalten, aus welchem in einen Gießtiegel (10) nach Bedarf zugeführt wird, um den gewünschten Spiegel an flüssigem Metall innerhalb der Stranggießkokille (11) aufrechtzuerhalten. Die Stranggießkokille ist auf dem Tiegel (10) montiert und erstreckt sich von diesem vertikal nach oben bis zu einem offenen oberen 20 Ende, durch welches das frisch gegossene Stab-Produkt (12) in die Kühlkamm»' (13) ausgetragen wird, von welcher es zu Tandem-Warmwalz-Stationen (14) und (15) überfuhrt, anschließend gekühlt und in der Aufspulstation (16) aufgespult wird. Wahlweise kann der Stab (17A) direkt zu der letztlich für den Gebrauch gewünschten Größe gegossen werden. Die Metallschmelze wird aus dem Tiegel (10) als flüssige Metallsäule in die Stranggießkokille (11) durch Zuführung mit Gefälle aus dem Warmhalteofen verdrängt, der gefüllt zur 25 Aufgabe des geschmolzenen Metalls in den Tiegel (10) in Intervallen oder kontinuierlich gekippt wird, wie es während des Stranggießverfahrens erforderlich ist. Bei der bevorzugten praktischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die flüssige Metallsäule (20) (Fig. 2) am Anfang auf diese Weise aufgebaut und anschließend auf einem Spiegel oberhalb desjenigen Spiegels gehalten, bei welchem die Gewichtsverminderung durch die elektromagnetischen Wanderwellen wirksam wird, welche den hydrostatischen Flüssigkeitsdruck 30 der Säule verringern bzw. sogar eliminieren. Mit anderen Worten wird das obere Ende der Säule (20) am Anfang in den unteren Teil der Stranggießkokille (11) gebracht, wo zumindest der obere Teil der Säule (20) im wesentlichen schwerelos wird, wenn die Levitationsspulen der Stranggießkokille mit der elektrischen Stromquelle verbunden werden.

Die Stranggießkokille (11) weist ein offenendiges Gewichtsverminderungs- bzw. Levitationsrohr (25) auf, 35 das aus einem feuerfesten Material sein kann, an dem Tiegel (10) befestigt ist und zur Aufnahme des flüssigen Metalls, zur Verfestigung und gegebenenfalls zum Austragen des gegossenen Produktes an seinem oberen Ende in die Kühlkammer (13) dient

Beispielsweise zwölf Wicklungen, schematisch mit der Bezugsziffer (28) bezeichnet, sind in vertikal unterteiltem Verhältnis rings um das Rohr (25) als Windungen im wesentlichen senkrecht zur Rohrachse 40 angeordnet und in Gruppen zu 3 mit aufeinanderfolgenden Phasen der mehrphasigen elektrischen Stromquelle von Fig. 5 verbunden, um ein elektromagnetisches Feld zu schaffen, welches in dem flüssigen Metall im Rohr (25) Wirbelströme induziert, was zu einer nach oben gerichteten Hubwirkung auf das zu gießende Metall führt. Dieser sechsphasige Levitator bildet daher eine fortschreitende Wanderwelle aus, die sich mit einer Geschwindigkeit proportional dem Abstand zwischen den aufeinanderfolgenden geschlossenen Hußschleifen 45 und der Anregungsfrequenz bewegt. Die Wicklungen (28) sind vertikal entlang des Rohres (25) angeordnet, so daß das Gewicht des flüssigen Metalles und des verfestigten Metallproduktes in allen Abschnitten außer dem untersten Abschnitt des Rohres (25) die ganze Zeit während des Gießvorganges bis zu dem gewünschten Ausmaß, vorzugsweise im wesentlichen bis zur Schwerelosigkeit, vermindert werden kann.

