Kokille zum kontinuierlichen Giessen von geschmolzenem Metall und Verfahren zu ihrem Betrieb Die Erfindung bezieht sich auf eine Kokille zum kontinuierlichen Giessen von geschmolzenem Metall und ein Verfahren zu ihrem Betrieb.
Beim Stranggiessen wird Metallschmelze in das eine Ende einer oben und unten offenen Kokille einge führt, und der Gussstrang wird aus dem anderen Ende herausgezogen. Während sich das Gussstück bildet, erstarrt das geschmolzene Metall zu einer Randkruste, die an Dicke und Steifigkeit zunimmt, bis die Rand kruste infolge der Schrumpfung des in der Kruste befindlichen erstarrenden Metalls von der Kokille hin wegschrumpft.
In der Kokille erfolgt die grösste Wärmeübertragung in dem Teil der Kokillenwand, welche mit der Metallschmelze und besagter Rand kruste in Berührung steht, bis zu der Stelle, wo letz tere von der direkten Berührung mit der Kokille weg schrumpft.
Bei dem Versuch, Kokillen zu verwenden, bei denen ein Graphiteinsatz in einem flüssigkeitsgekühl ten Mantel angebracht ist, hat es sich als schwierig, wenn nicht unmöglich erwiesen - besonders in Ko killen zum Giessen von Formaten grösseren Quer schnitts - den Kontakt zwischen Mantel und Einsatz während der Giessoperation aufrechtzuerhalten, ins besondere in dem Bereich, welcher dem Bereich der grössten Wärmeübertragung zwischen Einsatz und ver gossenem Metall in der Kokille entspricht.
-Man glaubt, dass der ungenügende Kontakt zurückzuführen sei auf Unterschiede in Durchbiegung, verursacht zum minde sten teilweise durch Unterschiede beim Ausdehnen des Einsatzes im Vergleich zum Mantel bei den in der Kokille unter den Giessbedingungen herrschenden Temperaturen.
Die Erfindung will eine Kokille zum kontinuier lichen Giessen von geschmolzenem Metall, welche oben und unten offen ist sowie aus einem äusseren gekühlten, zylindrischen Mantel in einem Graphitein- satz besteht, verbessern.
Eine erfindungsgemässe Ko kille ist gekennzeichnet durch einen Metallmantel mit Flüssigkeitskühlung und einem Graphiteinsatz, der eine Kokillenhöhlung bildet und in dem Mantel so angebracht ist,. dass Mantel und Einsatz bei Giesstem peratur mindestens im Bereich der grössten Wärme- übertragung zwischen Einsatz und Mantel in Berüh rung bleibt.
Das Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemä ssen Kokille ist dadurch gekennzeichnet, dass ge schmolzenes Metall in das obere Ende der Kokille eingeführt, das erstarrte Erzeugnis aus dem unteren Ende der Kokille herausgezogen, der Mantel und das erstarrte, herausgezogene Erzeugnis gekühlt werden und die Zufuhr, das Herausziehen und das Kühlen dabei mit einer solchen Geschwindigkeit erfolgen, dass eine freie Oberfläche geschmolzenen Materials in der Kokille eingehalten wird und die Oberkante der Er starrungskruste unmittelbar bis an den Giessspiegel heranreicht.
Die Erfindung wird in den Beispielen und beilie- genden Zeichnungen veranschaulicht, welche einen Teil dieser Beschreibung bilden. Es versteht sich' je doch, dass die Beispiele und Zeichnungen der Erläute rung dienen und dass die Erfindung in ihrem Gesamt umfang nicht darauf beschränkt bleibt.
In den Zeichnungen ist: Fig. 1 ein schaubildartiger Aufriss, teilweise im Querschnitt, welcher ein Stranggiessverfahren veran schaulicht; Fig. 2 ist eine Ansicht längs der Linie 2-2 von Fig. 1 in Pfeilrichtung; Fig. 3 ist ein vergrösserter Querschnitt einer Ko kille; .
Fig.4 ist ein Schnitt längs der Linie 4-4 der Fig. 3 in Pfeilrichtung; Fig. 5 ist eine schaubildartige Querschnittsansicht, welche die erste Stufe des empfohlenen Verfahrens des Montierens eines übergrossen Graphitkerns in einen Kokillenmantel darstellt;
Fig. 6 ist ähnlich wie Fig. 5 und zeigt den Kern teilweise in den Mantel eingefügt; Fig.7 ist ähnlich wie Fig.6, zeigt jedoch den Kern vollständig in den Mantel eingefügt; Fig. 8 veranschaulicht ein Verfahren zur Herstel lung der inneren Abmessungen des Kerns zwecks Er zielung einer gewünschten Einsatzdicke.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und ins besondere die Fig. 1 und 2 wird die Giesseinrichtung zunächst kurz beschrieben. In diesen Zeichnungen sind die Teile der Einfachheit halber weitgehend schaubildartig gezeigt.
Die Einrichtung umfasst im all- gemeinen eine vertikale Kokille 10, welche eine auf und ab bewegliche Kokille sein kann, die aus einem nicht weiter dargestellten Ofen durch eine Zuleitung 11, welche aus einem metallischen Rohr mit Graphit futter 12 bestehen kann, mit Metallschmelze beschickt wird. Der Strang tritt unten aus der Kokille heraus in den Tank 13 ein und durchläuft ihn.
Die Vorrich tung kann unterhalb des Tanks 13 mit angetriebenen Walzen und einer nicht weiter dargestellten Säge ver sehen sein, um das Gussstück mit gesteuerter Ge schwindigkeit abzusenken und den herausgezogenen Strang in gewünschte Längen zu schneiden.
Die Kokille 10 besteht im allgemeinen aus einem wassergekühlten Mantel 20 mit einem Graphiteinsatz 21. Die Kokille kann auf einem auf und ab beweg lichen Rahmen ruhen, der im allgemeinen mit Num mer 22 bezeichnet ist. Der Hubmechanismus kann einen Satz von vier Winkelhebeln 23 enthalten, die mittels Drehbolzen 24 mit einem feststehenden Sup port verzapft sind. Zugstangen 25 verbinden die Winkelhebelpaare 23 und Glieder 26 verbinden die selben mit dem Rahmen 22.
Ein Motor 27 treibt eine durch Verbindungsstangen 29 mit den Winkelhebeln 23 verbundene Kurbel 28.
Der Motor 27 kann ein solcher mit veränderlicher Geschwindigkeit sein, oder es kann eine andere Ein richtung vorgesehen sein, um die Anzahl der verti kalen Hübe der Kokille pro Minute der zur Verfügung stehenden Zeit zu regeln. Durch Einstellen der Länge der Hebelarme oder der Exzentrizität der Kurbel 28 kann die Höhe des Hubes abgewandelt werden.
Der Wassertank 13 kann entsprechend unab hängig in einer Stellung unterhalb dem unteren Aus gang der Kokille, jedoch nahe demselben vorgesehen werden. Es ist eine Gummidichtung 33 vorgesehen, welche gegen den Strang zu dicht abschliesst. Der Strang ist, wenn er unten aus dem Tank austritt, aus reichend gekühlt, so dass kein überhitzen der Gummi dichtung auftritt.
Das Kühlwasser kann dem Wassermantel durch das Zuleitungsrohr 34 zugeführt werden. Das Wasser betritt den Mantel durch die tangential angeordnete Zuflussöffnung 35. Es durchläuft die Kokille auf einem kreisförmigen Weg und tritt unten durch die verengte ringförmige Öffnung 36 aus, die infolge ihres relativ geringen Querschnittes im Verhältnis zum Vo lumen des der Kokille durch das Rohr 34 zugeführten Wassers bewirkt, dass der Wasserkanal 37 in dem Mantel mit Wasser gefüllt bleibt.
Die ringförmige Öffnung 36 lenkt das aus dem Wassermantel austre tende Wasser gegen die äussere Oberfläche des unten aus der Kokille austretenden Stranges. Das Wasser tropft dann in den Wassertank 13, aus dem es durch das Rohr 3 8 mit einer solchen Geschwindigkeit ab gesogen wird, dass in dem Tank 13 ein gewünschter Wasserspiegel eingehalten wird.
Der Vorteil dieser Anordnung ist der, dass im wesentlichen keine Luft zu dem Strang Zutritt hat, bis letzterer aus dem Tank 13 austritt, wo dann das Gussstück genügend gekühlt ist, um eine Oxydation der Oberfläche des Gussstückes zu verhindern oder wenigstens stark zu verringern.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 wird die Kokille nun weiterhin beschrieben. Die Kokille 10' entspricht der Kokille 10, der Mantel 20' dem Mantel 20, der Einsatz 21' dem Einsatz 21, und der Ein lass 35' dem Einlass 35. Der Mantel 20' ist aus einem inneren zylindrischen Teil 41 gebildet, einge schoben in den äusseren zylindrischen Mantel 42. Die auf geeignete Weise (z.
