Verfahren und Vorrichtung zum Stranggiessen von Metallen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Stranggiessverfahren von Metallen, bei dem das Giessgut unter Verwendung von gegenüber der zu stranggiessenden Schmelze nicht beständigen, rohrförmigen Graphit Stranggiess-Formen aus einem Vorratsgefäss für das Giessgut abgezogen wird, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Das zuerst von Siegfried Junghans mit Erfolg in die Technik eingeführte Stranggiessverfahren arbeitet mit metallischen Kokillen, in die das Giessgut in freiem Strahl fortlaufend eingegossen wird. Die American Smelting and Refining Company hat das Verfahren unter Verwendung von Graphitkokilien dahin abgewandelt, dass das Giessgut direkt aus einem Warmhalteofen abgezogen wird, ohne mit der Luft in Berührung zu kommen, wodurch eine Oxydation des Metalls weitgehend vermieden wird und geringere Abmessungen gegossen werden können als nach dem Junghans-Verfahren.
Jedoch konnte man bisher nur solche Metalle mit gutem Erfolg giessen, die die Graphitformen nicht oder nur ganz schwach angreifen, unabhängig davon, ob der Angriff chemisch durch im Metall gelöste Metailoide.
wie z. B. Sauerstoff, oder suspendierte Metallverbindungen, wie z. B. Oxyde, oder physikalisch durch Auflösung des Graphits in dem flüssigen Metall geschieht.
Solche aggressiven Metalle weiten die Oraphitforin oberhalb und innerhalb der Erstarrungszone mehr oder weniger schnell auf, wodurch sich in der Erstarrungszone ein Pfropfen aus Metall bildet, der durch den nicht aufgeweiteten Teil der Graphitform unterhalb der Er staruungszone nicht mehr durchgezogen werden kann und dadurch den Strang zum Abreissen bringt.
Dieser überstand wird durch das Verfahren nach der Erfindung vermieden. Das Verfahren ist gekennzeichnet durch laufendes Vorschieben eines die Stranggiessform bildenden Graphitrohres während des Stranggiessens im Gegensinne des Austretens des Stranges und Nachschieben eines Graphitrohres oder im diskontinuierlichen Verfahren Erneuern des Graphitrohres nach dem Stranggiessen.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens.
Im folgenden werden bevorzugte Aus±ührungsfor- men des erfindungsgemässen Verfahrens und Voirichtungen zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens unter laufender Erneuerung der Graphit Stranggiess-Form unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnunge zeigen:
Abb. 1 das Prinzip einer bevorzugten Ausführungsform und eine Vorrichtung zum Erneuern der Graphitform während des Betriebes gemäss der Erfindung,
Abb. 2 eine Abwandlung der Ausführungsform nach Abb. 1 zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens im kontinuierlichen Betrieb.
Bei der Ausführungsform nach Abb. 1 ist im Boden des Tiegels 1 im Warmhalteofen, der auf dem Untersatz 2 steht, ein Graphitstopfen 3 mit seinem oberen konischen Teil eingekittet. In seinem unteren mit Gewinde versehenen Teil ist er in eine Kupferhülse 4 eingeschraubt, die ihrerseits wasserdicht in den Kühlmantel 5 eingelötet ist. Zur Wärmeisolation ist der (glühende) Tiegel 1 gegen den (kalten) Kühlmantel 5 mittels einer Einlage 6 aus Asbest oder einem ähnlichen feuerfesten Isoliermittel abgeschirmt.
In den Kühlmantel 5 wird durch die Rohre 7 und 8 Kühlwasser zu- bzw. aus ihm abgeleitet.
In dem Graphitstopfen 3 und der Kupferhülse 4 sitzt ein in ihr gleitendes Graphitrohr 9. Da Graphit besser auf Kupfer als wiederum auf Graphit gleitet, wird der Sitz für das Graphitrohr soweit wie möglich aus Kupfer hergestellt und nur der der Hitze ausgesetzte Stopfen 3 aus Graphit. Statt aus Graphit kann der Stopfen 3 auch aus einem keramischen feuerfesten Stoff hergestellt werden. Es ist vorteilhaft, den Graphitstopfen 3 aussen mit einem keramischen Schutzrohr zu umgeben, um ihn vor dem Verbrennen zu schützen.