Ein Versuchsmodell der erfindungsgemäßen Vorrichtung, das zum Herstellen von stranggegossenen 50 Kupfer-, Aluminium- und Bronzestäben zur Darlegung der Durchführbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Betriebsfähigkeit der Vorrichtung verwendet wurde, hatte einen Levitationsabschnitt mit 36 Windungen Kupferrohr, die in einem Abstand von sechs Wicklungen auf 2,54 cm (1 Zoll) gewunden waren, was einen Levitationsabschnitt γοη insgesamt etwa 15,24 cm (6 Zoll) ergab. Die 12 Phasen waren jeweils um 60° in der Phase zu ihrer Nachbarphase versetzt und der Levitationsabschnitt war somit zwei Wellenlängen 55 lang. Der Durchmesser der gewichtsverminderten Metallsäule betrug 22 mm und die Säule wurde ohne Beschleunigung (d. h. das Gewichtsverminderungsverhältnis betrug im wesentlichen 1,0) bei ein» Frequenz in der Nähe von 1200 Hertz gehalten, während die gesamte Gleichstromzufuhr zu dem Gleichstrom-Wechselstrom-Umformer als Stromquelle für den Levitator im Bereich von annähernd 7 bis 10 kW lag. Es wurde der in Fig. 4 erläuterte Wärmetauscher verwendet. 60 Obwohl Wärmetauscher mit einer Vielzahl von Ausführungen und Konstruktionen zusammen mit der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können, ist der für diesen Zweck am besten geeignete und demzufolge in dieser Kombination bevorzugte Wärmetauscher jener, der in den Zeichnungen mit -4-

AT 397 477 B der Bezugsziffer (30) bezeichnet ist. Dieser ist eine Konstruktion aus verarbeitetem Walzblech mit oberen und unteren ringförmigen Räumen (31) und (32) und einem zylindrischen Abschnitt (33), der um das Rohr (25) herum in Kontakt mit dessen ringförmiger äußerer Oberfläche an dieses angepaßt ist. Flüssiges Kühlmittel, geeigneterweise Leitungswasser, wird kontinuierlich von einer Quelle (nicht gezeigt) in den oberen Raum (31) eingespeist, strömt während des Stranggießens durch den Abschnitt (33) und wird durch den unteren Raum (32) und von dort in den Kanal abgeleitet, wobei es die durch das Rohr (25) aus dem darin befindlichen flüssigen Metall und dem frisch verfestigten Metallprodukt absorbierte Wärme mit sich führt Die Wicklungen (28) sind, wie Fig. 3 zeigt, außerhalb des zentralen Abschnittes des Wärmetauschers angeordnet und erstrecken sich im wesentlichen von dem einen Raum bis zu dem anderen in gleichmäßig unterteiltem Verhältnis und sind dichtstehend radial um den Wärmetauscher herum angeordnet. Ein geeignetes Konstruktionsmaterial für Wärmetauscher (30) ist rostfreier Stahl wegen der Korrosionsbeständigkeit und der Wärmetaustausch-wiiksamkeit derartiger Legierungen.

Bei der derzeit bevorzugten Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Tiegel (10) mit einer Metallschmelze, z. B. Kupfer, zum Stranggießen von Gegenständen großer Längserstreckung, beispielsweise von Stäben, beschickt Als Vorstufe wird das Metall geschmolzen und dem Tiegel (10) aus dem Warmhalteofen zugeführt, um eine flüssige Metallsäule (20) auszubilden, deren oberes Ende innerhalb des Rohres (25) der Stranggießkokille (11) liegt Ein Anfahrstab (40) wird durch das obere Ende des Rohres (25) eingeführt und sein unteres Ende wird in Kontakt mit dem Oberteil der flüssigen Metallsäule gebracht Durch Leitungswasser, das mit Höchstgeschwindigkeit durch den Wärmetauscher hindurchfließt, wird ein oberer Teil der flüssigen Säule in Kontakt mit dem Stab verfestigt Der Stab (40) und das angeschmolzene Stabende weiden dann nach oben aus dem Rohr (25) mit annähernd der Stabbildungsgeschwindigkeit abgezogen. Die flüssige Säule wird durch den Betrieb der Levitationsspulen zumindest über den größten Teil ihrer Länge im wesentlichen schweielos und so in im wesentlichen drucklosen Kontakt mit dem Rohr (25) gehalten, und der Betrieb wird auf einer kontinuierlichen Basis fortgesetzt, wodurch eine kontinuierliche Länge eines Metallstabes mit glatter, glänzender, leicht welliger Oberfläche und insgesamt vollständig blasenfreiem Charakter hergestellt wird. Dieser Stab wird durch die Kammer (13) geführt, wo ein Besprühen mit Wasser seine Temperatur bis zu dem Punkt herabsetzt, bei welchem er in dem richtigen Zustand für ein abschließendes Kühlen und Aufspulen, mit oder ohne dazwischenliegendem Warmwalzen, ist.

Wenn der Spiegel der flüssigen Metallsäule (20) sinkt, während das Verfahren weiterläuft, wird zusätzliche Schmelze durch Gefällezuführung in den Gießtiegel (10) eingefüllt, so daß das Gießverfahren ohne Unterbrechung fortgesetzt wird.

