DE1109841B - Kokille - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Kokillen aus Gußeisen zum Gießen von vollwandigen Blöcken bzw. Barren aus Stahl oder anderen Eisenlegierungen. Wegen der hohen Temperatur des Stahls im Zeitpunkt des Gießens sind die Kokillen einer erheblichen stoßweisen thermischen Beanspruchung unterworfen, die sich bei jedem Gießen wiederholt. Das Unbrauchbarwerden und die Notwendigkeit des Abwerfens einer Kokille wird insbesondere dadurch bedingt, daß auf ihrer Innenfläche Risse und/oder Spalten auftreten. Diese Mängel machen sich normalerweise nach einer erheblichen Zahl von Güssen bemerkbar. In manchen Fällen beginnt jedoch die Rißbildung schon bei den ersten Güssen und bedingt dann das unmittelbare Abwerfen der Kokille.

Es ist üblich, die Leistung einer Kokille durch die Anzahl von Tonnen Stahl auszudrücken, die in ein und derselben Kokille bis zu deren Unbrauchbarwerden vergossen worden sind. Hieraus ergibt sich ein besonderer Begriff — der Verbrauch an Kokillen je Tonne Stahl. Die Wertzahl dieses Verbrauches wird dadurch erhalten, daß das Gewicht der Kokille in Kilogramm durch die Gesamtzahl der Tonnen an vergossenem Stahl geteilt wird. Je kleiner diese Zahl ist, um so besser ist die Leistung der Kokille.

Ein anderer dem Stahlwerker geläufiger Begriff

ist das Verhältnis — des Gewichts der Kokille zu dem P

des Blockes, wobei P das Gewicht der Kokille und ρ das des Blockes ist.

Dieses Verhältnis kann auch als Funktion des Volumens F₁ des Metalls der Kokille zu dem Innenvolumen F₂ der Kokille, in das der Stahl gegossen wird, ausgedrückt werden.

Anmelder:
Compagnie de Pont-ä-Mousson

Societe anonyme,
Nancy (Frankreich)

Vertreter: Dipl.-Ing. R. H. Bahr

und Dipl.-Phys. E. Betzier, Patentanwälte,

Herne, Freiligrathstr. 19

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 28. Juni 1956

Es ist

P=F₁

wobei d_x das spezifische Gewicht des Gußeisens im Mittel 7,15 ist.

Ferner gilt die Beziehung

ρ = F₂ · d₂ ■ K,

wobei d₂ das spezifische Gewicht des flüssigen Stahls und K der Füllkoeffizient der Kokille ist. Wenn, wie üblich, die Kokillen zu neun Zehntel ihres Innenvolumens gefüllt werden, beträgt K also 0,9.

Bei einem spezifischen Gewicht des geschmolzenen Stahls von 7 ergibt sich dann

ρ = F₂ · 7 · 0,9 = 6,3 F₂.

Das Verhältnis — ergibt sich dann rechnerisch wie P

folgt:

JL = R ⁷»^1S ₌Ti35^Ki
ρ F₂' 6,3 ' F₂"

Das Verhältnis von -y- ermöglicht es also, die mittlere

Wandstärke der Kokille zu berechnen.

Aus einem allgemeinen Bericht des Institut de

Recherches Siderurgiques (IRSID) über die in den Stahlwerken verwendeten Gußeisenkokillen, der im September 1954 veröffentlicht worden ist, ergibt sich,

daß das Verhältnis — im allgemeinen größer als 1 ist.

(Dieses gegebene Verhältnis entspricht unter den üblichen Verwendungsbedingungen der Kokillen einem Verhältnis^- = 0,88). Mit anderen Worten ist die

Kokille schwerer als der Block, der in ihr gegossen werden soll.