Während der in dem Graphitrohr 9 aus dem in dem Tiegel stehenden flüssigen Metall in der Erstarrungs zone kurz oberhalb des Kühlmantels 5 sich bildende Metallstrang 10 mittels der Abziehwalzen 11 nach unten abgezogen wird, wird gleichzeitig das Graphitrohr 9 mittels des Gewinderohres 12 nach oben P schoben. Die Aufwärtsbewegung des Gewinderohres 12 wird mit Hilfe einer auf der Längsachse angeordneten drehbaren Mutter 13 bewerkstelligt, die ihrerseits von einem Getriebemotor 14 langsam gedreht wird. Das Gewinderohr kann auch auf andere Weise, so z. B.
durch seitlich angreifende Zahnräder, nach oben geschoben werden.
Der Metallstrang 10 wird kontinuierlich oder in an sich bekannter Weise schrittweise abgezogen, wobei - wie üblich - die Länge der Schritte und die Dauer der Pausen entweder elektrisch, z. B. mit Hilfe einer von einer Schaltuhr gesteuerten Magnetkupplung, oder mechanisch, z. B. mit Hilfe eines Pendelbetriebes (Exzenter mit Freilauf im Rückwärtsgang) gesteuert werden. Statt eines Walzenpaares kann man zum Abziehen des Stranges auch andere bekannte Vorrichtungen benutzen, z. B. auf einem pneumatisch oder hydraulisch hin und her bewegten Schlitten sitzende pneumatisch oder hydraulisch betätigte Backen.
Anstelle des Gewinderohres 12 nebst der von dem Getriebemotor 14 angetriebenen Mutter 13 kann auch eine hohle Zahnstange verwendet werden, welche von einem entsprechenden Getriebemotor über ein Ritzel bewegt wird. Statt des elektrischen Antriebes beim Schieben des Graphitrohres 9 kann auch ein pneuma- tischer oder ein hydraulischer Antrieb benutzt werden.
Dabei wird anstelle des Gewinderohres 12 ein glattes Rohr verwendet, welches in den pneumatischen oder hydraulischen Kolben eingesetzt wird.
Von diesen Möglichkeiten macht man zweckmässi- gerweise Gebrauch, wenn der Metallstrang 10 einen nicht kreisförmigen Querschnitt haben soll.
Bei allen Konstruktionen sollte für eine ausreichende Kühlung gesorgt werden, damit die beweglichen Teile nicht durch die Hitze, die von dem glühenden Strang abstrahlt, beschädigt werden.
Anstelle eines Tiegelofens, der mit Gas oder Öl gefeuert oder durch elektrische Widerstände beheizt wird, kann auch ein Wannen ofen als Warmhalteofen dienen, der vorzugsweise elektrisch beheizt wird, und zwar induktiv oder durch Widerstand, z. B. einen stromdurchflossenen Graphitstab. In diesem Fall wird der Graphitstopfen 3 statt in den Boden des Tiegels 1 in den Boden der Schmelzwanne eingesetzt. Eine we sentliche Änderung der übrigen Anordnung ergibt sich dadurch nicht. Bei der in der Abb. 1 dargestellten Anordnung kann das Graphitrohr 9 nur so lange nach oben geschoben werden, bis das Gewinderohr 12 an die Kupferhülse 4 anschlägt. Während der Erneuerung des Rohres muss das Stranggiessen unterbrochen werden.
Wie weiter unten noch näher ausgeführt wird, genügt die Anordnung nach Abb. 1 in vielen Fällen, zumal man durch entsprechende Wahl der Länge des Gewinderohres 12, des Abstandes zwischen der Getriebemutter 13 und der Kupferhülse 4 sowie der Länge des Graphitrohres 9 einen gewissen Spielraum für die Strecke, über die sich das Graphitrohr 9 schieben lässt, hat. Immerhin lässt sich auf diese Weise nur ein diskontinuierlicher Betrieb erreichen.