B. durch Schweissen) dem oberen oder unteren Teil von Glied 42 angefügten Platten 43 und 44 dienen als Abschlussflanschen, um zwischen den Gliedern 41 und 42 einen Wassermantel zu bilden. Der obere Endteil des Gliedes 41 kann mit einer Schulter 45 versehen sein, die ihrerseits einen Flanschteil 46 aufweist, der einen Abschluss bildet und auf einer Platte 43 aufsitzt.
Die untere äussere Kante des Teils 41 kann abgeschrägt und mittels Stell schrauben 47 mit einem Zwischenraum zur abge schrägten inneren Kante der Platte 44 versehen wer den. Teil 41 kann so eingestellt werden, dass damit die Grösse der ringförmigen Öffnung 36 bestimmt wird; diese letztere wird eingestellt auf eine kleinere Querschnittsfläche als diejenige des Einlasses 35, wo durch der Kühlmantel voll Flüssigkeit gehalten wird.
Der Einsatz 21' wird in einer nachstehend ein gehend beschriebenen Weise in das Glied 41 (unter Druck) eingepresst. Der untere Rand des eingepressten Einsatzes kann an die Schulter 48 anstossen, mit wel cher Teil 41 angrenzend an seine untere innere Kante versehen sein kann. Der Schliessring 49 kann am oberen Ende der Kokille durch Schrauben 50 montiert werden, die in Platte 43 verschraubt werden. Der Ring 49 kann, wie gezeigt, über die obere Kante des Einsatzes 21' hinausreichen, um mitzuhelfen, die Stel lung des Einsatzes sowie des Gliedes 41 in der Kokille einzuhalten.
Es ist zu bemerken, dass keine wesent liche gegenseitige Beeinträchtigung des flüssigkeitsge kühlten Teils 41 durch Teil 42 und Platten 43 und 44 und Stellschrauben 47 durch Ausdehnung und Zu- sammenziehen in der Längs- und Querrichtung, ein schliesslich der Wärmeausdehnung und -zusammen ziehung entsteht. Die bevorzugte Art der Montierung des Einsatzes in Teil 41 unter dem erforderlichen Druck wird in den Fig. 5 bis 8 gezeigt. Auch in diesen Zeichnungen sind die verschiedenen Teile der Einfachheit halber schaubildartig gezeigt.
In Fig. 5 steht Teil 41 auf dem Tisch 55 einer Presse und der Graphitkern 56 in übergrösse liegt oben auf besagtem Teil, wobei die Achse des Kerns zu derjenigen des Teils 41 ausge richtet ist. Die eine äussere untere Kante des Kerns 56 oder auch beide, oder die obere innere. Kante des Teils 41 können entsprechend abgeschrägt sein, um behilflich zu sein, das Hineinschieben des Kerns in Teil 41 einzuleiten. Der Stempel 57 der Presse wird dann gegen den oberen Teil des Kerns gedrückt.
Dar nach wird auf die Presse ausreichend Druck gegeben, um den Kern in Teil 41 zu pressen, bis er in der in Fig. 7 gezeigten Stellung ist; indem der Kern in Teil 41 eingeschoben wird, wie in Fig. 6 gezeigt, wird er zusammengepresst und seine Abmessungen werden reduziert.
Die Grösse der Abmessung A des Kerns 56 (siehe Fig. 5) ist so, dass bei den Temperaturen, denen der Graphit und Teil 41 in der Kokille unter den üblichen Giessbedingungen ausgesetzt sind, der Gra phit seitens Teil 41 unter Druckvorspannung steht.
Vorzugsweise ist die ganze Länge L des Kerns in übergrösse A vorgesehen. Wenn jedoch ge wünscht, kann der Kern auch nur in Teil B seiner Länge Übergrösse aufweisen; dieser Teil B ent spricht demjenigen Teil des späteren Einsatzes, in welchem die grösste Wärmeübertragung in der Kokille von dem vergossenen Metall zum Einsatz und von letzterem zum Teil 41 erfolgt.
Die innere Abmessung C des Kerns (siehe Fig. 5) ist derart, dass eine Kerndicke T vorgesehen wird, welche grösser ist als diejenige der gewünschten Einsatzdicke, nachdem der Kern in Glied 41 einge setzt ist. Die Dicke T wird so gewählt, dass eine ausreichende Festigkeit des Kerns gewährleistet ist, damit das Einpressen des Kerns in genanntes Teil ohne Bruch erfolgt. Nach dem Einpressen wird der Kern auf die gewünschte Abmessung D ausgedreht, um die Einsatzdicke E , wie in Fig. 8 gezeigt, zu erzielen.
Wie aus dieser letzteren Figur ersichtlich, kann dies bewerkstelligt werden, indem der in Teil 41 montierte Kern in den Spannkopf 60 einer geeigne ten Drehbank eingespannt wird, wonach dann der Kern mit Werkzeug 61 auf Einsatzdicke E aus gedreht wird; um beste Giessergebnisse zu erzielen, sollte dieser 2 bis 3 mm Dicke aufweisen.
Der Kern 56 kann massiv oder hohl sein, ent weder aus einem ganzen Stück bestehend oder aus Segmenten zusammengesetzt sein und der daraus hergestellte Einsatz kann daher aus einem Stück oder aus Segmenten bestehen. Es ist jedoch besonders günstig, einen aus einem Stück bestehenden Einsatz aus einem entsprechend hohlen Kern herzustellen. Obgleich mit Bolzenkokillen mit einem kreisförmigen Einsatz, umgeben von einem kreisförmigen Mantel, beste Ergebnisse erzielt worden sind, können auch Kokillen anderer Form verwendet werden, insbeson dere Kokillen mit Einsätzen mit einer konvex ge krümmten äusseren Oberfläche, die sich in Kontakt befindet mit einer entsprechend konkav gekrümmten inneren Mantelwand.
Auch kann an Stelle des mit Bezug auf die Fig. 5 bis 7 beschriebenen Montierungs- verfahrens das Teil 41 ebenfalls entsprechend aus Seg menten zusammengesetzt sein, wobei die Segmente dieses Teils rund um den Kern 56 angeordnet wer den und dicht gegen den Kern gezogen werden kön nen, um die erforderliche Druckspannung zu erzielen, obgleich ein solches abgewandeltes Verfahren nicht vorzuziehen ist.
Bei Beginn des Giessens kann eine in die Abmes sungen der durch den Einsatz 21 definierten Kokillen höhlung passende Anfahrstange durch den Boden des Tanks 13 in Fig. 1 in die Kokille 10 eingeführt wer den. Darnach beginnt die Zufuhr von Kühlwasser in den Mantel durch die Zuleitung 34 und von Metall schmelze durch die Zuführung 11. Die Anfahrstange wird mit beginnender Erstarrung des Metalls heraus gezogen.
Der Anfahrkopf kann mit Vorsprüngen, etwa einem Bolzen, versehen sein, um den der sich bil dende Strang erstarrt, und sich so gleichzeitig mit dem Anfahrkopf verschweisst, so dass die Anfahrstange den Strang aus der Kokille herausziehen kann.
Bei der Durchführung des Verfahrens nach erfolg tem Beginn wird in die Kokille Metallschmelze mit einer Geschwindigkeit eingeführt, welche der Absenk- geschwindigkeit des Stranges entspricht, um den Me tallspiegel in der Kokille in -der gewünschten Höhe zu halten.
Da von dem geschmolzenen Metall Wärme abgeführt wird, erstarrt letzteres zu einer Randkruste X ; in dem Masse, wie der Strang aus der Kokille austritt, nimmt die Kruste an Dicke und Steifigkeit zu, bis sie sich .an Punkt Z infolge der Schrump fung des erstarrten Metalls in der Kruste von dem Einsatz 21 ablöst. Demgemäss ist der Bereich der grössten Wärmeübertragung in .der Kokille auf den Bereich W des Einsatzes zwischen dem obersten Teil des Metallspiegels in der Kokille und dem Punkt Z beschränkt, da in diesem Bereich der Einsatz und die Metallschmelze in inniger Berührung mitein ander stehen.