Dieses neue Verfahren der vorliegenden Erfindung hat sich durch die Verwendung der Vorrichtung in einer Anzahl von Versuchen, die eine Vielzahl von metallischen Materialien einbezogen haben, als erfolgreich erwiesen. Insbesondere wurden Aluminium, Kupfer und eine Bronzelegierung in Stabform gegossen, wobei die Verfahren im wesentlichen so durchgeführt wurden, wie das unmittelbar zuvor im einzelnen beschrieben wurde. In jedem Fall hatte das Stab-Produkt einheitlich etwa 22 mm Durchmesser, war vollständig blasenfrei und von durchwegs gleichmäßiger Zusammensetzung und hatte eine glatte, glänzende und etwas wellige Oberfläche. Die dem Levitator zugeführte elektrische Leistung wurde gemäß den Unterschieden zwischen den Gießling-Materialien variiert, um annähernd die Stärke der Gewichtsverminderung an das Gewicht des Materials anzupassen, d. h. einen Beschleunigungslevitationszustand von im wesentlichen Null einzurichten und aufrechtzueriialten. Im Gegensatz zu den Erwartungen ist eine genaue Steuerung der elektromagnetischen Feldstärke zur Aufrechterhaltung dieses Gleichgewichts von Levitationsstärke und Gewicht nicht notwendig.

Bei der Gewichtsverminderung wird die flüssige Metallsäule nach oben beschleunigt, wenn die Levitationskraft größer als das Gewicht ist, und dies führt zu einer Verringerung der Hubkraft als Folge der Herabsetzung des Querschnittes der Säule, während das Gegenteil der Fall ist, wenn die Hubkraft kleiner als das Gewicht ist. Die Gewichtsverminderung erfolgt auf einem großen Teil der Länge der flüssigen Metallsäule und des verfestigten Stab-Produktes innerhalb des Rohres, während die Teile der Säule in den äußersten Enden des Rohres, wo die Levitationskräfte durchschnittlich nur etwa die Hälfte der vorstehenden betragen, äbgestützt bzw. durch das Druckgefälle und die Hubkraft, die durch den Anfahrstäb (40) ausgeübt wird, veranlaßt werden, die flüssige Säule auf die Anfangshöhe anzuheben. Demgemäß wird, wenn die flüssige Säule errichtet ist, eine kleine nach oben gerichtete Beschleunigung durch die Levitationskräfte des Bereiches des unteren Endes geschaffen, und wenn sich die flüssige Metallsäule langsam nach oben bis zu einem Punkt etwa gleich dem Radius der Levitationswicklungen bewegt, tritt sie in Felder ein, die stark genug sind, die Säule in einen im wesentlichen schwerelosen Zustand überzuführen und diesen aufrechtzuerhalten, so daß ihr Kontakt mit dem Rohr im wesentlichen drucklos ist. Durch Erhöhen des Druckgefälles ist es daher möglich, die aufwärts gerichtete Fließgeschwindigkeit zu erhöhen, und gewöhnlich kann das anfängliche Druckgefälle zur Regulierung der Geschwindigkeit einer derartigen Strömung verwendet werden, wobei die Levitationsspulen dann dazu dienen, eine derartige anfängliche Strömung auf einem relativ konstanten Wert über die obere Länge der flüssigen Säule zu halten.

Zur Begrenzung der Größe der Gießeinrichtung und insbesondere der Levitator-Anordnung und auch zur Verringerung der Größe der zum Halten der flüssigen Säule in der Verfestigungsstufe erforderlichen zugeführten Leistung auf ein Minimum ist eine maximale Wärmeaustausch-Wirksamkeit erwünscht, und zu -5-

AT 397 477 B diesem Zweck schafft der oben beschriebene Wärmetauscher wirkungsvoll einen Zustand, der angenähert einem Abschrecken mit Wasser durch wirksames Umhüllen der aufsteigenden flüssigen Metallsäule mit einem rasch fließenden, turbulenten Strom (mit jedoch ziemlich kleinem ringförmigen Querschnitt) eines flüssigen Kühlmittels entspricht Der Wärmeaustausch zwischen der Metallsäule (20) und dem umgebenden Graphitrohr (25), welches an der zylindrischen Oberfläche die Innenwandung der Wärmetauscher-Anordnung aus rostfreiem Stahl trägt, schafft einen hochwirksamen Wärmeübergang. In der erläuterten Version dieses Wärmetauschers wird dieser Wärmeübergang weit»- durch kurze, innen angebrachte ringförmige Rippen (43) gesteigert, die als Barriere für eine laminare Strömung dienen und Turbulenzen der Kühlflüssigkeit verursachen, die von dem oberen Ringraum (31) durch den Wärmetauscher zu dem unteren Ringraum (32) strömt.