Für einen kontinuierlichen Betrieb über Tage, Wochen oder sogar Monate eignet sich besonders eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung, wie sie in der Abb. 2 im Prinzip dargestellt ist. Sinn einer solchen Ausführungsform ist es, eine Möglich keit zu schaffen, um ein neues Graphitrohr 15 hinter das verbrauchte Graphitrohr 9 einzusetzen, ohne dass das Abziehen des Metallstranges 10 unterbrochen wird.
Das wird dadurch erreicht, dass unterhalb der Abziehwalzen 11 noch weitere Abziehwalzen 16 und gegebenenfalls 17 angeordnet werden. Die Abziehwalzen 11 und 16 sind mit Ansteilvorrichtungen 18 und 19 ausgestattet, welche ein rasches Öffnen und Schliessen der Walzen gestatten; diese werden zweckmässig hydraulisch, pneumatisch oder mittels Motor betätigt. Der Abstand der beiden Abziehwalzen 11 und 16 von einander wird so bemessen, dass' zwischen ihnen das neue Grpahitrohr 15 samt dem Gewinderohr 12 Platz hat.
Das Einführen des neuen Graphitrohres 15 geht in folgender Weise vor sich: Sobald das Gewinderohr 12 den Anschlag an der Kupferhülse 4 erreicht hat, wird die Bewegung der Mutter 13 mittels des Getriebemotors von langsamem Aufwärtsgang auf schnellen Abwärtsgang umgeschaltet. Um die erforderlichen gro ssen Unterschiede in der Geschwindigkeit zu erzielen, kann man statt mit nur einem Getriebemotor 14 auch mit zwei Motoren arbeiten, die z. B. an die Spindel eines Getriebes, welches die Mutter 13 antreibt, wechselweise rechts und links angeflanscht werden können.
Der Motor für Iden Aufwärtsgang ist ein langsam laufender Getriebemotor, der für den Abwärtsgang ein schnellaufender normaler. Aber auch durch nur zeitweises Einschalten des Getriebemotors für den Aufwärtsgang mit Hilfe einer Schaltuhr kann man die Geschwindigkeit des Aufwärtsganges in weiten Grenzen variierten. Das alles spielt bei dem weiter unten zu besprechenden Verfahren zum Stranggiessen gemäss der vorliegenden Erfindung eine Rolle.
Hier soll zunächst nur von dem Abwärtsgang die Rede sein. Das Gewinderohr 12 wird im schnellen Abwärtsgang so lange nach unten bewegt, bis es in freiem Fall aus der Mutter 13 herausfällt. Hierbei wird es oberhalb der Abziehwalzen 11 von einem Paar Federn 20 aufgefangen. Diese Federn 20 sind mit den Kontakten einer Schaltuhr verbunden, die durch den Aufprall eingeschaltet wird und nun nacheinander folgende Schaltvorgänge auslöst:
1. Die Anstellvorrichtung 19 schliesst die Abziehwalzen 16.
2. Die Abziehwalzen 16 werden eingeschaltet und übernehmen das Abziehen des Metalistranges 10.
3. Die Abziehwalzen 11 werden ausgeschaltet.
4. Die Anstellvorrichtung 18 öffnet die Abziehwalzen 11, wodurch gleichzeitig die Federn 20 so weit auseinandergehen, dass das Gewinderohr 12 weiterfallen gann.
Bei diesem Fall wird das Gewinderohr 12 nunmehr wiederum von einem Paar Federn 21 aufgefangen, die ihrerseits nacheinander folgende Schaltvorgänge auslösen:
5. Die Anstellvorrichtung 18 schliesst die Abziehwalzen 11.
6. Die Abziehwalzen 11 werden eingeschaltet und übernehmen das Abziehen des Metalistranges 10.
7. Die Abziehwalzen 16 werden ausgeschaltet.
8. Die Anstellvorrichtung 19 öffnet die Abziehwal zen 16, wodurch gleichzeitig die Federn 21 so weit auseinandergehen, dass das Gewinderohr 12 nochmals weiter fallen kann.