Unterhalb des Punktes Z wird die Wärme -von Gussstück auf Einsatz mit geringerer Geschwindigkeit übertragen - infolge des Verlustes an Kontakt. Um sich gegen die Gefahr des Spritzens von flüssigem Metall infolge Aufreissens der Randkruste X zu schützen, ist das untere Ende der Kokille genügend weit entfernt von Punkt Z vorzusehen. Die Fest legung dieses Punktes und die Grösse des Bereiches e W richtet sich nach der Geschwindigkeit, mit wel cher die Wärme von dem Gussstück abgeleitet wird, bezogen auf die Giessgeschwindigkeit.
Im allgemeinen ist man bei einer Kokille in einer Länge von mehr als etwa 13 cm gegen diese Gefahr gefeit.
In jeder einzelnen Kokille wird die Tiefe, in der sich der Sumpf an nichterstarrtem Metall Y in den Strang hinein erstreckt, von der Giessgeschwindigkeit geregelt, d. h. je langsamer die Absenkgeschwindig- keit des Stranges, desto flacher ist der Sumpf und umgekehrt.
Es kann jede Giessgeschwindigkeit ange wandt werden, einschliesslich sowohl einer Geschwin digkeit, welche einen flachen Metallsumpf erzeugt, dessen tiefster Punkt sich nahe dem oberen Ende der Kokille befindet, als auch einer solchen, bei welcher der Sumpf ziemlich über die untere Kante der Kokille hinausreicht. Im allgemeinen jedoch, und besonders beim Giessen von nähgepoltem Kupfer ist es vorzu ziehen, die Giessgeschwindigkeit so einzustellen, dass die unterste Spitze des Sumpfes an nichterstarrtem Metall sich nahe dem unteren Ende der Kokille be findet.
Die Wärme, welche von dem vergossenen Metall durch die Kokille abgeführt wird, fliesst in das Kühl wasser im Mantel 20, indem sie den Einsatz 21 und die Mantelwand 41 passiert; diese beiden besitzen eine hohe Wärmeleitfähigkeit und erlauben eine grosse Geschwindigkeit des Wärmeflusses, wenn sie mitein ander in Kontakt stehen.
Wenn jedoch der Kontakt zwischen diesen beiden Teilen verringert oder unter brochen ist, wird der Wärmefluss ernstlich beeinträch tigt, insofern als selbst eine ausserordentlich kleine Lücke oder Gasschicht eine bemerkenswerte Isolier- fähigkeit aufweisen.
Eine jede solche Beeinträchtigung des Wärmeflusses zwischen Einsatz und Mantel be einflusst sehr stark den Temperaturabfall durch diese Teile hindurch und zwischen denselben, und ver ursacht eine starke Zunahme in der Temperatur der Einsatzoberfläche, welche das vergossene Metall be rührt.
Früher glaubte man, dass während des Giessens von Metall in die Kokille eine Berührung zwischen Einsatz und Wandung 41, besonders im Bereich der grössten Wärmeübertragung der Kokille, nicht auf rechterhalten wird, sondern statt dessen verringert oder unterbrochen wird. Man glaubt, dass eine solche Reduzierung oder ein solcher Verlust an Kontakt ver ursacht wird durch einen Unterschied in der Durch biegung dieser beiden Teile,
welcher infolge der von einander abweichenden Ausdehnungskoeffizienten der selben ausreicht, um Teil 41 zu veranlassen, sich von dem Einsatz hinwegzubiegen, obgleich die Temperatur des Einsatzes höher ist als diejenige des Teils 41. Als Folge davon wird der W ärmefluss in der Kokille be einträchtigt und die Temperatur des Einsatzes wird übermässig hoch; es ergeben sich hieraus schlechtere Oberflächeneigenschaften des Gussstückes und gleich zeitig eine Reduzierung der in den einzelnen Kokillen anzuwendenden Giessgeschwindigkeit.
Anderseits wird ein Kontakt zwischen dem Einsatz und dem Mantel während des Giessvorganges auf rechterhalten in Anbetracht dessen, dass die Durch biegung des Einsatzes ebenso gross ist wie diejenige des Teils 41. Die Differenz in der Wärmeausdehnung dieser beiden Teile wird ausgeglichen durch die Durchbiegung des Einsatzes, da der Druck darauf sich durch die Wärmeausdehnung des Teils 41 verringert, so dass die gesamte Durchbiegung des ersteren Teils ebenso gross ist wie diejenige des letzteren. Man glaubt,
dass dies der Grund ist für den doppelten Ge winn erhöhter Giessgeschwindigkeit zusammen mit den bei Durchführung der Erfindung erzielten ver besserten Oberflächeneigenschaften.
Die Kokille kann angewandt werden zum Giessen jeden Metalls oder jeder Legierung. Sie ist sehr nütz lich zum Giessen von Metallen wie Stahl, Silber, Nik= kel, Aluminium, Magnesium und insbesondere Kup fer. Sie ist besonders nützlich zum Giessen von sauer stoffhaltigem Kupfer wie nähgepoltem Kupfer, in jeder gewünschten Grösse, und zum Giessen von Bolzen aus sauerstofffreiem, wie an sich sauerstofffreien oder mit Phosphor desoxydiertem Kupfer in grossen Abmessun gen (d. h. grösser als etwa 70 mm Durchmesser).
Bis jetzt war es nicht möglich gewesen, nähgepoltes Kup fer in grossen Mengen und in der von der Industrie gewünschten Qualität erfolgreich zu giessen.
Der hierin verwendete Ausdruck sauerstoffhal tiges Kupfer soll sowohl nähgepoltes Kupfer als auch Kupfer mit einem geringeren Gehalt an Sauer stoff einschliessen; er soll jedes Kupfer einschliessen, in welchem der vorhandene Sauerstoff in einer sol chen Form enthalten ist, dass er den Graphiteinsatz angreift, wenn die Betriebstemperatur des Einsatzes übermässig hoch ist.
Anderseits soll der hierin verwendete Ausdruck sauerstofffreies Kupfer die Kupfersorten einschlie ssen, welche als mit Phosphor desoxydiertes Kupfer bekannt sind, und zwar sowohl mit hohem als auch mit niedrigem Restgehalt an Phosphor, ferner jedes andere desoxydierte Kupfer, wie mit Lithium, Bor, Kalzium usw. desoxydiertes Kupfer, und auch die als sauerstofffreies Kupfer an sich bezeichneten Kup fersorten. Mit anderen Worten, jedes Kupfer, in wel chem keinerlei Sauerstoff verfügbar ist, um den Gra- phiteinsatz bei Betriebstemperaturen anzugreifen.
Bei der Durchführung des Giessens soll die Kokille vorzugsweise eine mit entsprechender Geschwindig keit und geeignetem Hub hin und her gehende Kokille sein und das geschmolzene Metall wird in die Kokille mit einer solchen Geschwindigkeit eingeführt, dass der Metallspiegel unterhalb des oberen Endes der Kokille gehalten wird. Wenn jedoch gewünscht, kann eine feststehende Kokille verwendet werden. Ebenso kann die Kokille mit einer Metallsäule gefüllt gehal ten werden, indem z. B. das obere Ende der Kokille mit dem Boden eines geeigneten Ofens, etwa eines Warmhalteofens, verbunden wird.
Es ist vorzuziehen, dass das Zuführungsrohr für das Metall unter die Oberfläche der Metallschmelze in dem Sumpf eingetaucht gehalten wird, sowohl wenn man sauerstoffhaltiges Kupfer als auch sauerstoff freies Kupfer giesst. Im Falle von sauerstoffhaltigem Kupfer kann jedoch das Zuführungsrohr weggelassen und das oben offene Ende der Kokille mit einem frei fallenden Metallfluss beschickt werden.
Beim Giessen von sauerstoffhaltigem Kupfer wird vorgezogen, eine Schutzschicht einzelner Partikel von kohlenstoffhaltigem Material, wie Flockengraphit, Lampenruss, pulverisiertem Anthrazit usw. auf der Oberfläche des geschmolzenen Metalls in dem Sumpf Y aufrechtzuerhalten. Anderseits darf beim Giessen sauerstoffhaltigen Kupfers eine Decke von reaktions fähigem kohlenstoffhaltigen Material nicht verwendet werden.
Die Giessgeschwindigkeit kann entsprechend dem zu vergiessenden Material wechseln, um die Tempera tur des Graphiteinsatzes auf der richtigen Höhe zu halten, um gute Giesseigenschaften zu erzielen. Im Falle von sauerstofffreiem Kupfer sollte die Maximal- temperatur des Graphitfutters unter 760 C gehalten werden. Bei sauerstoffhaltigem Kupfer sollte diese Temperatur unter 600 C gehalten werden.