Obwohl die Theorie im Prinzip keine Beschränkung für die Querschnittsgröße der Produkte vorschreibt die durch das erfindungsgemäße Verfahren gegossen werden, wird aus überwiegend praktischen Erwägungen heraus der Bereich für den Durchmesser des gegossenen Stabes auf zwischen etwa 5 mm und 50 mm festgelegt wobei erfmdungsgemäß im Falle eines Kupferstabes ein Durchmesser von 8 bis 30 mm bevorzugt wird. Warmwalzen führt dann zu dem gewünschten Stabdurchmesser und einer für das Ziehen von Draht erforderlichen feinen Komstruktur. Auf jeden Fall werden der Innendurchmesser des Rohres (25) und die Verfahrensparameter so gewählt daß gemäß der Erfindung ein minimaler ringförmiger Spalt zwischen dem flüssigen Metall der Säule (20) und dem Rohr (25) vorhanden ist Dies trifft bis unterhalb des Punktes zu, wo die Verfestigung des flüssigen Metalls zu einer Schrumpfung des Querschnittsbereiches der Säule führt obwohl eine derartige Schrumpfung ziemlich gering ist Der mit der Bezugsziffer (45) in den Fig. 2 und 3 bezeichnete Spalt ist lediglich schematisch eingezeichnet und es ist nicht beabsichtigt daß er die Lage oder die Dimensionen des ringförmigen Spaltes genau wiedergibt

Zum Testen der Fähigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Herstellung von im wesentlichen homogenen Gießlingen aus einer Legierung mit ein»- Tendenz zur selektiven Entmischung und Verfestigung in verschiedenen Komponenten würde eine Aluminium-Bronze-Legierung geschmolzen und zu drei verschiedenen Zeiten unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung im wesentlichen wie oben beschrieben gegossen, mit den Ausnahmen, daß (1) der Wärmetauscher ein einfaches Kupferrohr war, das um das Rohr (25) herumgewickelt und in Wärmeaustausch-Kontakt damit war (wie dies in Fig. 4 gezeigt ist), und daß (2) eine flüssige Metallsäule (20) errichtet und durch Verdrängung der Schmelze aus dem Tiegel (10) mittels Einwirkung eines Kolbens anstelle einer Gefällezuführung aus dem Warmhalteofen aufrechterhalten wurde. Die Ergebnisse der Analysen der zur Herstellung der Metallschmelze und der drei Stab-Produkte verwendeten Legierung sind in der Tabelle angegeben, aus der ersichtlich ist, daß innerhalb der Genauigkeit der Probenentnahme und der angewandten analytischen Techniken die Vollständigkeit der Legierungszubereitung voll aufrechteriialten wurde.

Tabelle

Element Ausgangsmaterial Vers. 1 Vers. 2 Vers. 3 Ffe 2,64 % 2,69 % 2,65 % 2,71 % Sn 0,01 % 0,03 % 0,01 % 0,02 % Zn 0,01 % 0,03 % 0,02 % 0,02 % Al 1035 % 10,12 % 10,02 % 10,05 % ' Mn 0,49 % 0,76 % 0,68 % 0,72 % Si 0,028 % 0,049 % 0,039 % 0,046 % Ni 5,00 % 4,99 % 4,90 % 4,99 % Andere 0,03 % 0,03 % 0,03 % 0,03 % Cu Rest Rest Rest Rest

Die Vorrichtung nach Fig. 4 ist eine Variante, die ein Levitationsrohr (50) und eine Reihe von zwölf getrennten Kühlrohren aus Kupfer (52) enthält, die auf dem Rohr (50) aufgewickelt, entlang seiner Länge angeordnet und getrennt mit einer Quelle für Kühlflüssigkeit, beispielsweise Leitungswasser (nicht gezeigt), verbunden sind. Die Rohre (52) sind in Dreiergruppen mit den aufeinanderfolgenden Phasen einer mehrphasigen elektrischen Stromquelle, wie sie in Fig. 5 gezeigt wurde, zwecks Erzielung des weiter oben beschriebenen aufwärtsgerichteten Hubeffektes verbunden, um so zwei wesendichen Zwecken zu dienen. Ebenso wie in Fig. 3 sind die einzelnen Wicklungsgruppen mit den Buchstaben (A), (B), (C) bezeichnet, die sich auf die drei Phasen der Fig. 5 beziehen, welche den Schaltplan der Vorrichtung und die Stromquelle veranschaulicht. Daher nimmt diese Variante die Stelle des Rohres (25) des Wärmetauschers (30) und der zwölf Wicklungen (28) der -6-