Bei diesem Fall wird das Gewinderohr 12 von einem Paar Federn 22 aufgefangen, die jedoch im Ge gensatz zu den beiden oberen Paaren keinen Schaltvorgang auslösen. Vielmehr kann nun der Metallstrang 10 oberhalb des Gewinderohres 12, aber unterhalb der Abziehwalzen 16, z.B. mit einer Säge, einer Schere oder einer Trennscheibe abgeschnitten werden. Der Abstand zwischen dem oberen Ende des Gewinderohres
12 und den Abziehwalzen 16 wird so gross bemessen, dass der vorrückende Metallstrang 10 abgeschnitten werden kann, bevor die Schnittstelle in das Gewinderohr 12 eintaucht.
Wenn man den Metallstrang 10 lediglich in gerade Stangen abzuschneiden wünscht, so wird das abgeschnittene Ende nach beendetem Schnitt durch das Gewinderohr 12 nach unten fallen und es so ermöglichen, das Gewinderohr 12 wegzunehmen, ein neues Graphitrohr 15 über den Idurch die geöffneten Al > ziehwalzen 16 weiter nachrückenden Metallstrang 10 überzustreifen, alsdann das Gewinderohr 12 nachzusetzen und ebenfalls über den Metallstrang 10 überzustreifen.
Dieses Vorgehen ist nicht ohne weiteres möglich, wenn der Metallstrang 10 nich in gerade Stangen geschnitten, sondern zu einem Ring aufgerollt werden soll. In diesem Fall kann man unterhalb der Auffangfedern 22 noch ein Idrittes Paar Abziehwalzen 17 anordnen, welches den abgeschnittenen Metallstrang 10 mit erhöhter Geschwindigkeit abzieht und mit Hilfe der Einrolivorrichtung 23 einrollt und auf den Stapel 24 fallen lässt. So wird der Platz zwischen den Abziehwalzen 16 und den Auffangledern 22 freigemacht, um nun in gleicher Weise wie oben beschrieben ein neues Graphitrohr 15 und das Gewinderohr 12 über den langsam nachrückenden Metallstrang 10 überstreifen zu können. Der abgeschnittene Metallstrang kann aber auch seitlich weggerückt werden.
Das neue Graphitrohr 15 nebst dem Gewinderohr 12 wird nun in folgender Weise wieder nach oben gerückt, damit das neue Graphitrohr 15 den Anschluss an das alte Graphitrohr 9 findet: Das Gewinderohr 12 mit dem darüber stehenden Graphitrohr 15 wird durch die geöffneten Abziehwalzen 16 bis oberhalb der Federn 21 gehoben. Dann werden die Abziebwalzen 16 mittels der Anstellvorrichtung 19 geschlossen und übernehmen nun das Abziehen des Metallstranges 10.
Nun können die Abziehwalzen 11 mittels der Anstellvorrichtung 18 geöffnet und das IGraphitrohr 15 nebst dem Gewinderohr 12 hindurchgeschoben werden, bis das Gewinderohr 12 von der Mutter 13 erfasst wird, weiche nun die weitere Aufwärtsbewegung in dem gewünschten langsamen Tempo übernimmt.
Das afte Graphitrohr 9 und das neue Graphitrohr 15 stossen stumpf aneinander. Ist die Nahtstelle sauber planparallel gedreht, dann ist es im lalllgemeinlen nicht notwendig, sie durch einen Kitt zu verbinden. Vielmehr hat es sich gezeigt, dass die vorrückende Stossstelle in den meisten Fällen rauch so die Erstarrungszone des Metallstranges ohne irgendwelche Anstände durchläuft.
Damit das Graphitrohr 9 in der Zeit, während es nicht mehr von dem Gewinderohr 12 abgestützt wird, nicht von dem nach unten gleitenden Metalistrang 10 mitgeführt wird, wird es zweckmässig während des Einführens des neuen Graphitrohres 15 durch eine Sperre 25 in seiner Lage festgehalten.