Das Gussstück kann mit einer gleichförmigen Ge schwindigkeit oder intermittierend aus der Kokille herausgezogen werden. Es kann ein Gussstück von unbeschränkter Länge gegossen und nach dem Her ausziehen auf gewünschte Längen abgeschnitten wer den; dies ist das bevorzugte Verfahren für relativ kleine Formate. Bei relativ grossen Formaten jedoch ist es vorzuziehen, sobald eine gewünschte Länge er zielt ist, mit dem Giessen aufzuhören. Diese Länge wird dann aus der Kokille herausgenommen und man beginnt, eine neue Länge zu giessen.
Auf jeden Fall hängt die Länge des Gussstückes nicht von der Länge der Kokille ab und der Ausdruck kontinuierliches Giessen, oder Ableitungen davon, ist auf solche Ver fahren anzuwenden.
Die Erfindung wird ferner veranschaulicht durch die folgenden Beispiele: <I>Beispiel 1</I> In einen zylindrischen Kupfermantel, wie in den Fig. 5 bis 8 dargestellt, wurde ein zylindrischer Gra- phiteinsatz eingefügt. Der äussere Durchmesser des Graphitkerns (Abmessung A Fig. 5) betrug 179 mm, dessen innerer Durchmesser (Abmessung C ) 152 mm. Der Innendurchmesser des Kupfermantelteils 41 betrug 177,8 mm, dessen äusserer Durchmesser 186,79 mm.
Entgegen den Erwartungen fand man, dass sich der Graphitkern- leicht ohne Bruch in Teil 41 hineinpressen liess. Nachdem er in den Mantel in die in Fig. 7 gezeigte Stellung hineingepresst worden war, wurde die innere Oberfläche des Kerns, wie in Fig. 8 gezeigt, ausgedreht, um einen Einsatz mit einem Innendurchmesser von 171,3 mm zu erzielen.
Dieser Zusammenbau wurde dann von Raumtem peratur 28 C auf 199 C erhitzt. Bei letzterer Tempe ratur war der Einsatz immer noch satt anliegend an Teil 41.
<I>Beispiel Il</I> In einen zylindrischen Kupfermantel, wie in den Fig. 5 bis 8 veranschaulicht, wurde ein zylindrischer Graphiteinsatz eingefügt. Der äussere Durchmesser des Graphitkems (Abmessung<B> A </B> Fig. 5) betrug 178,2 mm, dessen innerer Durchmesser (Abmessung C ) 152 mm. Der Innendurchmesser des Kupfer mantelteils 41 betrug 177,77 mm, dessen äusserer Durchmesser 196,95.
Entgegen den Erwartungen. fand man, dass sich der Graphitkern leicht ohne Bruch in Teil 41 axial einpressen liess. Nachdem er in den Man tel in die in Fig. 7 gezeigte Stellung hineingepresst worden war, wurde die innere Oberfläche des Kerns, wie in Fig. 8 gezeigt, ausgedreht, um einen Einsatz mit einem Innendurchmesser von 171,3 mm zu er zielen.
Dieser Zusammenbau wurde dann von Raumtem peratur auf 163 C erhitzt. Bei der letztgenannten Temperatur war der Einsatz immer noch satt anlie- gend an Teil 41.
Beispiel <I>111</I> Der zylindrische Graphiteinsatz 21' und die zylin drische Kupfermantelhülse 41 wurden durch das oben beschriebene Aufschrumpfverfahren zusammengebaut. Vor dem Zusammenbau betrug der äussere Durch messer des Graphiteinsatzes 220,88 mm; .dessen Lichtweite betrug 206,3 mm; der innere Durchmesser der Kupfermantelhülse war 220,35 mm und der äussere Durchmesser der Mantelhülse 228,65 mm.
Zum Zusammenbau wurde die Kupferhülse 41 auf eine Temperatur von etwa 205 bis 232 C erhitzt, während der Einsatz auf Raumtemperatur gehalten wurde. Der Einsatz wurde dann leicht in den ausge dehnten Mantel eingesetzt und man liess den Mantel abkühlen. Die Mantelhülse schrumpfte dicht auf den eingesetzten Einsatz auf, so dass während des nach stehend beschriebenen Giessverfahrens ein guter Ober flächenkontakt zwischen diesen Teilen aufrechterhal ten wurde.
Ein Hinweis auf den zwischen den sich berühren den Oberflächen der Kupferhülse und des Graphit- einsatzes erzeugten Druck wird durch die Tatsache gegeben, dass nach dem Zusammenbau und Erkalten der äussere Durchmesser der Kupferhülse 228,70 mm betrug, also eine Ausdehnung von 0,05 mm auf wies, während der Innendurchmesser des Einsatzes 205,81 mm betrug und eine Zusammendrückung von 0,48 mm zeigte. Die Einsatzdicke betrug 7,29 mm.
Die innere Einsatzoberfläche des zusammenge bauten Mantels wurde nicht ausgedreht; ihre Abmes sung entsprach dem Giessen eines Bolzens von etwa 203 mm Durchmesser.
Wenn gewünscht, darf die Kupferhülse für den Zusammenbau von Kupferhülse und Einsatz auf eine Temperatur über der obengenannten erwärmt werden, und der äussere Durchmesser des Einsatzes vor dem Zusammenbau darf von noch stärkerer übergrösse sein, so dass der Einpresssitz einen noch stärkeren Druck zwischen den sich berührenden Oberflächen erzeugen kann.
<I>Beispiel IV</I> Dieses Beispiel betrifft das Giessen von zähgepol- tem Kupfer. Es wurde ein Zusammenbau aus Einsatz und Mantel hergestellt, wie in Beispiel I beschrieben. Dieser Zusammenbau wurde in eine in Fig. 3 und 4 ungefähr massstäblich gezeichnete Kokille eingefügt. Die Länge der Kokille betrug 250 mm.
Die so herge stellte Kokille wurde in dem in Fig. 1 gezeigten Stranggiesssystem zum kontinuierlichen Giessen von zähgepoltem Kupfer verwendet.
Geschmolzenes, zähgepoltes Kupfer wurde der Kokille aus dem Vorherd eines Warmhalteofens durch eine Zuleitung (11, Fig. 1) mit einem Auslassdurch- messer von 5,5 mm zugeführt. Die Kokille war eine hin und her gehende Kokille mit einer Häufigkeit von etwa 60 Zyklen pro Minute und einem Hub von etwa 4 mm. Das Kühlwasser von gewöhnlicher Temperatur (etwa 28 C) zirkulierte durch den Durchgangskanal 37 der Kokille.
Die Giess- und Absenkgeschwindigkeit des ge gossenen Stranges war so geregelt, dass der Spiegel der Metallschmelze in der Kokille etwa 25 mm ober halb der oberen Kante des Graphiteinsatzes gehalten wurde. Die obere Kante der von dem erstarrenden Metall gebildeten Randkruste wurde etwa an der Oberfläche des geschmolzenen Metalls gehalten.
Der von der Kurste umgebende Metallschmelzsumpf schien sich bis zum unteren Ende der Kokille auszu strecken, und während des gesamten Giessvorganges blieb der Einsatz 21 satt anliegend an Teil 41.
Es wurde ein Bolzen aus zähgepoltem Kupfer mit einer Geschwindigkeit von 2 Tonnen pro Stunde ge gossen, wobei der Strang nach seinem Austreten aus dem Tank 13 in geeignete Längen abgeschnitten wurde. Die Oberfläche des Gussstückes war glatt und frei von ringförmigen Falten und überlappungen. Die Glätte der Oberfläche war so, däss in der Hauptsache kein Wasser durch die Gummidichtung 33 im Boden des Wassertanks 13 durchlecken konnte.
An der Dicke des Einsatzes war keine bemerkenswerte Re duktion wahrzunehmen - selbst nicht nach einer beträchtlichen Benützungsdauer der Kokille; diese Tatsache zeigt an, dass der Einsatz von dem in dem Kupfer enthaltenen Sauerstoff nicht angegriffen wor den ist.
<I>Beispiel V</I> Nachstehendes Beispiel betrifft das Giessen von mit Phosphor desoxydiertem Kupfer. Es wurde ein Zusammenbau aus Mantel und Einsatz gemäss Bei spiel II hergestellt. Dieser Zusammenbau wurde in eine in Fig. 3 und 4 ungefähr massstäblich gezeich nete Kokille eingefügt. Die Länge der Kokille betrug 250 mm.-. Diese Kokille wurde in dem in Fig. 1 ge zeigten Stranggiesssystem verwendet.
