AT528142B1

AT528142B1 - Vorrichtung zum Vertikalstranggießen

Info

Publication number: AT528142B1
Application number: ATA50251/2024A
Authority: AT
Inventors: Berrer Manuel; Karl Fellsner Christian
Original assignee: Hertwich Eng Gmbh
Priority date: 2024-03-21
Filing date: 2024-03-21
Publication date: 2026-03-15
Also published as: WO2025194188A1; AT528142A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Vertikalstranggießen mit einer eine Gießgrube (1) umfassenden Vorrichtung beschrieben, welche gemeinsam mit einer Kokille (2) einen gasdicht abgeschlossenen Austrittsbereich (3) für einen eine Flüssigmetallsäule bildenden Metallstrang (4) bildet. Um trotz einfacher konstruktiver Maßnahmen unerwünschte Seigerungseffekte in den Randbereichen bzw. an der Oberfläche des gegossenen Metalls auch unterhalb des Erstarrungspunktes wirksam zu verringern, wird vorgeschlagen, dass nach dem Befüllen der Kokille (2) zu einem Mindestfüllstand der im Austrittsbereich (3) vorliegende und den Metallstrang (4) unmittelbar umgebende Luft- bzw. Gasdruck über eine Frischgaszuführung (8) und eine Abgasabführung (9) so auf einen Überdruck gegenüber dem Umgebungsdruck geregelt wird, dass sich sowohl die Differenz zwischen dem metallostatischen Druck der Flüssigmetallsäule und dem Druck im Austrittsbereich (3) zur Reduktion von Seigerungseffekten verringert als auch während des Gießvorgangs anfallendes dampfförmiges Kühlmittel aus dem Austrittsbereich (3) abgeführt wird.

Description

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Vertikalstranggießen mit einer Vorrichtung, die eine Gießgrube umfasst, welche gemeinsam mit einer Kokille einen gasdicht abgeschlossenen Austrittsbereich für einen eine Flüssigmetallsäule bildenden Metallstrang bildet.

[0002] Beim Vertikalstranggießen von Metallschmelzen, wie insbesondere Aluminiumschmelzen, besteht eine grundlegende Schwierigkeit darin, die Ausbildung von Materialdefekten an der Oberfläche des erstarrten Metalls zu verhindern. So kann es im Zuge des Gießvorganges im Randbereich, d.h. im Bereich direkt unter der Oberfläche des erstarrten Metalls, zu einer Materialzone mit erhöhter Konzentration an Legierungselementen kommen, weshalb dieser Randbereich deutlich unterschiedliche Eigenschaften gegenüber dem weiter innen liegenden Material aufweisen kann. Dieser in der Gießtechnik als Exsudation bzw. Oberflächenseigerung bekannte Effekt ist auf einen metallostatischen Überdruck der Flüssigmetallsäule beim Gießvorgang zurückzuführen. Durch den metallostatischen Überdruck kann es in weiterer Folge zu unerwünschten dentritenartigen Kornstrukturen oder Kaltläufen im Randbereich, aber auch zu Oberflächendefekten des erstarrten Metalls kommen.

[0003] In der US 20220062973 A1 wird ein im Zusammenhang mit dem Vertikalstranggießen häufig zum Einsatz kommendes „hot-top“ Verfahren vorgestellt, wobei Nadelventile zur Überdruckregulation des durch eine Gießgaszufuhr gebildeten Gaspolsters oberhalb des Erstarrungspunktes der Flüssigmetallsäule vorgesehen sind. Dadurch wird ein erhöhter Druckaufbau oberhalb des Erstarrungspunktes, welcher ansonsten stoRweise durch Gasaustritt zwischen Kokillenwand und erstarrter Schmelze austritt, über diese Ventile abgeleitet, sodass etwaigen stoßbedingten Mikrostrukturanomalien vorgebeugt wird.

[0004] Nachteilig ist daran allerdings, dass das Gießgas in den Austrittsbereich frei ausströmen kann, sodass unterhalb des Erstarrungspunktes weiterhin Materialdefekte im Randbereich bzw. an der Oberfläche des erstarrten Metalls auftreten können.

[0005] Ferner sind aus der WO 2014121295 A1 und der GB 1298346 A Vorrichtungen bzw. Verfahren im Zusammenhang mit Stranggießen bekannt, wobei jedoch keine Maßnahmen zur Verringerung von Seigerungseffekten in den Randbereichen bzw. an der Oberfläche des gegossenen Metalls unterhalb des Erstarrungspunktes beschrieben werden.