Die Erfahrungen lehren ferner, daß eine Kokille im Zuge der Kühlung des Stahls wie ein Wärmeakkumulator wirkt. Temperaturmessungen an der Außenseite von üblichen Kokillen haben ergeben, daß die Temperatur der Kokillenwandung während der gesamten Erstarrungsperiode des Stahls verhältnismäßig niedrig bleibt. Sie steigt nach einer verhältnismäßig langen Verweildauer allmählich bis auf einen

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Wert in der Größenordnung von 500 bis 600⁰C an. Während der gesamten Hauptphase der Erstarrung sammeln sich die von dem Stahl oder der anderen vergossenen Eisenlegierung abgegebenen Kalorien also in den Wandungen der Kokille. Die Nachrechnung ergibt, daß die durch Strahlung abgegebene Wärmemenge kaum in der Größenordnung von 5% derjenigen liegt, die in den Wandungen der Kokille gespeichert wird.

Die obenerwähnte Untersuchung des Jnstitut de Recherches Siderurgiques hat ferner die Änderungen der Ladedauer oder des Verbrauchs einer Kokille in

Abhängigkeit von dem Verhältnis — aufzuzeigen

versucht.

Die Ergebnisse dieser Untersuchung haben die bekannte Tatsache bestätigt, daß der Prozentsatz der als Folge der stoßweisen aufeinanderfolgenden Wärmebeanspruchungen auftretenden Sprünge in dem gleichen

Sinne ansteigt wie das Verhältnis —. Je schwerer die ^ao

Kokille ist, um so schneller erfolgt das Auftreten der Risse bzw. Sprünge. Allgemein gesagt, unterschreitet

das Verhältnis — selten 1,5 (entsprechend einem Wert

P

von A = 1,32).

'2

Es wurde ferner festgestellt, daß das Auftreten der

Risse mit der Verringerung des Verhältnisses —

P

anwächst. Je kleiner dieses Verhältnis ist, um so mehr Risse erscheinen am Ende einer beschränkten Anzahl von Güssen. Die schweren Kokillen, d. h. diejenigen,

bei denen das Verhältnis — zwischen 1,2 und 1,5

P Abführung der Wärme zu erleichtern. Aus diesen beiden Maßnahmen hatte man jedoch bisher keinerlei

Rückschlüsse auf das Verhältnis von -=f- gezogen.

"2

Es wurde nun gefunden, daß es durch die bekannte Anwendung von Kugelgraphit enthaltendem Gußeisen für die Herstellung von Kokillen möglich ist — da dieses Gußeisen eine höhere Widerstandsfähigkeit gegen Wärme als Grauguß aufweist —, Kokillen mit

verringerter Stärke herzustellen, deren Verhältnis

niedriger als 0,79 liegt (d. h., das Verhältnis — ist

kleiner als 0,9), und die daher bei einem sehr viel langsameren Verschleiß auf Grund der Verringerung der Stärke eine größere Lebensdauer als die bekannten Kokillen aufweisen.

Gegenstand der Erfindung ist daher eine Kokille, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Wandstärke der in an sich bekannter Weise aus Gußeisen mit Kugelgraphit bestehenden Kokille einem Verhältnis •y

von -=~- von kleiner als 0,79 entspricht.

'2

Die mit einer Kokille gemäß der Erfindung durchgeführten Versuche haben gezeigt, daß diese Kokille nicht mehr als Wärmeakkumulator, sondern, wie dies für den Werkstoff bereits bekannt ist, wärmeabführend wirkt, und dies in um so stärkerem Maße, je weiter die Verringerung der Wandstärke geht.

Nachstehend werden die Ergebnisse einiger Vergleichsversuche zwischen Kokillen aus Gußeisen zum Gießen von Thomasstahlblöcken von 4 t gegeben. Diesen Versuchen wurde zugrunde gelegt:

1. Übliche Kokillen (Z₁) aus Grauguß mit in lamellarer Form vorliegendem Graphit mit einem

(d.h. -|f zwischen 1,14 und 1,32) liegt, werden im Verhältnis-^- von 0,88 [oder— 1 = 1).