Claims (10)

1. AT397477B Vorrichtung von Fig. 3 ein, arbeitet jedoch, wie gezeigt, so, daß sowohl Levitation als auch Festhalte- und Formfunktionen gewährleistet sind. Mit anderen Worten wird diese Vorrichtung in einer solchen Weise verwendet, daß die flüssige Metallsäule (55) ähnlich der Säule (20) schwerelos über den größten Teil ihrer Länge ist, daß sie jedoch ungleich der Säule (20) über die gleiche Länge außer Kontakt mit dem Rohr (50) 5 gehalten und von diesem durch einen ringförmigen Spalt (57) getrennt ist, der vorzugsweise eine kleine radiale Dimension auf weist. Es wird ein Schutzgas verwendet, das in nicht schädlicher Weise mit dem zu gießenden Metall reagiert, und in den Raum (57) in beliebiger gewünschter Weise zugeführt. Erfindungsgemäß wird zu diesem Zweck beim Gießen von Kupfer Stickstoff oder eine Mischung von Stickstoff, Wasserstoff und Kohlenmonoxid verwendet, 10 das durch Verbrennen von Naturgas hergestellt und anschließend aufgetrennt wird, wobei H2O und (X>2 aus den erhaltenen Gasen entfernt werden. ln gleicher Weise kann die Variante von Fig. 6 anstelle der entsprechenden Komponenten der Fig. 3 verwendet werden, wenn eine elektromagnetische Gewichtsverminderung bei dem aufwärts gerichteten Gießverfahren nicht erforderlich ist, jedoch ein elektromagnetisches Einschließen gewünscht bzw. für die 15 Herstellung eines stranggegossenen Metallgegenstandes gefordert wird. Demgemäß wird, wie Fig. 6 zeigt, eine Säule (60) aus flüssigem Metall außer Kontakt mit dem Rohr (61) zumindest in dem Teil der Säule gehalten, wo die Verfestigung der Säulenoberfläche eintritt. Gegenwärtig wird bei der bevorzugten praktischen Durchführung dieses Verfahrens der vorliegenden Erfindung der elektromagnetische Formeffekt gut bis unter die Erstarrungsgrenze der Säulenoberfläche ausgedehnt, wie dies bei dem in Fig. 4 erläuterten Betrieb der Fall 20 ist, wodurch ein ringförmiger Spalt (63) ausgebildet und anfrechteriialten wird. Ähnlich der Vorrichtung von Fig. 4 hat diejenige von Fig. 6 eine Reihe von Kupferrohr-Wicklungen (62), die jedoch mit einer einphasig«» elektrischen Stromquelle (64) verbunden sind, zusätzlich als Kühlmittel dienen und die in gutem Wärmeübergangskontakt mit dem Graphitrohr (61) sind, welches in Struktur und Funktion den Rohren (25) und (50) entspricht. Im Betrieb wird kontinuierlich Wasser mit einer maximalen 25 Strömungsgeschwindigkeit in die Wicklungen (62) aus einer (nicht gezeigt«!) Quelle eingeführt Das Wasser, welches die von dem heißen Metall innerhalb des Rohres (61) absorbierte Wärme enthält, wird entweder aus den Wicklungen (62) in ein Reservoir zum Abkühlen und zur Reziikulation oder in einen Abflußkanal geleitet Das stranggegossene Kupferstab-Produkt dieser Erfindung, das in den Fig. 7 und 8 gezeigt ist, wurde gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren durch die Verwendung der Vorrichtung von Fig. 3 hergestellt. Insbesondere 30 wurde das aufwärts gerichtete Gießverfahren durchgeführt, wie es unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 beschrieben wurde, wobei die elektromagnetische Levitationsafbeitsweise angewandt wurde, um die flüssige Kupfersäule schwerelos und in drucklosem Kontakt mit dem Rohr über den oberen Teil der Säule zu halten. Die leicht wellige, glatte, glänzende Oberfläche des Stab-Produktes wurde erzielt, weil die flüssige Kupfersäule daran gehindert wurde, einen Druck auf die seitliche Tragkonstruktion an dem Punkt auszuüben, wo die 35 Oberfläche der Säule sich verfestigte. Sie ist ebenso auch das Ergebnis der an dem sich verfestigend«! Kupfer durch das Levitationsfeld induzierten Wirbelströme. Dieses vollkommen blasenfreie Produkt ((8,9) durch tatsächliche Messung und Abschätzung) hatte durchwegs eine offensichtlich gleichmäßige Zusammensetzung. Der Stabdurchmesser betrug annähernd 16 mm, was der