[0006] Die WO 2014121295 A1 zeigt beispielsweise eine Vorrichtung zum Stranggießen von Lithiumaluminiumlegierungen, wobei zur Verhinderung eines sogenannten „bleed-out“ beschrieben werden. Ein bleed-out tritt gemäß der WO 2014121295 A1 dann auf, wenn der Barren in der Form nicht richtig erstarrt und die Form unerwartet und vorzeitig verlässt, was eine Explosion verursacht. Zur Lösung dieses Problems werden eine druckeinstellbare Inertgaszufuhr sowie ein Wasserbad am Grund der Gießgrube bereitgestellt.

[0007] In der GB 1298346 A ist ein Verfahren offenbart, bei welchem die Verringerung von Oxidationseffekten mithilfe einer Schutzgashülle für den Metallstrang beschrieben wird. Um eine zuverlässige Schutzgasumhüllung zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass das zunächst in den Austrittsbereich eingebrachte Schutzgas über eine Öffnung nach oben in Richtung Schmelzedüse entweichen kann. Dadurch wird erreicht, dass der Metallstrang bereits oberhalb der Gießgrube durch das Schutzgas umhüllt wird.

[0008] Schließlich zeigen die WO 2020023751 A1 sowie die EP 0875313 A1 weiteren allgemeinen Stand der Technik in Bezug auf ein Verfahren der eingangs geschilderten Art.

[0009] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Verfahren der eingangs geschilderten Art so auszugestalten, dass trotz einfacher konstruktiver Maßnahmen unerwünschte Seigerungseffekte in den Randbereichen bzw. an der Oberfläche des gegossenen Metalls auch unterhalb des Erstarrungspunktes wirksam verringert werden.

[0010] Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass nach dem Befüllen der Kokille zu einem Mindestfüllstand der im Austrittsbereich vorliegende und den Metallstrang unmittelbar um-

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gebende Luft- bzw. Gasdruck über eine Frischgaszuführung und eine Abgasabführung so auf einen Überdruck gegenüber dem Umgebungsdruck geregelt wird, dass sich sowohl die Differenz zwischen dem metallostatischen Druck der Flüssigmetallsäule und dem Druck im Austrittsbereich zur Reduktion von Seigerungseffekten verringert als auch während des Gießvorgangs anfallendes dampfförmiges Kühlmittel aus dem Austrittsbereich abgeführt wird.