In der beschriebenen Weise kann ein neues Graphitrohr nach dem anderen eingeschoben werden, ohne dass das Abziehen des Metallstranges unterbrochen wird.
Dadurch ist ein kontinuierlicher Betrieb gewährleistet.
Das Wesen der Erfindung wird nicht geändert, wenn man das vorstehend für eine vertikale Anlage be schriebene Prinzip unter entsprechenden Abwandlungen auf eine horizontalt Anlage anwendet.
Wie schon oben erwähnt, dient die Vorrichtung nach Abb. 1 vorzugsweise für einen diskontinuierlichen Betrieb, die nach Abb. 2 für einen kontinuierlichen.
Die Grenze zwischen beiden Betriebsformen ist nicht scharf, denn der eine Betriebsmann wird ein ununterbrochenes Giessen über 5 Tage und Nächte bereits als kontinuierlich bezeichnen, der andere noch als diskontinuierlich. Beim diskontinuierlichen Arbeiten lässt man den Warmhalteofen leer laufen, um das Stranggiessen zu unterbrechen. Das hat zur Folge, dass die noch glühende Graphitform innen mit der Luft in Berührung kommt und durch die eintretende Verbrennung so weit zerstört wird, dass man sie nicht wieder benutzen kann. Die Erneuerung kostet einen erheblichen Aufwand an Zeit und Geld.
Hier bietet die Vorrichtung nach Abb. 1 einen wesentlichen Vorteil. Es ist lediglich notwendig, das Graphitrohr 9 vor dem erneuten Anfahren der Anlage mit Hilfe des Gewinderohres 12 ein Stück nach oben zu schieben, um das durch die Verbrennung beschädigte Stüak durch ein unversehrtes zu ersetzen. Damit das auf diese Weise über den Graphitstopfen 3 heraustretende Ende des Graphitrohres 9 nicht zu hoch in die darüber stehende Metallschmelze eintaucht und dadurch den Zufluss des Metalls womöglich abschneidet, ist es zweckmässig, das Graphitrohr 9 in passende Längen zu unterteilen. Man lässt diese - wie beschrieben stumpf aneinanderstossen; sobald ein Teilstück nun den Graphitstopfen 3 verlassen hat, wird es obenauf sohwimmen und so der Schmelze den Weg freigeben.
In Ider Zeit während des Stillstandes der Anlage kann man das Gewinderohr 12 herausschrauben und das benötigte Teilstück des Graphitrohres 9 nachsetzen. Im übrigen braucht man das Graphitrohr 9 während des Betriebes nicht aufwärts zu schieben, wenn man ein Metall vergiesst, das die Graphitform nicht oder nur ganz schwach angreift. Solche Metalle sind z. B. Zinnbronze, Messing und Neusilber.
Anders werden die Verhältnisse, wenn man stark angreifende Metalle vergiessen will oder rauch, wenn man mit schwach angreifenden einen länger dauernden Betrieb erreichen will. In diesen Fällen muss man das Graphitrohr während des Betriebes aufwärts schieben und auf diese Weise stetig erneuern.
Die Geschwindigkeit des Schiebens richtet sich hierbei nach der Stärke des Angriffs. Wird ein schwach angreifendes Metall, wie z. B. Messing oder Neusilber vergossen, so braucht man nur ganz langsam oder schrittweise in grösseren Zeitabständen zu schieben.
Wird jedoch stark angreifendes Metall, wie z. B. eine Nickel- oder Eisenlegierung vergossen, sir muss man entsprechend schneller schieben. Die erforderliche Mindestgeschwindigkeit hält sich jedoch überraschenderweise in durchaus erträglichen Grenzen. Denn es hat sich gezeigt, dass das flüssige Metall in dem oberen Ende des Graphitrohres bei dem langsamen Abziehen des Stranges rein laminar strömt. Dadurch bildet sich an dre Grenze zwischen dem Graphit und dem flüssigen Metall eine dünne Grenzschicht, in der das Metall mit dem Graphit chemisch und physikalisch im Gleiche wicht steht.
Da diese Grenzschicht bei laminarer Strömung nicht mit dem übrigen Metall vermischt wird, schliesst sich die Hauptmasse des flüssigen Metalls gegen die Einwirkung des Graphits ab, diese kommt infolgedessen nicht ins Gleichgewicht und kann daher den Graphit nicht angreifen.
Als Beispiel sei angeführt, dass beim Vergiessen einer Kupfer-Nickel-Legierung mit 55 % Kupfer und 45 , Nickel zu einem Strang von etwa 20 mm °) bei eier Temperatur von 1400n C im Wärmehalteofen und bei einer Giessgeschwindigkeit von 25 bis 50 kg/Stunde, insbesondere 40 kg/Stunde, eine Schiebegeschwindigkeit von etwa 15 mm/Stunde ausreicht, um einen einwandfrei verarbeitbaren Strang im Dauerbetrieb zu erhalten. Das bedeutet, dass pro Tag nur eine Länge von 360 mm des Graphitrohres nachgeschoben zu werden braucht. Der erhaltene Strang hat dabei nur etwa 0,03 % Kohlenstoff aufgenommen, obwohl die Legie rung bei 14000 C nicht weniger als 0,5 S Kohlenstoff in Lösung aufzunehmen vermag.
PATENTANSPRUCH 1
Verfahren zum Stranggiessen von Metallen, bei dem das Giessgut unter Verwendung von gegenüber der zu stran ggiessenden Schmelze nicht beständigen, rohrförmigen Graphit-Stranggiess-Formen aus einem Vorratsgefäss für das Giessgut abgezogen wird, gekennzeichnet durch laufendes Vorschieben eines die Stranggiessform bildenden Graphitrohres während des Strang,giessens im Gegensinne des Austretens des Stranges und Nachschieben eines Graphitrohres oder im diskontinuierlichen Verfahren Erneuern des Graphitrohres nach dem Stranggiessen.
UNTERANSPRÜCHE
1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass das verbrauchte Graphitrohr nach dem Stranggiessen erneuert wird.
2. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verbrauch des die Stranggiess- form bildenden Graphitrohres während des Stranggiessens ein neues Graphitrohr nachgeschoben wird.
3. Verfahren nach Patentanspruch I, oder einem der Unteransprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit des Vorschiebens des Graphitrohres je nach der Aggressivität der Metallschmelze mindestens so hoch bemessen wird, dass in der Erstarrungszone des Metallstranges keine zum Abreissen des Metallstranges führende Aufweitung des Graphitrohres eintritt.
4. Verfahren zum Stranggiessen gemäss Unteranspruch 3, gekennzeichnet durch ein Verhältnis der Giessgeschwindigkeit zur Vorschiebegeschwindigkeit bei einem Strangdurchmesser von etwa 20 mm im Bereich von etwa 25-50 kg/Stunde zu etwa 15 mm pro Stunde bei einer Kupfer-Nickel-Legierung 55/45.
PATENTANSPRUCH II
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch I, gekennzeichnet durch ein in einem Graphitstopfen (3) und einer Kupferhülse (4) gleitbar geführtes entgegen der Fliessrichtung des von Abziehwalzen (11) oder einer pneumatisch oder hydraulisch betätigbaren Vorrichtung abgezogenen Metalistranges (10) mit einer einstellbaren Geschwindigkeit schiebbares Graphitrohr (9).
UNTERANSPRÜCHE
5. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass das Graphitrohr von einer in Längsrichtung des Metallstranges bewegbaren Stütze (12) gehalten wird.
6. Vorrichtung nach Patentanspruch II oder Unteranspruch 5, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von zum Abziehen des Metallstranges ein- und ausrückbaren Abziehwalzenpaaren (11, 16 und gegebenenfalls 17) vor und hinter dem das Graphitrohr (9) ersetzenden Graphitrohr (15).
**WARNUNG** Ende DESC Feld konnte Anfang CLMS uberlappen**.