Die Kokille wurde mit einem Hub von etwa 4 mm Höhe und einer Hubzahl von etwa 60 Zyklen pro Minute betrieben. Durch den Kanal 37 der Kokille zirkulierte Kühlwasser von gewöhnlicher Temperatur.
Geschmolzenes, mit Phosphor desoxydiertes Kup fer wurde von dem Vorherd eines Warmhalteofens durch die Zuleitung 11 (Fig. 1) mit einem Auslass- durchmesser von etwa 5,1 mm der Kokille zugeführt.
Die Giess- und Absenkgeschwindigkeit des gegossenen Stranges war so geregelt, dass der Spiegel der Metall schmelze in der Kokille etwa 25 mm oberhalb der oberen Kante des Graphiteinsataes gehalten wurde. Die obere Kante der von dem erstarrenden Metall gebildeten Randkruste X wurde etwa an der Ober- fläche des geschmolzenen Metalls gehalten. Der Sumpf schien sich etwa bis zum unteren Ende der Kokille zu erstrecken und während des gesamten Giessvorganges blieb der Einsatz 21 satt anliegend an die Hülse 41.
Das Zuleitungsrohr 11 wurde unter den Spiegel des geschmolzenen Metalls in den Sumpf eingetaucht gehalten und auf der Oberfläche des geschmolzenen Metalls wurde eine Decke von Graphitflocken aufge bracht.
Die Kühl- und Giessbedingungen waren so ge regelt, dass die heisseste Stelle des Einsatzes auf einer Temperatur unter etwa 760 C gehalten wurde. Es wurde ein mit Phosphor desoxydierter Bolzen mit einer Geschwindigkeit von 2 Tonnen pro Stunde strangge- gossen. Die Oberfläche des Gussstückes war glatt und frei von ringförmigen Falten und überlappungen. Die Glätte der Oberfläche war derart,
dass in der Haupt sache kein Wasser durch die Gummidichtung 33 im Boden des Wassertanks 13 hindurchleckte. An der Dicke des Einsatzes war keine bemerkenswerte Re duktion wahrzunehmen - selbst nicht nach einer be trächtlichen Benützungsdauer der Kokille.
<I>Beispiel</I> V1 Nachstehend ein weiteres Beispiel für das Giessen von zähgepoltem Kupfer. Mantel und Einsatz wurden, wie in Beispiel III beschrieben, zusammengebaut. Der Zusammenbau wurde gemäss den Angaben von Fig. 3 und 4 in die Kokille eingefügt. Die Kokillenlänge be trug etwa 254 mm. Die Kokille wurde zum kontinuier lichen Giessen gemäss den Angaben von Fig. 1 ver wendet.
Die Kokille wurde mit einem Hub von 4 mm, bei einer Hubzahl von 60 Zyklen pro Minute betrie ben. Kühlwasser in gewöhnlicher Temperatur zirku lierte durch die Kokille.
Aus dem Vorherd eines Warmhalteofens wurde geschmolzenes zähgepoltes Kupfer durch die Zulei tung 11 (Fig. 1) mit einem Auslassdurchmesser von etwa 17,6 mm der Kokille zugeführt. Giess- und Ab senkgeschwindigkeit des gegossenen Bolzens waren so geregelt, dass der Spiegel dcs geschmolzenen Metalls in der Kokille etwa einen Zoll unterhalb der oberen Kante des Graphiteinsatzes gehalten wurde. Die obere Kante der von dem erstarrenden Metall gebildeten Randkruste wurde etwa auf der Oberfläche des ge schmolzenen Metalls gehalten.
Der Sumpf schien sich etwa bis zum unteren Ende der Kokille zu er strecken und der Einsatz 21 blieb während des gan zen Giessvorganges satt anliegend an die Hülse.
Das Zuleitungsrohr 11 wurde unter den Spiegel des geschmolzenen Metalls in dem Sumpf eingetaucht gehalten, doch wurde auf der freien Oberfläche des geschmolzenen Metalls in dem Sumpf keinerlei schwimmende Decke irgendwelcher Art aufgebracht.
Die Kühl- und Giessbedingungen waren so ge regelt, dass die heisseste Stelle des Einsatzes auf einer Temperatur unter etwa 600 C gehalten wurde. Die Oberfläche des gegossenen Bolzens war glatt und frei von ringförmigen Falten und Überlappungen. Die Glätte der Oberfläche war derart, dass in der Haupt sache kein Wasser durch die Gummidichtung 33- in dem Boden des Wassertanks 13 hindurchleckte. An der Dicke des Einsatzes war selbst nach einer be trächtlichen Benützungsdauer der Kokille keine be merkenswerte Reduktion festzustellen.
Die Temperatur des Graphiteinsatzes kann in je der gewünschten und zusagenden Weise gemessen werden. Zum Beispiel wurde zum Messen der Tem peratur eines Einsatzes mit einer Dicke von 7,29 mm, wie in Beispiel 11, ein Loch von 1,59 mm Durch messer vertikal in die obere Kante des Graphitein- satzes längs des Einsatzes und mitten durch die Ein- satzdicke hindurch eingebohrt; es wurde ein Thermo- element in ein solches Loch eingeführt und auf und ab bewegt, um die Temperatur längs des Einsatzes zu messen.
Auf diese Weise wurde die heisseste Stelle am Einsatz zusagend gemessen. Die Maximaltempe ratur tritt gewöhnlich in dem durch W in Fig. 1 be zeichneten Bereiche auf. Es ist zu bemerken, dass bei einem Einsatz der obigen Dicke die Distanz zwischen Loch und Giessoberfläche des Einsatzes etwa 2;59 mm beträgt.
Die genaue Dicke des Futters ist innerhalb der nachstehenden Grenzen nicht besonders wesentlich. Der Einsatz soll dünn genug sein, um sich etwaigen unregelmässigen Veränderungen in d.-r Form, der Kup- fermantelhülse, verursacht durch Ausdehnung unter Giessbedingungen, anzugleichen und dennoch dick genug, um ausreichenden mechanischen Druck gegen den Mantel infolge des oben beschriebenen Druck sitzes zu erzeugen. Die genaue Dicke der Kupferhülse 41 ist nicht wesentlich, solange sie kräftig genug ist, um den durch den Drucksitz des Einsatzes erzeugten Druck auszuhalten.
Die Erfahrung hat gezeigt, dass die Einsatzdicke von 2,03 oder 3,05 mm bis zu 7,29 mm und mehre bei Kokillen mit einem inneren Durchmesser im Be reiche von etwa 76 bis 254 mm betragen kann. Sieht man mehr Material vor, dann vereinfachen die dicke ren Einsätze das Ausbohren des Loches längs des Einsatzes nach unten von seiner oberen Kante aus, um das Thermoelement, wie oben beschrieben, auf zunehmen.
Der Drucksitz zwischen Einsatz und Mantel kann erzielt werden, entweder durch den oben beschrie benen Einpresssitz oder Aufschrumpfsitz . Unge achtet der Art des Zusammenbaues hat die daraus hergestellte Kokille eine ausgezeichnete Wärmeüber tragung vom Einsatz auf den Mantel.
Der Drucksitz schafft eine Einrichtung, bei welcher der Einsatz von seinem Umfang her unter Druck steht und der Mantel steht unter Umfangsspannung. Die natürliche Elasti zität der über den ganzen Umfang einheitlichen Wände von Mantel und Futter schafft diese Druck vorspannung, ohne Hilfsmittel wie Federn zur Erzie lung von Spannung zu benötigen.
Der Einsatz in Übergrösse wirkt, indem er seinen Ausdehnungsdruck nach dem Mantel zu ausübt, wie ein gleichmässig verteilter radialer Druck gegen den Mantel, und gewährleistet ein dauerndes, sattes Auf einanderliegen von Einsatz und Mantel unter den beim Giessen auftretenden Bedingungen. Es wird ein ausgezeichneter ununterbrochener Wärmeweg vom Einsatz zum Mantel aufrechterhalten.
Dies ermöglicht eine sehr hohe Wärmeabzugsgeschwindigkeit, vergli chen mit der Wärmeabzugsmöglichkeit einer Ganz metallkokille, und hält dabei die Selbstschmiertätigkeit des Graphits zurück.
Es ist ferner zu bemerken, dass die vorliegende Kokille hauptsächlich eine Metallkokille und nicht eine Graphitkokille ist, in welcher der relativ starke Metallmantel mechanische Festigkeit und Verstär kung für den relativ dünnen, zerbrechlichen Einsatz schafft.