[0011] Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der als treibende Kraft zur Ausbildung unerwünschter Seigerungseffekte wirkende metallostatische Druck dadurch wirksam verringert bzw. kompensiert werden kann, wenn eine im Austrittsbereich unmittelbar auf die Oberfläche des erstarrten Metallstranges bzw. Barrens einwirkende Gasdruckbeaufschlagung erfolgt. Dabei wird der Gießgrubendruck, d.h. der im Austrittsbereich vorliegende und den Metallstrang unmittelbar umgebende Luft- bzw. Gasdruck, so auf einen Überdruck gegenüber dem außerhalb der Gießgrube herrschenden Umgebungsdruck geregelt, dass sich die Differenz zwischen dem metallostatischen Druck der Flüssigmetallsäule und dem Druck im Austrittsbereich verringert. Als entscheidende Voraussetzung, dass eine zuverlässige Gasdruckregelung im Austrittsbereich zur Reduktion von Seigerungseffekten ermöglicht wird, ist es erforderlich, dass der Austrittsbereich gasdicht abgeschlossen ist. Dabei ergibt sich allerdings das Problem, dass das beispielsweise wasserbasierte Kühlmittel zunächst unter Abkühlung der Metallsäulenoberfläche partiell verdampft, wobei der entstandene Kühlmitteldampf nicht aus dem gasdicht abgeschlossenen Austrittsbereich entweichen kann. Folglich führt nicht nur der schlagartig ansteigende Dampfdrucks im Austrittsbereich, sondern gerade im Zusammenhang mit Aluminiumschmelzen auch die dabei nicht unterbundene exotherme Reaktion des Wasserdampfes mit dem Aluminium zu Oberflächendefekten und schlimmstenfalls zu einer Berstgefahr für die Kokille bzw. den GieRßtisch. Vor diesem Hintergrund bietet die erfindungsgemäße Abgasabführung den zusätzlichen Effekt, dass das in die Gasphase überführte Kühlmittel, insbesondere Wasserdampf, aus dem Austrittsbereich abgeführt wird. Dadurch kann der Wasserdampf nicht ungehindert in die Umgebung außerhalb des Austrittsbereiches der GieRgrube entweichen, sodass auch ein unerwünschter Feuchtigkeitseintrag in die Maschinenhalle vermieden wird. Sowohl die Frischgaszuführung als auch die Abgasabführung können entsprechende Regelarmaturen wie z.B. Ventile oder Klappenschieber aufweisen. Für die Gasdruckregelung kann eine entsprechende Steuer- oder Regeleinheit vorgesehen sein. Besonders zuverlässige Abführbedingungen für das Abgas ergeben sich, wenn die Abgasabführung eine Abführventilationseinheit zur Zwangsabführung des Abgases aufweist. Zufolge der erfindungsgemäßen Maßnahmen lassen sich insbesondere bestehende Vertikalstranggussanlagen, insbesondere Hot-Top-Anlagen, mit vergleichsweise geringem Aufwand anpassen, ohne dass aufwändige Umbauarbeiten bzw. Modifikationen am Gießtisch erforderlich sind, die diesen in seiner konstruktiven Ausgestaltung grundlegend verändern. Im Falle einer Fehlfunktion der Frischgaszuführung bzw. Abgasabführung ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung, vorbehaltlich einer in diesem Fall gegebenenfalls erforderlichen manuellen Unterbrechung der Frischgaszuführung bzw. Abgasabführung, dass der Gießvorgang selbst nicht unterbrochen werden muss, sondern im Sinne eines konventionellen Vertikal- bzw. Direct-ChillStrangießverfahrens fortgeführt werden kann.

[0012] Der eingestellte Überdruck liegt vorzugsweise zwischen 0 und 200 mbar, noch bevorzugter zwischen 0 und 100 mbar, besonders bevorzugt zwischen 0 und 60 mbar. Ein zu hoher Überdruck würde im Gegenzug zu einer hohen Material-Dichtigkeitsbeanspruchung insbesondere einer etwaigen Einhausung führen, was wiederum eine erhöhte Unfallgefahr birgt.

[0013] Günstige konstruktive Bedingungen ergeben sich erfindungsgemäß, indem der Austrittsbereich über eine Einhausung gasdicht abgeschlossen ist. Die Einhausung muss lediglich Aufnahmen für entsprechende Kokillenkörper aufweisen, wobei sich der gasdichte Abschluss des Austrittsbereiches im befüllten Zustand der Kokillen ergibt. Bevorzugt ist die Einhausung so ausgeführt, dass der Bereich zwischen Gießtisch und GieRgrube zur Umgebungsatmosphäre hin eingehaust wird, wobei der Gießtisch selbst einen entsprechenden Einhausungsabschnitt bildet.

[0014] Üblicherweise stellt sich beim Gießvorgang zufolge der hohen Austrittsgeschwindigkeit bzw. der mehrere Meter betragenden Fallhöhe des Kühlmittels in der Gießgrube ein mitunter gesundheitsgefährdender Geräuschpegel am Aufstellort der Gießanlage bzw. in der Maschinen-

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halle ein, der ein Tragen von Gehörschutz erforderlich macht. Folglich werden Gespräche und somit gegebenenfalls notwendige Anweisungen zur Prozessanpassung zwischen den Anlagebedienern erschwert. Vor diesem Hintergrund hat sich gezeigt, dass eine Einhausung bei entsprechend massiver Bauweise bzw. bei schallschutzdämmender Ausgestaltung den Geräuschpegel deutlich reduzieren kann.

[0015] Um den Gießvorgang besser überwachen zu können, wird vorgeschlagen, dass die Einhausung ein Sichtfenster aufweist, dessen Innenseite im Strömungsweg der Frischgas- und / oder Abgaseinrichtung angeordnet ist. Zufolge dieser Maßnahmen bietet das Sichtfenster freie Sicht in den Austrittsbereich, ohne dass es durch den während des Gießvorganges anfallenden Kühlmitteldampf beschlägt.