^v<l 'i L P \

⁴°

Laufe der Zeit wegen der Rißbildung auf ihrer Innenfläche unbrauchbar. Die leichten Kokillen, mit einem

Verhältnis — von zwischen 1 und 1,2 (d. h. einem Wert

von ~- von zwischen 0,88 und 1,14) werden häufiger

"2

als Folge der Rißbildung, die durch die zu hohen inneren Beanspruchungen auftritt, unbrauchbar. Es wurde gefunden, daß die Versuche mit dem Ziele, dieses Verhältnis noch weiter zu verringern, zu einer noch stärkeren Herabsetzung der Lebensdauer der Kokillen als Folge der Rißbildung führen.

Bei Untersuchung der Unterschiede — Verbrauch an Kokillen je Tonne gegossenen Stahls in Abhängig-

keit von dem Verhältnis ist nach den Ergebnissen,

die durch das American Iron and Steel Institute im Februar 1948 veröffentlicht worden sind, festzustellen,

daß der Versuch, das Verhältnis — auf unterhalb von 1

liegende Werte zu verringern, dazu führt, daß der Verbrauch an Kokillen gegenüber einem Minimum,

das einem Verhältnis -^- in der Größenordnung von 0,9

(d. h. -ρ?- = 0,79) entspricht, wieder anwächst, wenn dieses Verhältnis kleiner wird als 0,9.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, zur Herstellung der Kokille Gußeisen mit Kugelgraphit zu verwenden, oder auch die Wandstärke der aus Graugruß hergestellten Kokillen zu verringern, um dadurch die Die Analyse des Gußeisens dieser Kokille, ohne Berücksichtigung des Eisens, in Gewichtsprozenten war:

Kohlenstoff 3,58

Silizium 1,2

Mangan 0,86

Phosphor 0,10

Schwefel 0,05

2. Kokillen (L₂) aus Gußeisen mit Kugelgraphit mit

einem Verhältnis -=r von 0,79 (entsprechend einem "2

Verhältnis^- von 0,9).

3. Kokillen (L₃) aus Gußeisen mit Kugelgraphit mit

einem Verhältnis von -^- von 0,66 (entsprechend "2

einem Verhältnis von — von 0,75).
.4. Kokillen (L₄) aus Gußeisen mit Kugelgraphit und

einem Verhältnis -—von0,53 (entsprechend einem

V,

0,6).

Verhältnis von —
ρ

Die Kokillen L₂, L₃ und L₄ waren bis auf die Wandstärke von gleicher Gestalt wie die üblichen Kokillen L₁.

Die annähernde Analyse des Gußeisens mit Kugelgraphit, aus dem diese Kokillen bestanden, in Ge-

wichtsprozent ohne Berücksichtigung des Eisens war:

Kohlenstoff 3,4 bis 3,7

Silizium 1,8 bis 2,4

Mangan 0,25 bis 0,5

Phosphor 0,03 bis 0,10

Schwefel 0,005 bis 0,01

Magnesium 0,05 bis 0,08

Die Struktur des Gußeisens war perlitisch-ferritisch. Sie wurde entweder unmittelbar beim Guß oder als Folge einer an sich bekannten Glühbehandlung erzielt.

Die Versuche wurden mit je sechs Kokillen der verschiedenen Arten unter jeweils gleichen Bedingungen durchgeführt. Ihre Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt:

Kokillen	Anzahl von Güssen (im Mittel)	Verbrauch an Kokillen in kg/t gegossener Stahl
L1 aus Grauguß
(t= °'S8)	152	6,58
L2 aus Gußeisen mit Kugelgraphit
(Yl = 0,79^1 \v2 J	221	4,07
L3 aus Gußeisen mit Kugelgraphit
(%- = 0,66 j	240	3,125
L4 aus Gußeisen mit Kugelgraphit
	270	2,22

d.h. von—= 1 entsprechen.

V₁

Vorzugsweise liegt das Verhältnis von -y-zwischen

0,7 und 0,4.

Die vorstehend wiedergegebenen günstigen Ergebnisse lassen sich wie folgt aus den während der Versuche gemachten Feststellungen erklären.

Während einer ersten Zeitphase, die etwa ein Zehntel der gesamten Aufenthaltsdauer des Stahls in der Kokille vom Beginn des Eingießens des flüssigen Stahls an ausmacht, ist die mittlere Temperatur der leichten Kokillen höher als die der schweren Kokillen. Wegen der gegenüber dem gewöhnlichen Grauguß besseren Eigenschaften von Gußeisen mit Kugelgraphit in der Wärme wird die Gefahr einer vor

35

Diese Versuchsergebnisse zeigen, daß der Verschleiß von Kokillen aus Gußeisen mit Kugelgraphit

mit einem Verhältnis von ~- kleiner als 0,79 mit Ver-

V₂

kleinerung dieses Verhältnisses — vollkommen entgegen dem, was für Kokillen aus Grauguß bekannt ist — nicht zu-, sondern abnimmt. Dieser Verschleiß ist zwei- bis dreimal kleiner als der im Falle der üblichen Kokillen (L₁), wobei die leichtesten ver-

wendeten Kokillen einem Verhältnis ~ von 0,88,

40

45

50 zeitigen Rißbildung, die die Kokille unbrauchbar machen würde, wie dies häufig im Falle von Kokillen

aus Grauguß der Fall ist, sobald die Beziehungen—auf

unterhalb von 1 bzw. 0,8 absinken, ausgeschaltet.

Im Zuge der weiteren Abkühlung steigen die Temperaturen der Innen- wie der Außenflächen der Kokille weiter an. Die Außentemperatur ist um so höher, je dünner die Kokille ist. Die, um seine Entformung in Blockform zu ermöglichen, dem in die Kokille gegossenen Stahl zu entziehende Wärmemenge, die sich aus dem Gewicht des Blockes und der erforderlichen Temperaturverringerung des Metalls ergibt, wird unter entsprechender Temperaturverringerung um so schneller abgeführt, je dünnwandiger die Kokille ist, da die nunmehr verstärkte Abführung der Wärme durch Strahlung, die bekanntlich proportional der vierten Potenz der Temperatur ist, um so intensiver wird, je höher die Temperatur der Außenfläche der Kokille ist. Hieraus ergibt sich, daß im Falle von Kokillen geringer Wandstärke eine schnellere Abführung der Wärme durch Ausstrahlung der Kokille, die in diesem Falle die Aufgabe einer Wärmeabführungsvorrichtung erfüllt, stattfindet. Hieraus folgt schließlich, daß auch die Innentemperatur der Kokille um so weiter abfällt, je geringer deren Wandstärke ist, wodurch der Rhythmus des Auftretens von Rissen verringert bzw., mit anderen Worten, die Lebensdauer der Kokille erhöht wird.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die vorstehend im einzelnen beschriebenen Ausführungsformen und Zusammensetzungen beschränkt, sondern es sind demgegenüber Änderungen möglich, ohne von ihrem Grundgedanken abzuweichen.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Kokille zum Gießen von Blöcken aus Stahl oder anderen Eisenlegierungen, dadurch gekenn zeichnet, daß die Wandstärke der in an sich bekannter Weise aus Gußeisen mit Kugelgraphit

55

60 bestehenden Kokille einem Verhältnis

v»

kleiner als 0,79 entspricht, bei dem V₁ das Volumen des Kokillenmetalls und F₂ das Innenvolumen der Kokille bedeuten.

2. Kokille nach Anspruch 1, dadurch gekenn-

zeichnet, daß das Verhältnis ~- zwischen 0,7 und

'2

0,4 liegt.

3. Kokille nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die analytische Zusammensetzung des Gußeisens mit in Kugelform vorliegendem Graphit ohne Berücksichtigung des Eisens wie folgt ist:

Kohlenstoff 3,4 bis 3,7 %

Silizium 1,8 bis 2,4%

Mangan 0,25 bis 0,5 %

Phosphor 0,03 bis 0,10%

Schwefel 0,005 bis 0,01 %

Magnesium 0,07 bis 0,08 %.

In Betracht gezogene Druckschriften:
C. Geiger: »Handbuch der Eisen- und Stahlgießerei«, 2. Auflage, Bd. II, S. 238/239;

Foundry Trade Journal vom 27. 1. 1950, Heft 1769, S. 96.

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