Während hierin gewisse neue Züge der Erfindung aufgedeckt wurden und während in den angefügten Ansprüchen darauf hingewiesen wurde, versteht es sich, dass verschiedene Unterlassungen, Ersatz und .Änderungen von den Fachleuten durchgeführt werden können, ohne dass von dem Geist der Erfindung ab gegangen werden müsste.
Mold for continuous casting of molten metal and method for its operation The invention relates to a mold for continuous casting of molten metal and a method for its operation.
During continuous casting, molten metal is introduced into one end of a mold that is open at the top and bottom, and the cast strand is pulled out of the other end. As the casting forms, the molten metal solidifies to form a peripheral crust that increases in thickness and stiffness until the peripheral crust shrinks away from the mold as a result of the shrinkage of the solidifying metal in the crust.
In the mold, the greatest heat transfer takes place in the part of the mold wall which is in contact with the molten metal and said edge crust, up to the point where the latter shrinks away from direct contact with the mold.
When trying to use molds in which a graphite insert is attached in a liquid-cooled jacket, it has proven difficult, if not impossible - especially in Ko killen for casting formats of larger cross-section - the contact between the jacket and insert during to maintain the casting operation, in particular in the area which corresponds to the area of the greatest heat transfer between the insert and the cast metal in the mold.
It is believed that the insufficient contact is due to differences in deflection, caused at least partly by differences in the expansion of the insert compared to the jacket at the temperatures prevailing in the mold under the casting conditions.
The invention aims to improve a mold for the continuous casting of molten metal, which is open at the top and bottom and consists of an outer, cooled, cylindrical jacket in a graphite insert.
A Ko kille according to the invention is characterized by a metal jacket with liquid cooling and a graphite insert which forms a mold cavity and is mounted in the jacket. that the jacket and insert remain in contact at least in the area of the greatest heat transfer between insert and jacket at the casting temperature.
The method for operating the mold according to the invention is characterized in that molten metal is introduced into the upper end of the mold, the solidified product is withdrawn from the lower end of the mold, the jacket and the solidified, drawn-out product are cooled and the supply, the Pulling out and cooling take place at such a speed that a free surface of molten material is maintained in the mold and the upper edge of the crust he stiffening reaches directly up to the pour level.
The invention is illustrated in the examples and accompanying drawings which form a part of this specification. It goes without saying, however, that the examples and drawings serve the purpose of explanation and that the invention in its total scope is not restricted thereto.
In the drawings: FIG. 1 is a diagrammatic elevation, partially in cross section, illustrating a continuous casting process; Figure 2 is a view taken along line 2-2 of Figure 1 in the direction of the arrows; Fig. 3 is an enlarged cross section of a Ko kille; .
Figure 4 is a section taken on line 4-4 of Figure 3 in the direction of the arrows; Figure 5 is a diagrammatic cross-sectional view illustrating the first stage of the recommended method of assembling an oversized graphite core into a mold shell;
Fig. 6 is similar to Fig. 5 and shows the core partially inserted into the cladding; Figure 7 is similar to Figure 6, but shows the core fully inserted into the cladding; Fig. 8 illustrates a method for produc- ing the internal dimensions of the core in order to achieve a desired insert thickness.
With reference to the drawings and in particular FIGS. 1 and 2, the casting device will first be briefly described. In these drawings, the parts are shown largely diagrammatically for the sake of simplicity.
The device generally comprises a vertical mold 10, which can be a mold that can move up and down and is charged with molten metal from a furnace (not shown) through a feed line 11, which can consist of a metallic tube with graphite lining 12 . The strand enters the tank 13 from the bottom of the mold and passes through it.
The device can be seen below the tank 13 with powered rollers and a saw, not shown, to lower the casting speed with controlled Ge and cut the extracted strand into desired lengths.
The mold 10 generally consists of a water-cooled jacket 20 with a graphite insert 21. The mold can rest on an up and down movable frame, which is generally designated by nummer 22. The lifting mechanism can contain a set of four angle levers 23 which are mortised by means of pivot pins 24 to a fixed support. Tie rods 25 connect the angle lever pairs 23 and links 26 connect the same to the frame 22.
A motor 27 drives a crank 28 connected to the angle levers 23 by connecting rods 29.
The motor 27 can be such with a variable speed, or it can be another device to be provided to regulate the number of vertical strokes of the mold per minute of the available time. By adjusting the length of the lever arms or the eccentricity of the crank 28, the height of the stroke can be modified.
The water tank 13 can be provided in a position below the lower transition from the mold, however, close to the same inde pendently. A rubber seal 33 is provided which is too tight against the strand. When the strand emerges from the bottom of the tank, it is cooled sufficiently so that the rubber seal does not overheat.
The cooling water can be supplied to the water jacket through the supply pipe 34. The water enters the jacket through the tangentially arranged inflow opening 35. It passes through the mold on a circular path and exits at the bottom through the narrowed annular opening 36 which, due to its relatively small cross section in relation to the volume of the mold fed through the pipe 34 Water causes the water channel 37 in the jacket to remain filled with water.
The annular opening 36 directs the water emerging from the water jacket against the outer surface of the strand emerging from the bottom of the mold. The water then drips into the water tank 13, from which it is sucked through the pipe 38 at such a speed that a desired water level is maintained in the tank 13.
The advantage of this arrangement is that essentially no air has access to the strand until the latter emerges from the tank 13, where the casting is then sufficiently cooled to prevent or at least greatly reduce oxidation of the surface of the casting.
The mold will now be further described with reference to FIGS. 3 and 4. The mold 10 'corresponds to the mold 10, the jacket 20' to the jacket 20, the insert 21 'to the insert 21, and the inlet 35' to the inlet 35. The jacket 20 'is formed from an inner cylindrical part 41, inserted into the outer cylindrical jacket 42. The suitable manner (e.g.
B. by welding) the upper or lower part of the link 42 attached plates 43 and 44 serve as end flanges to form a water jacket between the links 41 and 42. The upper end part of the link 41 can be provided with a shoulder 45, which in turn has a flange part 46 which forms a closure and rests on a plate 43.
The lower outer edge of the part 41 can be beveled and provided by means of adjusting screws 47 with a gap to the chamfered inner edge of the plate 44 who the. Part 41 can be adjusted to determine the size of the annular opening 36; this latter is set to a smaller cross-sectional area than that of the inlet 35, where liquid is kept full by the cooling jacket.
The insert 21 'is pressed into the member 41 (under pressure) in a manner described in detail below. The lower edge of the pressed-in insert can abut the shoulder 48, with wel cher part 41 can be provided adjacent to its lower inner edge. The locking ring 49 can be mounted on the upper end of the mold using screws 50 which are screwed into plate 43. The ring 49 can, as shown, extend beyond the upper edge of the insert 21 'to help maintain the position of the insert and of the member 41 in the mold.
It should be noted that there is no substantial mutual impairment of the liquid-cooled part 41 by part 42 and plates 43 and 44 and adjusting screws 47 through expansion and contraction in the longitudinal and transverse directions, including thermal expansion and contraction. The preferred manner of mounting the insert in part 41 under the required pressure is shown in FIGS. 5-8. In these drawings too, the various parts are shown diagrammatically for the sake of simplicity.
In Fig. 5 is part 41 on the table 55 of a press and the graphite core 56 oversized is on top of said part, the axis of the core to that of the part 41 is aligned. The one outer lower edge of the core 56 or both, or the upper inner one. The edges of the part 41 can be appropriately beveled in order to help initiate the insertion of the core into part 41. The punch 57 of the press is then pressed against the top of the core.
Sufficient pressure is then applied to the press to press the core into part 41 until it is in the position shown in Figure 7; by inserting the core into part 41, as shown in Figure 6, it is compressed and its dimensions are reduced.
The size of the dimension A of the core 56 (see FIG. 5) is such that at the temperatures to which the graphite and part 41 in the mold are exposed under the usual casting conditions, the graphite on the part 41 is under compressive stress.
The entire length L of the core is preferably provided in oversize A. However, if ge wished, the core can be oversized only in part B of its length; this part B corresponds to that part of the later use in which the greatest heat transfer in the mold from the cast metal to the insert and from the latter to part 41 takes place.
The inner dimension C of the core (see FIG. 5) is such that a core thickness T is provided which is greater than that of the desired insert thickness after the core is inserted into member 41. The thickness T is selected in such a way that sufficient strength of the core is ensured so that the core is pressed into said part without breaking. After pressing in, the core is turned to the desired dimension D in order to achieve the insert thickness E, as shown in FIG.
As can be seen from this latter figure, this can be done by clamping the core mounted in part 41 in the clamping head 60 of a suitable lathe, after which the core is then turned with tool 61 to insert thickness E; In order to achieve the best casting results, this should be 2 to 3 mm thick.
The core 56 can be solid or hollow, consisting either of a whole piece or of segments and the insert made therefrom can therefore consist of one piece or of segments. However, it is particularly advantageous to produce an insert consisting of one piece from a correspondingly hollow core. Although the best results have been achieved with bolt molds with a circular insert surrounded by a circular jacket, molds of other shapes can also be used, in particular molds with inserts with a convexly curved outer surface which is in contact with a correspondingly concave one curved inner jacket wall.
Instead of the assembly method described with reference to FIGS. 5 to 7, the part 41 can also be composed accordingly of segments, the segments of this part being arranged around the core 56 and being able to be pulled tightly against the core to achieve the required compressive stress, although such a modified method is not preferable.
At the start of casting, a starter rod that fits into the dimensions of the mold cavity defined by the insert 21 can be inserted through the bottom of the tank 13 in FIG. 1 into the mold 10. Thereafter, the supply of cooling water into the jacket begins through the supply line 34 and of metal melt through the supply 11. The starting rod is pulled out as the metal begins to solidify.
The starting head can be provided with projections, such as a bolt, around which the forming strand solidifies, and thus welds to the starting head at the same time, so that the starting rod can pull the strand out of the mold.
When the process is carried out after the start has been made, molten metal is introduced into the mold at a speed which corresponds to the lowering speed of the strand in order to keep the metal level in the mold at the desired height.
Since heat is dissipated from the molten metal, the latter solidifies to form an edge crust X; as the strand emerges from the mold, the crust increases in thickness and rigidity until it detaches itself from the insert 21 at point Z due to the shrinkage of the solidified metal in the crust. Accordingly, the area of greatest heat transfer in the mold is limited to the area W of the insert between the uppermost part of the metal surface in the mold and point Z, since in this area the insert and the molten metal are in close contact with one another.
Below the point Z, the heat is transferred from the casting to the insert at a lower speed as a result of the loss of contact. In order to protect against the risk of liquid metal splashing as a result of the edge crust X being torn open, the lower end of the mold must be placed far enough away from point Z. The definition of this point and the size of the area e W depends on the speed with which the heat is dissipated from the casting, based on the casting speed.
In general, a mold with a length of more than about 13 cm is immune to this risk.
In each individual mold, the depth at which the sump of non-solidified metal Y extends into the strand is controlled by the casting speed, i. H. the slower the lowering speed of the line, the shallower the swamp and vice versa.
Any casting speed can be used, including both a speed that creates a shallow metal sump with the lowest point near the top of the mold and one at which the sump extends well beyond the lower edge of the mold. In general, however, and especially when casting seam-polarized copper, it is preferable to adjust the casting speed so that the lowest point of the sump of non-solidified metal is near the lower end of the mold.
The heat, which is dissipated from the cast metal through the mold, flows into the cooling water in the jacket 20 by passing through the insert 21 and the jacket wall 41; these two have a high thermal conductivity and allow a high rate of heat flow when they are in contact with each other.
However, if the contact between these two parts is reduced or interrupted, the heat flow is seriously impaired in that even an extremely small gap or gas layer has a remarkable insulating ability.
Any such impairment of the heat flow between the insert and the jacket has a very strong influence on the temperature drop through these parts and between them, and causes a large increase in the temperature of the insert surface that touches the potted metal.
It was previously believed that during the pouring of metal into the mold, contact between the insert and the wall 41, especially in the area of the greatest heat transfer of the mold, was not maintained, but instead was reduced or interrupted. It is believed that such a reduction or loss of contact is caused by a difference in the deflection of these two parts,
which due to the differing expansion coefficients of the same is sufficient to cause part 41 to bend away from the insert, although the temperature of the insert is higher than that of part 41. As a result, the heat flow in the mold is impaired and the Insert temperature becomes excessively high; This results in poorer surface properties of the casting and at the same time a reduction in the casting speed to be used in the individual molds.
On the other hand, contact between the insert and the jacket is maintained during the casting process, considering that the deflection of the insert is as great as that of part 41. The difference in thermal expansion of these two parts is compensated for by the deflection of the insert, since the pressure on it is reduced by the thermal expansion of part 41, so that the total deflection of the former part is as great as that of the latter. It is believed,
that this is the reason for the double gain of increased casting speed together with the improved surface properties achieved when carrying out the invention.
The mold can be used for casting any metal or alloy. It is very useful for casting metals such as steel, silver, nickel, aluminum, magnesium and especially copper. It is particularly useful for casting oxygen-containing copper, such as sewn-pole copper, in any desired size, and for casting bolts from oxygen-free, such as oxygen-free or phosphorus-deoxidized copper in large dimensions (i.e. greater than about 70 mm in diameter).
Up until now it had not been possible to successfully cast seam-polarized copper in large quantities and in the quality desired by the industry.
The term oxygen-containing copper as used herein is intended to include both seam-polarized copper and copper with a lower content of oxygen; it should include any copper in which the oxygen present is contained in such a form that it attacks the graphite insert when the operating temperature of the insert is excessively high.
On the other hand, the term oxygen-free copper as used herein is intended to include the types of copper known as phosphorus-deoxidized copper, both with high and low residual phosphorus content, as well as any other deoxidized copper such as lithium, boron, calcium, etc. deoxidized copper, as well as the types of copper known per se as oxygen-free copper. In other words, any copper in which no oxygen is available to attack the graphite insert at operating temperatures.
When casting is carried out, the mold should preferably be a mold that reciprocates with a suitable speed and suitable stroke, and the molten metal is introduced into the mold at such a speed that the metal level is held below the upper end of the mold. However, if desired, a fixed mold can be used. Likewise, the mold can be held filled with a metal column by z. B. the upper end of the mold is connected to the bottom of a suitable furnace, such as a holding furnace.
It is preferable that the supply pipe for the metal is kept immersed below the surface of the molten metal in the sump when casting both oxygen-containing copper and oxygen-free copper. In the case of oxygen-containing copper, however, the feed pipe can be omitted and the end of the mold, which is open at the top, can be charged with a freely falling metal flow.
When casting oxygenated copper, it is preferred to maintain a protective layer of individual particles of carbonaceous material such as flake graphite, lamp soot, powdered anthracite, etc. on the surface of the molten metal in the sump Y. On the other hand, a blanket of reactive carbonaceous material must not be used when casting oxygen-containing copper.
The casting speed can change according to the material to be cast in order to keep the temperature of the graphite insert at the right level in order to achieve good casting properties. In the case of oxygen-free copper, the maximum temperature of the graphite lining should be kept below 760 C. In the case of oxygen-containing copper, this temperature should be kept below 600 C.
The casting can be withdrawn from the mold at a steady rate or intermittently. A casting of unlimited length can be cast and then cut to the desired lengths after pulling out; this is the preferred method for relatively small formats. In the case of relatively large formats, however, it is preferable to stop pouring as soon as a desired length is achieved. This length is then removed from the mold and a new length is cast.
In any case, the length of the casting does not depend on the length of the mold and the term continuous casting, or a derivative thereof, applies to such methods.
The invention is further illustrated by the following examples: <I> Example 1 </I> A cylindrical graphite insert was inserted into a cylindrical copper jacket, as shown in FIGS. 5 to 8. The outer diameter of the graphite core (dimension A, FIG. 5) was 179 mm, its inner diameter (dimension C) 152 mm. The inner diameter of the copper jacket part 41 was 177.8 mm, its outer diameter 186.79 mm.
Contrary to expectations, it was found that the graphite core could easily be pressed into part 41 without breaking. After it was pressed into the shell in the position shown in Fig. 7, the inner surface of the core was turned out as shown in Fig. 8 to obtain an insert with an inner diameter of 171.3 mm.
This assembly was then heated from room temperature 28C to 199C. At the latter temperature, the insert was still close to part 41.
<I> Example II </I> A cylindrical graphite insert was inserted into a cylindrical copper jacket, as illustrated in FIGS. 5 to 8. The outer diameter of the graphite core (dimension <B> A </B> FIG. 5) was 178.2 mm, its inner diameter (dimension C) 152 mm. The inner diameter of the copper jacket part 41 was 177.77 mm, its outer diameter 196.95.
Contrary to expectations. it was found that the graphite core could easily be pressed axially into part 41 without breaking. After it had been pressed into the Man tel in the position shown in Fig. 7, the inner surface of the core, as shown in Fig. 8, turned out to target an insert with an inner diameter of 171.3 mm.
This assembly was then heated from room temperature to 163C. At the latter temperature, the insert was still fully fitted to part 41.
Example <I> 111 </I> The cylindrical graphite insert 21 'and the cylindrical copper jacket sleeve 41 were assembled by the above-described shrink-on process. Before assembly, the outer diameter of the graphite insert was 220.88 mm; .Its clear width was 206.3 mm; the inner diameter of the copper jacket sleeve was 220.35 mm and the outer diameter of the jacket sleeve 228.65 mm.
For assembly, the copper sleeve 41 was heated to a temperature of about 205 to 232 ° C. while the insert was kept at room temperature. The insert was then inserted lightly into the expanded jacket and the jacket was allowed to cool. The jacket sleeve shrunk tightly onto the inserted insert, so that good surface contact between these parts was maintained during the casting process described below.
An indication of the pressure generated between the contacting surfaces of the copper sleeve and the graphite insert is given by the fact that after assembly and cooling, the outer diameter of the copper sleeve was 228.70 mm, i.e. an expansion of 0.05 mm while the inner diameter of the insert was 205.81 mm and showed a compression of 0.48 mm. The insert thickness was 7.29 mm.
The inner insert surface of the assembled jacket was not turned out; Their dimensions corresponded to the casting of a bolt with a diameter of about 203 mm.
If desired, the copper sleeve for the assembly of the copper sleeve and the insert may be heated to a temperature above the above, and the outer diameter of the insert before assembly may be of an even greater oversize, so that the press fit creates an even greater pressure between the contacting ones Can produce surfaces.
<I> Example IV </I> This example relates to the casting of tough polar copper. An insert and shell assembly was made as described in Example I. This assembly was inserted into a mold which is drawn approximately to scale in FIGS. 3 and 4. The length of the mold was 250 mm.
The mold made in this way was used in the continuous casting system shown in FIG. 1 for the continuous casting of viscous copper.
Molten, tough-polar copper was fed to the mold from the forehearth of a holding furnace through a feed line (11, FIG. 1) with an outlet diameter of 5.5 mm. The mold was a reciprocating mold with a frequency of about 60 cycles per minute and a stroke of about 4 mm. The cooling water of ordinary temperature (about 28 C) circulated through the passage 37 of the mold.
The casting and lowering speed of the cast strand was regulated so that the level of the molten metal in the mold was kept about 25 mm above the upper edge of the graphite insert. The top edge of the marginal crust formed by the solidifying metal was held at roughly the surface of the molten metal.
The molten metal sump surrounding the course seemed to stretch out to the lower end of the mold, and the insert 21 remained snugly against part 41 during the entire casting process.
A bolt of tough poled copper was cast at a rate of 2 tons per hour, the strand being cut into suitable lengths after it emerged from the tank 13. The surface of the casting was smooth and free of annular folds and overlaps. The smoothness of the surface was such that in the main no water could leak through the rubber seal 33 in the bottom of the water tank 13.
There was no noticeable reduction in the thickness of the insert - even after a considerable period of use of the mold; this fact indicates that the use of the oxygen contained in the copper has not been attacked.
<I> Example V </I> The following example relates to the casting of copper deoxidized with phosphorus. An assembly of jacket and insert was made according to Example II. This assembly was inserted into a in Fig. 3 and 4 approximately to scale gezeich designated mold. The length of the mold was 250 mm. This mold was used in the continuous casting system shown in FIG. 1.
The mold was operated with a stroke of about 4 mm in height and a stroke rate of about 60 cycles per minute. Cooling water of ordinary temperature circulated through the channel 37 of the mold.
Melted copper deoxidized with phosphorus was fed from the forehearth of a holding furnace through the feed line 11 (FIG. 1) with an outlet diameter of about 5.1 mm to the mold.
The casting and lowering speed of the cast strand was regulated so that the level of the metal melt in the mold was kept about 25 mm above the upper edge of the graphite insert. The upper edge of the marginal crust X formed by the solidifying metal was held at roughly the surface of the molten metal. The sump seemed to extend approximately to the lower end of the mold, and the insert 21 remained snugly against the sleeve 41 during the entire casting process.
The feed pipe 11 was kept immersed under the level of the molten metal in the sump and a blanket of graphite flakes was placed on the surface of the molten metal.
The cooling and pouring conditions were regulated in such a way that the hottest part of the insert was kept at a temperature below about 760 ° C. A billet deoxidized with phosphorus was continuously cast at a rate of 2 tons per hour. The surface of the casting was smooth and free of annular folds and overlaps. The smoothness of the surface was such
that mainly no water leaked through the rubber seal 33 in the bottom of the water tank 13. There was no noticeable reduction in the thickness of the insert - not even after a considerable period of use of the mold.
<I> Example </I> V1 The following is another example of the casting of viscous copper. The jacket and insert were assembled as described in Example III. The assembly was inserted into the mold as shown in FIGS. 3 and 4. The length of the mold was about 254 mm. The mold was used for continuous casting according to the information in FIG.
The mold was operated ben with a stroke of 4 mm, at a number of strokes of 60 cycles per minute. Cooling water at ordinary temperature circulated through the mold.
From the forehearth of a holding furnace, molten tough-polar copper was fed through the feed line 11 (FIG. 1) with an outlet diameter of about 17.6 mm to the mold. The pouring and lowering speeds of the cast bolt were controlled so that the level of molten metal in the mold was maintained about an inch below the top edge of the graphite insert. The upper edge of the marginal crust formed by the solidifying metal was held approximately on the surface of the molten metal.
The sump seemed to stretch to about the lower end of the mold and the insert 21 remained snug against the sleeve during the entire casting process.
The feed pipe 11 was kept immersed under the level of the molten metal in the sump, but no floating blanket of any kind was placed on the exposed surface of the molten metal in the sump.
The cooling and casting conditions were regulated in such a way that the hottest part of the insert was kept at a temperature below about 600 C. The surface of the cast bolt was smooth and free of annular folds and overlaps. The smoothness of the surface was such that no water mainly leaked through the rubber seal 33 in the bottom of the water tank 13. Even after a considerable period of use of the mold, no noticeable reduction was found in the thickness of the insert.
The temperature of the graphite insert can be measured in any desired and appropriate manner. For example, to measure the temperature of an insert 7.29 mm thick, as in Example 11, a 1.59 mm diameter hole was made vertically in the top edge of the graphite insert along the insert and through the middle of the insert - set thickness drilled through; a thermocouple was inserted into such a hole and moved up and down to measure the temperature along the insert.
In this way, the hottest point on the insert was measured. The maximum temperature usually occurs in the areas indicated by W in Fig. 1 be. It should be noted that with an insert of the above thickness the distance between the hole and the casting surface of the insert is approximately 2.59 mm.
The exact thickness of the lining is not particularly important within the following limits. The insert should be thin enough to accommodate any irregular changes in the shape of the copper jacket sleeve, caused by expansion under casting conditions, and yet thick enough to allow sufficient mechanical pressure against the jacket as a result of the pressure fit described above produce. The exact thickness of the copper sleeve 41 is not critical as long as it is strong enough to withstand the pressure created by the press fit of the insert.
Experience has shown that the insert thickness can range from 2.03 or 3.05 mm up to 7.29 mm and more in the case of molds with an inner diameter in the range of approximately 76 to 254 mm. If more material is provided, then the thicker inserts make it easier to drill out the hole along the insert downwards from its upper edge in order to receive the thermocouple as described above.
The pressure fit between the insert and the jacket can be achieved either through the press fit or shrink fit described above. Regardless of the type of assembly, the mold made from it has excellent heat transfer from the insert to the jacket.
The pressure seat creates a device in which the insert is under pressure from its circumference and the jacket is under circumferential tension. The natural elasticity of the walls of the jacket and lining, which are uniform over the entire circumference, creates this pressure pre-tensioning without the need for tools such as springs to generate tension.
The oversized insert acts by exerting its expansion pressure towards the jacket, like a uniformly distributed radial pressure against the jacket, and ensures that the insert and jacket are constantly lying on top of each other under the conditions that occur during casting. An excellent uninterrupted thermal path from the insert to the jacket is maintained.
This enables a very high rate of heat extraction, compared with the heat extraction option of an all-metal mold, and thereby retains the self-lubricating activity of the graphite.
It should also be noted that the present mold is primarily a metal mold and not a graphite mold in which the relatively strong metal shell provides mechanical strength and reinforcement for the relatively thin, fragile insert.
While certain novel features of the invention have been revealed herein, and while it has been pointed out in the appended claims, it should be understood that various omissions, substitutions, and changes can be made by those skilled in the art without departing from the spirit of the invention.