[0016] Aus Sicherheitserwägungen empfiehlt es sich, dass im Austrittsbereich Überdruckablasseinrichtungen, beispielsweise Überdruckventile, vorgesehen sind. Dadurch wird sichergestellt, dass ein vorgegebener maximaler Überdruck gegenüber dem Umgebungsdruck nicht überschritten wird. Vorzugsweise entspricht der maximale Überdruck dem metallostatischen Druck der Flüssigmetallsäule bei Soll-Füllstand der entsprechenden Kokille.

[0017] Um nicht nur die Voraussetzungen für eine vorteilhafte Materialqualität im sensiblen Randbereich der Metallschmelze oberhalb des Erstarrungspunktes zu ermöglichen, sondern darüber hinaus auch die Druckregelbedingungen im Austrittsbereich zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass die Kokille eine vorzugsweise im Erstarrungsbereich des Metallstranges angeordnete Gießgaszufuhr zum Abdichten der Kokillenaustrittsöffnung gegenüber dem Austrittsbereich aufweist. Über die Gießgaszufuhr wird im Bereich des Flüssigmeniskus der Metallschmelze unmittelbar oberhalb des Erstarrungspunktes ein Gaspolster erzeugt, welcher in diesem Bereich dem metallostatischen Druck entgegenwirkt. Außerdem bildet der erzeugte, insbesondere nach unten in den Austrittsbereich ausströmende Gaspolster eine Barriere für etwaiges durch die Frischgaszuführung in den Austrittsbereich eingeleitetes Frischgas bzw. für Kühlmitteldampf, welcher infolge des Kühlprozesses beim Gießen im Austrittsbereich anfällt.

[0018] Um für die Materialqualität günstige GieRßbedingungen zu schaffen und insbesondere die Gefahr von dampfbedingten Reaktionen im Austrittsbereich zu reduzieren, wird vorgeschlagen, dass pro 1t abgegossenem Metall mindestens 50 m®, bevorzugt von 50 bis 1000 m*®*, besonders bevorzugt von 200 bis 1000 m* Abgas aus der Gießgrube abgeführt werden.

[0019] Damit am Ende eines Gießvorgangs die Gefahr eines Ausströmens von feuchtem Abgas durch die freiwerdenden Kokillenöffnungen reduziert werden kann, empfiehlt es sich, dass der in der Gießgrube im Zuge des Gießvorganges eingestellte Überdruck, insbesondere spätestens, bei Unterschreiten des Mindestfüllstandes in der wenigstens einen Kokille reduziert wird. Vorzugsweise wird die GieRgrube am Ende eines Gießvorganges auf einen leichten Unterdruck von ca. 0 bis 1 mbar gegenüber dem Umgebungsdruck geregelt. Die Kokillenfüllstände können grundsätzlich mithilfe bekannter Messsysteme wie beispielsweise optischen, akustischen, kapazitiven, konduktiven oder mechanischen Messsystemen überwacht werden.

[0020] In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen

[0021] Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung für ein erfindungsgemäßes Verfahren, mit ausgefahrenem Gießzylinder zu Beginn des Gießvorgangs und angedeutetem eingefahrenen Gießzylinder am Ende des Gießvorgangs und

[0022] Fig. 2 eine geschnittene Detailansicht eines gefüllten Kokillenkörpers in einem größeren Maßstab.

[0023] Eine Vorrichtung für ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Vertikalstranggießen umfasst eine Gießgrube 1, die gemeinsam mit mehreren Kokillen 2 einen Austrittsbereich 3 für den jeweiligen Kokillen 2 zugeordnete Metallstränge 4, beispielsweise in Form von Rundbarren, bildet. Oberhalb der Gießgrube 1 ist ein Gießtisch 5 angeordnet, der die Kokillen 2 aufnimmt. We dies in Figur 1 schematisch angedeutet wird, wird eine auf einem Gießzylinder montierte, entsprechende Anfahrköpfe für die Kokillen 2 aufweisende Anfahreinrichtung 6 während des Gießvorgangs von einer initialen Basisstellung in eine strichpunktiert dargestellte Endstellung unter Aus-

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bildung der Metallstränge 4 abgesenkt.