Innendurchmesser des Rohres (25) war, in welchem der Stab hergestellt wurde. Das glatte, glanzlose Band am unteren oder linken Ende des Stabes hatte einen um etwa 40 50 μη» (2 mils) größeren Durchmesser als die glänzenden, welligen Oberflächenteile, wobei sich die glänzenden Teile verfestigten, während sie nicht in Druckkontakt mit dem Erleichterungsrohr waren. Dieses kurze, glatte, glanzlose Band am unteren Ende des Stabes verfestigte sich in einem Bereich des Wärmetauschers unterhalb des Bereiches der wirksamen Levitation, und das geschmolzene Kupfer war deshalb in Druckkontakt mit dem Erleichterungsrohr. Der Unterschied im Aussehen der Teile, die sich im Druckkontakt und nicht im 45 Druckkontakt befanden, ist offensichtlich. PATENTANSPRÜCHE 50 1. Verfahren zum Stranggießen von Metallen, wobei das flüssige Metall senkrecht von unten nach oben in eine Stranggießkokille, die von einem nach oben wandernden elektromagnetischen Wechselfeld umflossen ist, 55 zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das elektromagnetische Wechselfeld den metallostatischen Flüssigkeitsdruck der flüssigen Metallsäule vermindert, daß in einem ersten Bereich der Stranggießkokille die Außenfläche der flüssigen, sich verfestigenden Metallsäule und der diese umgebende Innenfläche der Stranggießkokille in direkten Kontakt gehalten werden, und daß in einem zweiten Bereich, der unmittelbar oberhalb des ersten Bereiches in der Stranggießkokille liegt, durch die Einwirkung eines stationären 60 elektromagnetischen Wechselfeldes ein minimaler Spalt zwischen der Außenfläche der sich verfestigenden Metallsäule und der diese umgebenden Innenfläche der Stranggießkokille eingestellt wird. -7- AT397477B
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu Beginn des Gießens ein Metallstab mit der geschmolzenen, sich durch das Feld nach oben bewegenden Metallsäule verbunden wird.
3. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Kupfer, Aluminium, Stahl, eine Legierung auf Kupferbasis oder eine Legierung auf Aluminiumbasis vergossen wird.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Rundstäbe mit einem Durchmess»’ von 8 bis 30 mm gegossen werden.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kupferstab mit etwa 16 mm Durchmesser gegossen wird.
6. 6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrais nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine längliche, rohrförmige, in aufrechter Stellung angeordnete Stranggießkokille (11, 25, 50, 61), eine Einrichtung (10) zum Zuführen von flüssigem Metall zum unteren Teil der Stranggießkokille, mit der Kokille zum Kühlen und Erstarren des flüssigen Metalls verbundene Wärmetauscher (30,31,32), eine Einrichtung (40) zum Entfernen des erstarrten Metalls aus dem oberen Bereich der Stranggießkokille und eine elektromagnetische Spule (28, 52,61), die rings um die Stranggießkokille entlang eines Teüs ihrer Länge angeordnet ist.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule mehrere elektromagnetische Wicklungen (28, 52) zur Verbindung mit aufeinanderfolgenden Phasen einer mehrphasigen Stromquelle aufweist.
8. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stranggießkokille ein Rohr (11,25,50,61) aus hitzebeständigem Material ist.
9. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch einen Tiegel (10) zur Aufnahme eines, mit dem unteren Ende der Stranggießkokille (11, 25) kommunizierenden Bades von geschmolzenem Metall (20) und eine mit dem Tiegel verbundene Einrichtung zum Errichten und Bewegen einer Säule von flüssigem Metall nach oben in die Stranggießkokille (11,25) bis zu einem Niveau oberhalb des unteren Endes der Spule (28).
10. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die mehrphasige Stromquelle ein Drehstromgenerator zur Erzeugung eines gleichmäßigen und symmetrisch«! Feldes ist. Hiezu 2 Blatt Zeichnung»! -8-