[0024] Der Austrittsbereich 3 ist über eine Einhausung 7 gasdicht abgeschlossen. Um beim Gießvorgang den Gießgrubendruck so einzustellen, dass sich sowohl die Differenz zwischen dem metallostatischen Druck und dem Druck im Austrittsbereich 3 verringert als auch während des Gießvorgangs anfallendes dampfförmiges Kühlmittel abzuführen, ist der Austrittsbereich 3 mit einer Frischgaszuführung 8 und einer Abgasabführung 9 versehen. Sowohl die Frischgaszuführung 8 als auch die Abgasabführung 9 umfassen jeweils entsprechende Ventilatoren 10 sowie eine Regelarmaturen 11. Letztere können beispielsweise als Klappenventile ausgebildet sein. Darüber hinaus können die Frischgaszuführung 8 und die Abgasabführung 9 mit einer nicht näher dargestellten Steuereinheit verbunden sein.

[0025] Eine in Fig. 2 gezeigte Kokille 2 weist beispielsweise einen Kokillenkörper 12 auf, der eine Düsenplatte 13 aufnimmt. Um eine Primär- bzw. Kontaktkühlung für die über den GieRßtisch 5 in die Kokille 2 eingeleitete Metallschmelze zu ermöglichen, ist im Bereich des sich ausbildenden Flüssigmeniskus der Metallschmelze ein eine Lauffläche bildender Laufflächenkörper 14 angeordnet, der den Flüssigmeniskus radial in Bezug auf die Längsachse des Metallstranges 4 begrenzt. Für die Sekundärkühlung sind im Kokillenkörper 12 Kühlmittelkanäle 15 vorgesehen, die in entsprechende Kühlmittelauslässe münden und das flüssige Kühlmittel, vorzugsweise Wasser 16, an die Oberfläche des Metallstranges 4 unter partieller Erzeugung von Kühlmitteldampf abgeben.

[0026] Wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, ist der Metallstrang 4 im Wesentlichen in einen durch die Metallschmelze gebildeten Flüssigbereich 17 und einen durch das erstarrte Metall gebildeten Festbereich 18 geteilt, wobei die strichpunktiert angedeutete Linie 19 die Grenze zwischen diesen Bereichen definiert. Im Kontaktbereich zwischen dem Flüssigmeniskus und dem Laufflächenkörper 14 bildet sich dementsprechend ein Erstarrungspunkt 20 an der Oberfläche des Metallstranges 4 aus.

[0027] Um zu verhindern, dass Kühlmitteldampf in den Kokillenbereich oberhalb des Erstarrungspunktes 20 gelangt oder gar durch den Kokilleneinlass hindurch aus dem Gießtisch 5 entweicht und in Kontakt zum Flüssigmetall tritt, weist die Kokille 2 eine Gießgaszufuhr 21 auf, wobei im Kokillenkörper 12 ein entsprechender Zufuhrkanal vorgesehen ist. Das über die Gießgaszufuhr 21 eingeleitete trockene GieRgas dringt durch den in diesem Fall porös ausgebildete und aus Grafit gefertigten Laufflächenkörper 14 und bildet einen Gaspolster 22 oberhalb des Erstarrungspunktes 20. Zusätzlich kann die Kokille 2 auch eine entsprechende Schmiermittelzufuhr 23 umfassen.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Vertikalstranggießen mit einer Vorrichtung, die eine GieRgrube (1) umfasst, welche gemeinsam mit einer Kokille (2) einen gasdicht abgeschlossenen Austrittsbereich (3) für einen eine Flüssigmetallsäule bildenden Metallstrang (4) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Befüllen der Kokille (2) zu einem Mindestfüllstand der im Austrittsbereich (3) vorliegende und den Metallstrang (4) unmittelbar umgebende Luft- bzw. Gasdruck über eine Frischgaszuführung (8) und eine Abgasabführung (9) so auf einen Überdruck gegenüber dem Umgebungsdruck geregelt wird, dass sich sowohl die Differenz zwischen dem metallostatischen Druck der Flüssigmetallsäule und dem Druck im Austrittsbereich (3) zur Reduktion von Seigerungseffekten verringert als auch während des Gießvorgangs anfallendes dampfförmiges Kühlmittel aus dem Austrittsbereich (3) abgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der im Austrittsbereich (3) eingestellte Überdruck zwischen 0 und 200 mbar beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass pro 1t abgegossenem Metall mindestens 50 m* Abgas aus der Gießgrube (1) abgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Überdruck in der Gießgrube (1) bei Unterschreiten des Mindestfüllstandes in der wenigstens einen Kokille (2) reduziert wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen