DE112007001141T5

DE112007001141T5 - Stranggießen reaktionsfreudiger Metalle unter Verwendung einer Glasschicht

Info

Publication number: DE112007001141T5
Application number: DE112007001141T
Authority: DE
Inventors: Michael P. Canton Jacques; Frank P. Niles Spadafora; Kuang-O Highland Heights Yu; Brian W. Martin
Original assignee: RMI Titanium Co
Current assignee: RTI International Metals Inc
Priority date: 2006-05-12
Filing date: 2007-05-08
Publication date: 2009-04-09
Also published as: GB0820334D0; RU2459684C2; WO2007133547A3; RU2008143605A; GB2450847B; GB2450847A; US7484548B2; CN101472692A; WO2007133547A2; US20060254746A1

Abstract

Vorrichtung, die Folgendes umfasst:
eine Stranggießform, die an die Produktion eines Metallgussstrangs mit einer äußeren Peripherie angepasst ist;
ein Schmelzbad aus einem Beschichtungsmaterial, das sich unterhalb der Form befindet und so gestaltet ist, dass eine Schicht des geschmolzenen Materials auf eine äußere Peripherie des Metallgussstrangs aufgetragen werden kann, so dass ein beschichteter Metallgussstrang entsteht; und
ein unter dem Schmelzbad befindlicher Trennmechanismus, der so gestaltet ist, dass der beschichtete Metallgussstrang getrennt werden kann, während er von der Form aus abwärts verläuft, so dass geschnittene Segmente des beschichteten Metallgussstrangs entstehen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft allgemein das Stranggießen von Metallen. Insbesondere betrifft die Erfindung den Schutz reaktionsfreudiger Metalle vor Reaktionen mit der Atmosphäre beim Schmelzen oder bei höheren Temperaturen. Speziell betrifft die Erfindung den Einsatz eines geschmolzenen Materials, beispielsweise von flüssigem Glas, zur Bildung einer Barriere, die verhindert, dass die Atmosphäre in die Schmelzkammer eines Stranggießofens eindringen kann, sowie die Beschichtung eines aus solchen Metallen geformten Metallgussstrangs, um den Metallgussstrang vor der Atmosphäre zu schützen.
2. HINTERGRUND
Herdschmelzverfahren wie das Elektronenstrahl-Herdschmelzen (EBCHR) und das Plasmabogen-Herdschmelzen (PACHR) wurden ursprünglich zur Verbesserung der Qualität von Titanlegierungen entwickelt, die in drehenden Komponenten von Strahltriebwerken zum Einsatz kommen. Qualitätsverbesserungen auf diesem technischen Gebiet stehen primär in Zusammenhang mit dem Entfernen unerwünschter Partikel, zu denen beispielsweise Einschlüsse mit hoher Dichte und harte Alphapartikel gehören. Der Schwerpunkt neuester Anwendungen von EBCHR- und PACHR-Verfahren liegt vor allem auf dem Aspekt der Kostensenkung. Einige Methoden, mit denen sich Kostensenkungen erzielen lassen, erweitern die Möglichkeiten zum flexiblen Einsatz verschiedener Formen von Ausgangsmaterialien, ermöglichen einen einstufigen Schmelzprozess (während das konventionelle Schmelzen von Titan beispielsweise zwei oder drei Schmelzschritte erfordert) und tragen zu einem höheren Produktertrag bei.
Titan und andere Metalle sind extrem reaktionsfreudig und müssen deshalb in einer Vakuum- oder Inertgasatmosphäre geschmolzen werden. Beim Elektronenstrahl-Herdschmelzen (EBCHR) wird in den Schmelz- und Gusskammern des Ofens ein Hochvakuum aufrechterhalten, damit die Elektronenstrahlpistolen arbeiten können. Beim Plasmabogen-Herdschmelzen (PACHR) produzieren die Plasmabogenbrenner unter Verwendung eines Inertgases wie Helium oder Argon (in der Regel Helium) ein Plasma, wodurch die Atmosphäre im Ofen primär aus einem Partial- oder Positivdruck des Gases besteht, das die Plasmabrenner verwenden. In jedem Fall kann es bei Verunreinigungen der Ofenkammer mit Sauerstoff oder Stickstoff und deren Reaktion mit dem geschmolzenen Titan zur Bildung harter Alphadefekte in dem gegossenen Titan kommen.
Um ein Extrahieren des Gussmaterials aus dem Ofen bei minimaler Unterbrechung des Gießvorgangs und ohne Verunreinigung der Schmelzkammer mit Sauerstoff, Stickstoff oder anderen Gasen zu erreichen, sind die Öfen nach dem Stand der Technik mit einer Abziehkammer ausgestattet. Während des Gießprozesses wird der immer länger werdende Metallgussstrang durch ein im Boden der Form befindliches, isolierendes Schieberventil in die Abziehkammer geführt. Wenn die gewünschte oder maximale Länge des Metallgussstrangs erreicht ist, wird er durch das Schieberventil komplett aus der Form heraus- und in die Abziehkammer hineingezogen. Danach wird das Schieberventil geschlossen, um die Abziehkammer von der Schmelzkammer zu isolieren. Die Abziehkammer wird von ihrer Position unterhalb des Ofens wegbewegt, und der Metallgussstrang wird entnommen.
Öfen dieser Art sind zwar funktionell, weisen aber mehrere Einschränkungen auf. Erstens ist die maximale Gusslänge auf die Länge der Abziehkammer beschränkt. Außerdem muss das Gießverfahren während des Entfernens eines Metallgussstrangs aus dem Ofen gestoppt werden. Folglich gestatten solche Öfen zwar kontinuierliche Schmelzverfahren, aber kein kontinuierliches Gießen. Außerdem bilden sich an der Oberseite des Metallgussstrangs während dem Abkühlprozess in der Regel Schrumpfungshohlräume (Lunkern). Ein kontrolliertes Abkühlen der Oberseite des Metallgussstrangs („Hot Top") kann zwar die Bildung dieser Hohlräume reduzieren, ist jedoch zeitaufwändig und verringert damit die Produktivität. Der obere Teil des Metallgussstrangs mit seinen Schrumpfungen und Lunkern ist unbrauchbar, was zu Ertragsverlusten führt. Weitere Ertragsverluste sind auf den Schwalbenschwanz am Boden des Metallgussstrangs zurückzuführen, mit dem dieser am Abziehstempel befestigt ist.
Die vorliegende Erfindung kann diese Probleme eliminieren oder substanziell verringern. Dazu dient eine Dichtvorrichtung, die das Stranggießen von Titan, Superlegierungen, höchstschmelzenden und anderen reaktionsfreudigen Metallen ermöglicht, während der Metallgussstrang in der Form eines Blocks, einer Stange, einer Bramme o. ä. aus dem Inneren eines Stranggießofens nach außen transportiert wird, ohne dass Luft oder andere Bestandteile der Atmosphäre in die Ofenkammer eindringen können.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung vorgestellt, die eine an das Produzieren eines Metallgussstrangs mit einer äußeren Peripherie angepasste Stranggießform; ein unter der Form befindliches Schmelzbad mit einem Beschichtungsmaterial, wobei das Schmelzbad so gestaltet ist, dass eine Schicht eines geschmolzenen Materials auf eine äußere Peripherie des Metallgussstrangs aufgetragen wird, so dass ein beschichteter Metallgussstrang entsteht; und einen Trennmechanismus umfasst, der sich unter dem Schmelzbad befindet und so gestaltet ist, dass er den beschichteten Metallgussstrang trennt, so dass er in Segmente eines beschichteten Metallgussstrangs geteilt wird.
Mit der vorliegenden Erfindung wird darüber hinaus eine Vorrichtung vorgestellt, die eine Stranggießform umfasst, die so gestaltet ist, dass damit ein Metallgussstrang mit einer äußeren Peripherie produziert wird; ein Schmelzbad mit einem Beschichtungsmaterial, wobei das Schmelzbad unter der Form platziert und so gestaltet ist, dass auf die äußere Peripherie des Metallgussstrangs eine Beschichtung aus einem geschmolzenen Material aufgetragen wird, so dass ein beschichteter Metallgussstrang entsteht; eine Metallgussstrangpassage, die von einem an die Gussform angrenzenden Bereich bis zu einem an das Schmelzbad angrenzenden Bereich verläuft und so gestaltet ist, dass der Metallgussstrang darin von der Form zum Schmelzbad bewegt werden kann; und eine erste Wärmequelle, die sich unter der Form, über dem Schmelzbad und angrenzend an die Passage befindet, wobei die erste Wärmequelle so gestaltet ist, dass sie den Metallgussstrang bei seiner Bewegung entlang der Passage erhitzt.
Außerdem wird mit der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung vorgestellt, die eine an das Produzieren eines Metallgussstrangs angepasste Stranggießform mit einer äußeren Peripherie; ein unter der Form befindliches Schmelzbad aus einem Beschichtungsmaterial, das so gestaltet ist, dass eine Schicht eines geschmolzenen Materials auf die äußere Peripherie des Metallgussstrangs aufgetragen wird, so dass ein beschichteter Metallgussstrang entsteht; und eine Quelle eines Partikelmaterials sowie einen Spender für die Abgabe des Partikelmaterials an einen an das Schmelzbad angrenzenden Ort umfasst.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Querschnitt durch die erfindungsgemäße Dichtung, die sich in einem Stranggießofen im Einsatz befindet.
2 ist eine der 1 ähnelnde Darstellung, die eine Anfangsstufe der Bildung eines Blocks zeigt, wobei geschmolzenes Material aus dem Schmelzherd in die Form fließt und durch Wärmequellen über Herd und Form erhitzt wird.
3 ist eine der 2 ähnelnde Darstellung, die eine weitere Stufe der Bildung eines Blocks zeigt, wobei der Block auf einem Hebezeug in den abgedichteten Bereich abgesenkt wird.
4 ist eine der 3 ähnelnde Darstellung, die eine weitere Stufe der Bildung des Blocks sowie der Bildung einer Glasbeschichtung auf dem Block zeigt.
5 ist eine vergrößerte Darstellung des umkreisten Ausschnitts aus 4, die zeigt, wie Glaspartikel in das Flüssigglasreservoir gelangen und die Glasschicht gebildet wird.
6 ist ein Querschnitt durch den Block nach dessen Entfernen aus der Schmelzkammer des Ofens, wobei die Glasschicht auf der Außenfläche des Blocks gezeigt wird.
7 ist ein Querschnitt entlang der Linie 7-7 aus 6.
8 ist eine Rissdarstellung des erfindungsgemäßen Stranggießofens, auf der der Antriebsmechanismus für den Block, der Trennmechanismus für den Block und der Umschlagmechanismus für den Block dargestellt sind, wobei der neu produzierte beschichtete Metallgussstrang nach unten aus der Schmelzkammer heraus verläuft und vom Strangantriebsmechanismus und vom Strangumschlagmechanismus gestützt wird.
9 ist eine der 8 ähnelnde Darstellung eines Segments des beschichteten Metallgussstrangs, das von dem Trennmechanismus abgeschnitten wurde.
10 ist eine der 9 ähnelnde Darstellung des abgeschnittenen Segments, das zur Erleichterung der Umschlagarbeiten abgesenkt wurde. Ähnliche Zahlen kennzeichnen in den Abbildungen ähnliche Teile.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die in einem Stranggießofen 12 im Einsatz befindliche erfindungsgemäße Dichtung ist in den 1–5 allgemein mit 10 bezeichnet. Der Ofen 12 umfasst eine Kammerwand 14, welche eine Schmelzkammer 16 einschließt, in der sich die Dichtung 10 befindet. In der Schmelzkammer 16 umfasst der Ofen 12 außerdem einen Schmelzherd 18, von dem aus die Übertragung flüssiger Stoffe zu einer Form 20 möglich ist, die mit einer im Wesentlichen zylinderförmigen Seitenwand 22 mit einer im Wesentlichen zylinderförmigen Innenfläche 24 ausgestattet ist, innerhalb der eine Gießkammer 26 gebildet wird. Wärmequellen 28 und 30 befinden sich oberhalb des Schmelzherdes 18 bzw. der Form 20 und dienen zum Erhitzen und Schmelzen reaktionsfreudiger Metalle, beispielsweise von Titan und Superlegierungen. Bei den Wärmequellen 28 und 30 handelt es sich vorzugsweise um Plasmabrenner. Es können jedoch auch andere geeignete Wärmequellen wie Induktions- oder Widerstandsheizungen zum Einsatz kommen.
Der Ofen 12 umfasst außerdem einen Hebe- oder Abziehstempel 32 zum Absenken eines Metallgussstrangs 34 (2–4). Hierfür kann jede geeignete Abziehvorrichtung verwendet werden. Der Metallgussstrang 34 kann jede geeignete Form haben und beispielsweise als Rundblock, rechteckige Bramme oder als ähnliche Form ausgeführt sein. Der Stempel 32 umfasst einen länglichen Arm 36 mit einem Schmelzformträger 38, der die Form einer im Wesentlichen zylinderförmigen Platte hat, die auf dem Arm 36 sitzt. Der Schmelzformträger 38 weist eine im Wesentlichen zylinderförmige Außenfläche 40 auf, die eng angrenzend an die Innenfläche 24 der Form 20 verläuft, wenn sich der Stempel 32 in vertikaler Richtung bewegt. Während des Einsatzes enthält die Schmelzkammer 16 eine Atmosphäre 42, die mit reaktionsfreudigen Materialien wie Titan und Superlegierungen, die im Ofen 12 geschmolzen werden können, nicht reagiert. Zur Bildung der reaktionsunfähigen Atmosphäre 42 können insbesondere bei der Verwendung von Plasmabrennern Inertgase eingesetzt werden. Häufig werden dazu Helium oder Argon genutzt, in der Regel Helium. Außerhalb der Kammerwand 14 befindet sich eine Atmosphäre 44, die gegenüber den erhitzten, reaktionsfreudigen Metallen reaktionsfähig ist.
Die Dichtung 10 ist so konfiguriert, dass sie ein Eindringen der reaktionsfähigen Atmosphäre 44 in die Schmelzkammer 16 während des Stranggießens reaktionsfreudiger Metalle wie Titan und Superlegierungen verhindert. Außerdem ist die Dichtung 10 so konfiguriert, dass sie den Metallgussstrang 34 beim Eintreten in die reaktionsfähige Atmosphäre 44 schützt. Die Dichtung 10 umfasst eine Passage- oder Anschlusswand 46 mit einer im Wesentlichen zylinderförmigen Innenfläche 47, die in ihrem Inneren eine Passage 48 definiert, in der sich eine Eingangsöffnung 50 und eine Ausgangsöffnung 52 befindet. Die Anschlusswand 46 umfasst einen nach innen verlaufenden ringförmigen Flansch 54 mit einer Innenfläche bzw. einem Umfang 56. Die Innenfläche 47 der Anschlusswand 46, die an die Eingangsöffnung 50 angrenzt, definiert einen vergrößerten oder breiteren Abschnitt 58 der Passage 48, während der Flansch 54 einen verjüngten Abschnitt 60 der Passage 48 definiert. Unter dem ringförmigen Flansch 54 definiert die Innenfläche 47 der Anschlusswand 46 einen vergrößerten Ausgangsabschnitt 61 der Passage 48.
Wie später noch erläutert wird, wird während des Betriebs des Ofens 12 in einem vergrößerten Abschnitt 58 der Passage 48 ein Reservoir 62 für ein geschmolzenes Material, beispielsweise flüssiges Glas, gebildet. Eine Quelle 64 von Glaspartikeln oder einem anderen geeigneten schmelzbaren Material, beispielsweise Salzschmelze oder Schlacke, kommuniziert mit einem Zuführmechanismus 66, der wiederum mit dem Reservoir 62 verbunden ist. Die Dichtung 10 kann außerdem eine Wärmequelle 68 umfassen, die eine Induktionsspule, eine Widerstandsheizung oder eine andere geeignete Wärmequelle beinhaltet. Darüber hinaus kann die Dichtung 10 mit Isoliermaterial 70 eingekleidet sein, das eine Aufrechterhaltung der Temperatur der Dichtung unterstützt.
Nun soll der Betrieb des Ofens 12 und der Dichtung 10 unter Bezugnahme auf die 2–5 beschrieben werden. Die 2 zeigt eine Wärmequelle 28, die zum Schmelzen des reaktionsfreudigen Metalls 72 in einem Schmelzofen 18 dient. Das geschmolzene Metall 72 fließt, wie durch den Pfeil A angegeben, in die Gießkammer 26 der Form 20 und wird aufgrund der Wirkung der Wärmequelle 30 zunächst in einem geschmolzenen Zustand gehalten.
In 3 ist dargestellt, wie der Stempel 32 nach unten zurückgezogen wird, wie durch den Pfeil B angegeben, wenn zusätzliches geschmolzenes Metall 72 vom Herd 18 in die Form 20 fließt. Ein oberer Teil 73 des Metalls 72 wird von der Wärmequelle 30 in geschmolzenem Zustand gehalten, während die unteren Teile 75 des Metalls 72 unter Bildung der ersten Bereiche des Metallgussstrangs 34 beginnen, sich abzukühlen. Die wassergekühlte Wand 22 der Form 20 unterstützt die Verfestigung des Metalls 72 zu einem Metallgussstrang 34, wenn der Stempel 32 nach unten zurückgezogen wird. Etwa zu dem Zeitpunkt, in dem der Metallgussstrang 34 in den verjüngten Teil 60 (2) der Passage 48 gelangt, werden Glaspartikel 74 von der Quelle 64 über den Zuführmechanismus 66 in das Reservoir 62 zugeführt. Zwar hat sich der Metallgussstrang 34 bereits so weit abgekühlt, dass er sich teilweise verfestigt hat, dennoch ist er typischerweise ausreichend heiß, um Glaspartikel 74 zu schmelzen, die im Reservoir 62 flüssiges Glas 76 bilden, das von einer Außenfläche 79 des Metallgussstrangs 34 und einer Innenfläche 47 der Anschlusswand 46 gebunden wird. Bei Bedarf kann die Wärmequelle 68 auch dazu eingesetzt werden, durch die Anschlusswand 46 zusätzliche Hitze bereitzustellen, um das Schmelzen der Glaspartikel 74 zu unterstützen, so dass eine ausreichende Quelle mit flüssigem Glas 76 zur Verfügung steht und/oder das flüssige Glas in geschmolzenem Zustand gehalten wird. Das flüssige Glas 76 füllt den Bereich zwischen dem Reservoir 62 und dem verjüngten Teil 60 aus, so dass eine Barriere entsteht, die ein Eindringen äußerer reaktionsfähiger Atmosphäre 44 in die Schmelzkammer 16 und ein Reagieren mit dem geschmolzenen Metall 72 verhindert. Der ringförmige Flansch 54 bindet das untere Ende des Reservoirs 62 und reduziert den Spalt oder die Lücke zwischen der Außenfläche 79 des Metallgussstrangs 34 und der Innenfläche 47 der Anschlusswand 46. Die Verjüngung der Passage 48 durch den Flansch 54 ermöglicht das Ansammeln von flüssigem Glas 76 im Reservoir 62 (2). Die Ansammlung von flüssigem Glas 76 im Reservoir 62 erstreckt sich rings um den Metallgussstrang 34 in Kontakt zu dessen Außenfläche 79 und bildet in der Passage 48 eine im Wesentlichen ringförmig-zylindrische Ansammlung. Folglich bildet die Ansammlung von flüssigem Glas 76 eine flüssige Dichtung. Nach der Bildung dieser Dichtung kann eine untere Klappe (nicht abgebildet), welche die reaktionsunfähige Atmosphäre 42 von der reaktionsfähigen Atmosphäre 44 getrennt hat, geöffnet werden, so dass der Metallgussstrang 34 aus der Kammer 16 gezogen werden kann.
Wenn der Metallgussstrang 34 weiter nach unten bewegt wird, wie in den 4–5 dargestellt, beschichtet das flüssige Glas 76 die Außenfläche 79 des Metallgussstrangs 34, während dieser das Reservoir 62 und den verjüngten Abschnitt 60 der Passage 48 passiert. Der verjüngte Abschnitt 60 reduziert die Dicke der Schicht aus flüssigem Glas 76 bzw. verdünnt die Schicht aus flüssigem Glas 76, die an die Außenfläche 79 des Metallgussstrangs 34 angrenzt, um die Dicke der Glasschicht zu regeln, welche die Passage 48 mit dem Metallgussstrang 34 verlässt. Das flüssige Glas 76 kühlt dann ausreichend ab, um sich zu einer Festglasschicht 78 auf einer Außenfläche 79 des Metallgussstrangs 34 zu verfestigen. Die Glasschicht 78 bildet im flüssigen wie auch im festen Zustand eine Schutzbarriere, die ein Reagieren der reaktionsfreudigen Metalle 72, welche den Metallgussstrang 34 bilden, mit der reaktionsfähigen Atmosphäre 44 verhindern, während der Metallgussstrang 34 noch immer ausreichend heiß ist, um eine solche Reaktion zu ermöglichen. Die Schicht 78 bildet darüber hinaus bei niedrigeren Temperaturen eine Oxydationsbarriere.
In der 5 ist deutlicher dargestellt, wie die Glaspartikel 74 durch den Zuführmechanismus 66, wie durch den Pfeil C angegeben, in den vergrößerten Abschnitt 58 der Passage 48 und in das Reservoir 62 transportiert werden, wo das Schmelzen der Glaspartikel 74 zu flüssigem Glas 76 erfolgt. Die 5 zeigt auch die Bildung der Flüssigglasschicht in dem verjüngten Bereich 60 der Passage 48, während der Metallgussstrang 34 nach unten bewegt wird. Außerdem zeigt die 5 einen offenen Bereich zwischen der Glasschicht 78 und der Anschlusswand 46 innerhalb des vergrößerten Ausgangsabschnittes 61 der Passage 48, während sich der Metallgussstrang 34 mit der Beschichtung 78 durch den Abschnitt 61 bewegt.
Sobald der Metallgussstrang 34 den Ofen 12 in ausreichendem Maße verlassen hat, kann ein Teil des Metallgussstrangs 34 zu einem Block 80 einer jeden beliebigen Länge abgeschnitten werden, wie in der 6 dargestellt. Wie in den 6 und 7 zu erkennen ist, verläuft die Festglasschicht 78 entlang dem gesamten Umfang des Blocks 80.
Demzufolge bildet die Dichtung 10 einen Mechanismus, der das Eindringen reaktionsfähiger Atmosphäre 44 in die Schmelzkammer 16 verhindert und auch den Metallgussstrang 34 in der Form eines Blocks, eines Barrens, einer Bramme o. ä. vor der reaktionsfähigen Atmosphäre 44 schützt, während der Metallgussstrang 34 noch immer heiß genug ist, um mit der reaktionsfähigen Atmosphäre 44 reagieren zu können. Wie bereits festgestellt, ist die Innenfläche 24 der Form 20 im Wesentlichen zylinderförmig, um einen im Wesentlichen zylinderförmigen Metallgussstrang 34 produzieren zu können. Die Innenfläche 47 der Anschlusswand 46 ist ebenso im Wesentlichen zylinderförmig, so dass ein ausreichend großer Bereich für das Reservoir 62 sowie ein Bereich zwischen dem Metallgussstrang 34 und der Innenfläche 56 des Flanschs 54 gebildet wird, wodurch die Dichtung entsteht und eine angemessen dicke Beschichtung auf den Metallgussstrang 34 während dessen Abwärtsbewegung aufgetragen wird. Das flüssige Glas 76 kann trotzdem eine Dichtung mit einer großen Vielfalt transversaler Querschnitte von anderer als zylindrischer Form bilden. Die transversalen Querschnittsformen der Innenfläche der Form und der Außenfläche des Metallgussstrangs sind bevorzugterweise im Wesentlichen identisch mit dem Querschnitt der Innenfläche der Anschlusswand, bevorzugterweise der Innenfläche des nach innen verlaufenden ringförmigen Flansches, so dass der Bereich zwischen Metallgussstrang und Flansch einerseits ausreichend klein ist, um ein Ansammeln von flüssigem Glas im Reservoir zu ermöglichen, andererseits aber auch ausreichend groß ist, damit eine Glasschicht aufgetragen werden kann, die dick genug ist, um eine Reaktion zwischen dem heißen Metallgussstrang und der reaktionsfähigen Atmosphäre außerhalb des Ofens zu verhindern. Damit der Metallgussstrang hinsichtlich seiner Größe durch die Passage transportiert werden kann, ist der transversale Querschnitt der Innenfläche der Form kleiner als der transversale Querschnitt der Innenfläche der Anschlusswand.
Weitere Veränderungen können an der Dichtung 10 und dem Ofen 12 vorgenommen werden, die dennoch innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegen. Beispielsweise kann der Ofen 12 aus mehr als einer Schmelzkammer bestehen, so dass das Material 72 in einer Kammer geschmolzen und in eine separate Kammer transportiert wird, wo sich eine Stranggießform befindet und von wo aus die Passage zur äußeren Atmosphäre verläuft. Außerdem kann die Passage 48 gekürzt werden, um ihren vergrößerten Ausgangsabschnitt 61 vollständig oder im Wesentlichen zu eliminieren. Darüber hinaus kann außerhalb der Passage 48 ein Reservoir zur Aufnahme des geschmolzenen Glases oder anderer Materialien ausgeformt werden, so dass ein Flüssigkeitsaustausch zwischen Reservoir und Passage möglich ist, wodurch geschmolzenes Material in eine Passage strömen kann, die der Passage 48 ähnelt, um auf diese Weise eine Dichtung zu bilden, die das Eindringen äußerer Atmosphäre in den Ofen verhindert und das Beschichten der Außenfläche des Metallgussstrangs während des Passierens der Passage ermöglicht. In einem solchen Fall stünde ein Zuführmechanismus in Kommunikation mit diesem alternativen Reservoir, damit die Feststoffe in das Reservoir gelangen und geschmolzen werden können. Folglich kann ein alternatives Reservoir als Ort des Schmelzens des festen Materials verwendet werden. Das Reservoir 62 der Dichtung 10 ist jedoch einfacher und erleichtert das Schmelzen des Materials unter Verwendung der Hitze des Metallgussstrangs, während dieser die Passage passiert.
Die erfindungsgemäße Dichtung ermöglicht eine größere Produktivität, da eine Länge des Metallgussstrangs außerhalb des Ofens abgeschnitten werden kann, während das Gießverfahren unterbrechungsfrei weiterläuft. Außerdem verbessert sich der Ertrag, weil jener Teil des Metallgussstrangs, der beim Abtrennen freigelegt wird, keine Schrumpfungen oder Lunkern enthält und die Unterseite des Metallgussstrangs frei von Schwalbenschwänzen ist. Da außerdem der Ofen nicht mit einer Rückzugskammer ausgestattet ist, wird die Länge des Metallgussstrangs nicht durch eine solche Kammer eingeschränkt, und es kann ein Metallgussstrang von jeder geeigneten Länge produziert werden. Durch die Verwendung eines geeigneten Glastyps kann die Glasschicht außerdem eine Schmierung für ein künftiges Strangpressen des Metallgussstrangs bilden. Darüber hinaus kann die Glasschicht auf dem Metallgussstrang eine Barriere bilden, die bei einem zukünftigen Erhitzen des Metallgussstrangs vor dem Schmieden nützlich ist, weil sie eine Reaktion des Metallgussstrangs mit Sauerstoff oder einem anderen Bestandteil der Atmosphäre verhindert.
Zwar wurde für die bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dichtung eine Verwendung von Glaspartikeln zur Bildung der Glasschicht beschrieben, doch können auch andere Materialien zur Bildung der Dichtung und der Glasschicht verwendet werden, beispielsweise Salzschmelze oder Schlacke.
Die vorliegende Vorrichtung und der Prozess sind besonders nützlich für reaktionsfreudige Metalle wie Titan, das in geschmolzenem Zustand außerhalb der Brennkammer sehr schnell mit Atmosphäre reagiert. Das Verfahren ist jedoch für jede Klasse von Metallen geeignet (beispielsweise auch für Superlegierungen), wenn eine Barriere benötigt wird, um die äußere Atmosphäre außerhalb der Schmelzkammer zu halten um zu verhindern, dass das geschmolzene Metall dieser Atmosphäre ausgesetzt wird.
Bezugnehmend auf die 8, wird nun der Ofen 12 ausführlicher beschrieben. Der Ofen 12 ist in einer angehobenen Position über einem Boden 81 einer Produktionsstätte oder einer ähnlichen Einrichtung dargestellt. In der Innenkammer 16 des Ofens 12 befindet sich eine weitere Wärmequelle in der Form einer Induktionsspule 82, die unterhalb der Form 20 und oberhalb der Anschlusswand 46 verläuft. Die Induktionsspule 82 begrenzt die Länge der Strecke, die der Metallgussstrang 34 innerhalb der Passagenwand 46 auf seinem Weg in Richtung der Passage zurücklegt. Folglich begrenzt während des Betriebs die Induktionsspule 82 den Metallgussstrang 34 und verläuft angrenzend an die äußere Peripherie des Metallgussstrangs, um die Temperatur des Metallgussstrangs 34 auf ein Niveau zu regeln, das für seinen Eintritt in die Passage, in der sich das Schmelzbad befindet, gewünscht ist.
Auch in der Innenkammer 16 befindet sich eine Kühlvorrichtung in der Form einer wassergekühlten Leitung 84, die als Teil des Kühlkreislaufs 66 des Zuführmechanismus oder Spenders des Partikelmaterials dazu dient, ein Schmelzen des Partikelmaterials im Kreislauf 66 zu verhindern. Die Leitung 84 ist im Wesentlichen ringförmig. Sie verläuft vom Metallgussstrang 34 nach außen und kommt in Kontakt mit dem Kreislauf 66, um eine Wärmeübertragung zwischen der Leitung 84 und dem Kreislauf 66 zu ermöglichen, so dass der beschriebene Kühleffekt eintritt.
Der Ofen 12 umfasst außerdem einen Temperatursensor in der Form eines optischen Pyrometers 86 zum Messen der Wärme an der äußeren Peripherie des Metallgussstrangs 34, und zwar an einem Wärmemesspunkt 88, der sich zwischen der Induktionsspule 82 und oberhalb der Anschlusswand 46 befindet. Der Ofen 12 umfasst darüber hinaus ein zweites optisches Pyrometer 90 zum Messen der Temperatur an einem anderen Wärmemesspunkt 92 der Anschlusswand 46, wodurch mit dem Pyrometer 90 die Temperatur des Schmelzbads innerhalb des Reservoirs 62 gemessen werden kann.
Außerhalb und unter der unteren Wand der Kammerwand 14 umfasst der Ofen 12 ein Gussblockantriebssystem oder einen Hebemechanismus 94, einen Trennmechanismus 96 und einen Entnahmemechanismus 98. Der Hebemechanismus 94 ist so konfiguriert, dass er auf Wunsch den Metallgussstrang 34 anheben, absenken oder anhalten kann. Der Hebemechanismus 94 umfasst erste und zweite Hebewalzen 100 bzw. 102, die sich in einem bestimmten seitlichen Abstand zueinander befinden und in unterschiedlichen Richtungen gedreht werden können, wie durch die Pfeile A und B angegeben ist, so dass die verschiedenen Bewegungen des Metallgusses 34 möglich sind. Der Abstand der Walzen 100 und 102 entspricht folglich in etwa dem Abstand des beschichteten Metallgussstrangs und der Kontaktschicht 78 während des Betriebs. Der Trennmechanismus 96 befindet sich zwischen den Walzen 100 und 102 und ist so konfiguriert, dass er den Metallgussstrang 34 und die Beschichtung 78 trennt. Beim Trennmechanismus 96 handelt es sich in der Regel um einen Schneidbrenner, jedoch können auch andere geeignete Trennmechanismen genutzt werden. Der Entnahmemechanismus 98 umfasst eine erste und eine zweite Entnahmewalze 104 bzw. 106, die sich ähnlich den Walzen 100 und 102 in einem bestimmten seitlichen Abstand zueinander befinden und auf ähnliche Art und Weise mit der Beschichtung 78 des beschichteten Metallgussstrangs in Eingriff kommen, wenn dieser sich zwischen ihnen bewegt. Die Walzen 104 und 106 können in unterschiedlichen Richtungen gedreht werden, wie durch die Pfeile C und D angegeben ist.
Nachfolgend werden weitere Aspekte des Betriebs des Ofens 12 unter Bezugnahme auf die 8–10 beschrieben. Bezugnehmend auf die 8, wird geschmolzenes Metall in die Form 20 gegossen, wie weiter vom bereits beschrieben, um Metallguss 34 zu produzieren. Der Gussstrang 34 wird dann entlang einer Passage von der Form 20 durch einen durch die Induktionsspule 82 definierten Innenraum und in die von der Passagenwand 46 definierte Passage nach unten bewegt. Die Induktionsspulen 82 und 68 und die Pyrometer 86 und 90 sind Teile eines Regelsystems, mit dem optimale Bedingungen zur Herstellung des Schmelzbads im Behälter 62 geschaffen werden, um die Flüssigkeitsdichtung und das Beschichtungsmaterial zu bilden, durch das schließlich die Schutzbarriere 78 auf dem Metallgussstrang 34 gebildet wird. Konkret misst das Pyrometer 86 die Temperatur an der Stelle 88 an der äußeren Peripherie des Metallgussstrangs 34, während das Pyrometer 90 die Temperatur der Passagenwand 46 an der Stelle 92 misst, um die Temperatur des Schmelzbads im Reservoir 62 einschätzen zu können. Diese Informationen dienen zur Regelung des Stromflusses in die Induktionsspulen 82 und 68, um die oben beschriebenen optimalen Bedingungen zu schaffen. Wenn die Temperatur an der Stelle 88 zu niedrig ist, wird die Induktionsspule 82 mit Strom versorgt, um den Metallgussstrang 34 zu erwärmen und die Temperatur an der Stelle 88 in einen gewünschten Bereich zu bringen. Wenn die Temperatur an der Stelle 88 dagegen zu hoch ist, wird die Stromversorgung zur Induktionsspule 82 reduziert oder abgeschaltet. Vorzugsweise wird die Temperatur an der Stelle 88 innerhalb eines bestimmten Bereichs gehalten. Das Pyrometer 90 schätzt die Temperatur an der Stelle 92 ein um festzustellen, ob das Schmelzbad die richtige Temperatur hat. In Anhängigkeit von der Temperatur an der Stelle 92 kann die Stromversorgung der Induktionsspule 68 erhöht, verringert oder ganz abgeschaltet werden, um die Temperatur des Schmelzbads innerhalb eines gewünschten Bereichs zu halten. Wenn die Temperatur des Metallgussstrangs 34 und des Schmelzbads geregelt wird, wird die wassergekühlte Leitung 284 betätigt, um den Kreislauf 66 zu kühlen, so dass Partikelmaterial von der Quelle 64 aus in fester Form die Passage innerhalb der Passagenwand 46 erreicht, so dass der Kreislauf 66 nicht aufgrund darin stattfindender Schmelzprozesse verstopft wird.
Weiterhin Bezug nehmend auf die 8, bewegt sich der Metallgussstrang durch die Dichtung 10, um den Metallgussstrang 34 zu beschichten, wodurch ein beschichteter Metallgussstrang entsteht, der nach unten in die externe Atmosphäre und zwischen die Walzen 100 und 102 bewegt wird, die mit der Oberfläche des Metallgussstrangs in Eingriff kommen und den Strang auf eine kontrollierte Art und Weise absenken. Der beschichtete Metallgussstrang wird weiter nach unten bewegt, und die Walzen 104 und 106 gelangen mit seiner Oberfläche in Eingriff.
Bezug nehmend auf die 9 schneidet der Trennmechanismus 96 dann den beschichteten Metallgussstrang, so dass ein geschnittenes Segment in der Form des beschichteten Gussblocks 80 entsteht. Wenn der beschichtete Metallgussstrang das Niveau des Trennmechanismus 96 erreicht, hat er sich auf eine Temperatur abgekühlt, bei der das Metall im Wesentlichen nicht mehr mit der externen Atmosphäre reagiert. In der 9 ist der Gussblock 80 in einer Position dargestellt, in der er bereits vom Stammsegment 108 des Metallgussstrangs 34 getrennt ist. Die Walzen 104 und 106 drehen sich dann als Einheit von der Aufnahme- oder Trennposition, die in der 9 dargestellt ist, nach unten in Richtung des Bodens 81, wie durch den Pfeil E in der 10 angegeben, in eine abgesenkte Entnahme- oder Abgabeposition, in welcher sich der Gussblock 80 in einer im Wesentlichen horizontalen Lage befindet. Die Walzen 104 und 106 werden dann gedreht, wie durch die Pfeile F und G angegeben, um den Gussblock 80 (Pfeil H) so zu bewegen, dass er aus dem Ofen 12 entnommen werden kann, so dass die Walzen 104 und 106 in die in der 9 dargestellte Position zurückkehren können, um ein weiteres Gussblocksegment aufzunehmen. Der Entnahmemechanismus 98 wird von der in 9 dargestellten Gussblock-Aufnahmeposition in die in 10 dargestellte Gussblock-Entnahmeposition und zurück in die in 9 dargestellte Gussblock-Aufnahmeposition bewegt, so dass die Produktion von Metallgusssträngen 34 und ihre Beschichtung über ein Schmelzbad unterbrechungsfrei vorgenommen werden können.
Demzufolge wird mit dem Ofen 12 eine einfache Vorrichtung zum Stranggießen und Schützen von Metallgusssträngen vorgestellt, die im heißen Zustand eine hohe Reaktionsfreudigkeit mit externer Atmosphäre aufweisen, so dass die Produktionsrate wesentlich erhöht und die Qualität des Endprodukts wesentlich verbessert werden kann.
In der vorstehenden Beschreibung wurden im Interesse einer klaren, deutlichen, verständlichen Darstellung bestimmte Begriffe verwendet. Daraus dürfen keine unnötigen Einschränkungen abgeleitet werden, die über die Anforderungen nach dem Stand der Technik hinausgehen, da diese Begriffe ausschließlich der Beschreibung dienen und breit auszulegen sind.
Die Beschreibung und die Illustration der Erfindung sind als Beispiel zu verstehen. Mit den exakt dargestellten oder beschriebenen Details wird keine Einschränkung des Schutzumfangs der Erfindung beabsichtigt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Dichtung für einen Stranggießofen mit einer Schmelzkammer und einer darin befindlichen Form zum Produzieren eines Metallgussstrangs umfasst eine Passage zwischen der Schmelzkammer und der äußeren Atmosphäre. Wenn sich der Gussstrang durch die Passage bewegt, wird zwischen der Außenfläche des Gussstrangs und der Innenfläche der Passage ein Reservoir definiert, das flüssiges Glas oder anderes geschmolzenes Material enthält, um zu verhindern, dass externe Atmosphäre in die Schmelzkammer eindringen kann. In das Reservoir transportiertes Partikelmaterial wird durch von der Gussform abgegebene Wärme geschmolzen, so dass geschmolzenes Material entsteht. Mit dem geschmolzenen Material wird der Gussstrang beschichtet, wenn er sich durch die Passage bewegt. Nach der Beschichtung verfestigt sich das geschmolzene Material, so dass der heiße Gussstrang vor einer Reaktion mit der äußeren Atmosphäre geschützt ist. Vorzugsweise ist die Gussform mit einer inneren Oberfläche ausgestattet, deren Querschnitt einen Querschnitt der Außenfläche des Gussstrangs definiert, wobei diese Querschnittsformen im Wesentlichen mit der Querschnittsform der Passage identisch sind.
[Legende zu den Figuren]

GLASS PARTICULAR SOURCE: GLASPARTIKELQUELLE

Claims

Vorrichtung, die Folgendes umfasst: eine Stranggießform, die an die Produktion eines Metallgussstrangs mit einer äußeren Peripherie angepasst ist; ein Schmelzbad aus einem Beschichtungsmaterial, das sich unterhalb der Form befindet und so gestaltet ist, dass eine Schicht des geschmolzenen Materials auf eine äußere Peripherie des Metallgussstrangs aufgetragen werden kann, so dass ein beschichteter Metallgussstrang entsteht; und ein unter dem Schmelzbad befindlicher Trennmechanismus, der so gestaltet ist, dass der beschichtete Metallgussstrang getrennt werden kann, während er von der Form aus abwärts verläuft, so dass geschnittene Segmente des beschichteten Metallgussstrangs entstehen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die außerdem eine Metallgusspassage umfasst, die von einem an die Form angrenzenden Bereich zu einem an das Schmelzbad angrenzenden Bereich verläuft und so gestaltet ist, dass der Metallgussstrang zwischen der Schmelzform und dem Schmelzbad beweglich ist; und eine erste unter der Form, über dem Schmelzbad und angrenzend an die Passage befindliche Wärmequelle, wobei die erste Wärmequelle so gestaltet ist, dass sie den Metallgussstrang bei seiner Bewegung entlang der Passage selektiv erhitzen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die erste Wärmequelle eine Induktionsspule beinhaltet, die die Passage begrenzt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, die außerdem einen ersten Temperatursensor zum Messen der Temperatur an einer Stelle umfasst, die sich auf der Passage unterhalb der Wärmequelle und über dem Schmelzbad befindet, wobei der erste Temperatursensor so gestaltet ist, dass er die Temperatur des Metallgussstrangs an dieser Stelle misst.
Vorrichtung nach Anspruch 4, die außerdem eine zweite Wärmequelle umfasst, die vom Schmelzbad nach außen und angrenzend an das Schmelzbad verläuft, um es selektiv heizen zu können; und die einen zweiten Temperatursensor umfasst, mit dem die Temperatur des Schmelzbads gemessen werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 5, die außerdem eine Passagenwand mit einer inneren Peripherie umfasst, die eine Passage definiert, durch welche der Metallgussstrang hindurch bewegt werden kann; wobei die innere Peripherie das Schmelzbad begrenzt; und wobei der zweite Temperatursensor so konfiguriert ist, dass er eine Temperatur der Passagenwand und die Temperatur des Schmelzbads messen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die außerdem eine Partikelmaterialquelle und einen Spender zur Abgabe des Partikelmaterials an einen an das Schmelzbad angrenzenden Ort umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 7, die außerdem eine Kühlvorrichtung umfasst, die dicht an einen Teil des Spenders angrenzt und die zum Kühlen des darin befindlichen Partikelmaterials dient, wobei die Kühlvorrichtung so gestaltet ist, dass ein Schmelzen des im Spender befindlichen Partikelmaterials vermieden wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Spender einen Kreislauf für den Transport des Partikelmaterials umfasst; wobei der Kreislauf einen Ausgang umfasst, der an das Schmelzbad angrenzt; und wobei die Kühlvorrichtung dicht an den Kreislauf angrenzt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, die darüber hinaus eine Passage für den Transport des Metallgussstrangs umfasst, die von einer Stelle angrenzend an die Form zu einer Stelle angrenzend an das Schmelzbad verläuft und so gestaltet ist, dass der Metallgussstrang darin von der Form zum Schmelzbad transportiert werden kann; wobei der Spender einen Kreislauf für den Transport des Partikelmaterials umfasst; und wobei der Kreislauf mit einem angrenzend an die Passage verlaufenden Ausgang ausgestattet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, die darüber hinaus eine Passagenwand mit einer inneren Peripherie umfasst, die eine Passage definiert, die so gestaltet ist, dass der Metallgussstrang durch sie hindurch bewegt werden kann; wobei die innere Peripherie das Schmelzbad bindet; und wobei der Spender so konfiguriert ist, dass er das Partikelmaterial an eine Stelle innerhalb der inneren Peripherie der Passagenwand abgibt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die darüber hinaus einen Entnahmemechanismus umfasst, der unterhalb des Trennmechanismus verläuft und so gestaltet ist, dass die abgeschnittenen Segmente des Metallgussstrangs von einer Trennposition, an der sie vom Stammsegment des beschichteten Metallgussstrangs abgetrennt werden, separiert werden.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Entnahmemechanismus mit ersten und zweiten drehbaren Entnahmewalzen ausgestattet ist, die sich in einem bestimmten Abstand zueinander befinden, der einen Bereich des Eingriffs mit den abgetrennten Segmenten definiert, und die so gestaltet sind, dass sie einen drehbaren Eingriff ermöglichen und eines der im Bereich befindlichen abgetrennten Segmente abstützen.
Vorrichtung nach Anspruch 12, die darüber hinaus eine Vorrichtung zum Absenken des Metallgussstrangs umfasst, die sich über dem Trennmechanismus befindet und so gestaltet ist, dass sie den beschichteten Metallgussstrang absenken kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die darüber hinaus eine Vorrichtung zum Absenken des Metallgussstrangs umfasst, die sich über dem Trennmechanismus befindet und so gestaltet ist, dass sie den beschichteten Metallgussstrang absenken kann.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Ansenkmechanismus erste und zweite drehbare Absenkwalzen umfasst, die sich in einem bestimmten Abstand zueinander befinden, der einen Bereich des Eingriffs mit den beschichteten Metallgusssträngen definiert, und die so gestaltet sind, dass sie einen drehbaren Eingriff ermöglichen und den im Bereich befindlichen beschichteten Metallgussstrang abstützen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die außerdem eine Schmelzkammer umfasst, die mit einer Seitenwand ausgestattet ist und in der sich Schmelze befindet; und die eine Passagenwand umfasst, die mit einer inneren Peripherie ausgestattet ist, die eine Passage definiert, die durch die Seitenwand der Schmelzkammer hindurch verläuft und so gestaltet ist, dass der Metallgussstrang durch sie hindurch bewegt werden kann; und wobei das Schmelzbad durch die innere Peripherie der Passagenwand gebunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17, die darüber hinaus einen Herd umfasst, der einen Schmelzmaterial-Aufnahmebehälter definiert; und in der sich der Herd mit Schmelzkammer befindet, der so gestaltet ist, dass das geschmolzene Material von dort in die Form transportiert wird.
Vorrichtung, die Folgendes umfasst: eine Stranggießform, die so gestaltet ist, dass sie einen Metallguss mit einer äußeren Peripherie produzieren kann; ein Schmelzbad aus einem Beschichtungsmaterial, das sich unter der Form befindet und so gestaltet ist, dass es eine Schicht des geschmolzenen Materials auf die äußere Peripherie des Metallgussstrangs auftragen kann, so dass ein beschichteter Metallgussstrang entsteht; eine Metallgusspassage, die von einer Stelle angrenzend an die Form zu einer Stelle angrenzend an das Schmelzbad verläuft und die so gestaltet ist, dass sie den darin befindlichen Metallgussstrang von der Form zum Schmelzbad transportieren kann; und eine erste Wärmequelle, die sich unterhalb der Form, über dem Schmelzbad und angrenzend an die Passage befindet, wobei die erste Wärmequelle so gestaltet ist, dass sie den Metallgussstrang während seines Transports entlang der Passage erwärmen kann.
Vorrichtung, die Folgendes umfasst: eine Stranggießform, die so gestaltet ist, dass sie einen Metallguss mit einer äußeren Peripherie produzieren kann; ein Schmelzbad aus einem Beschichtungsmaterial, das sich unter der Form befindet und so gestaltet ist, dass es eine Schicht des geschmolzenen Materials auf die äußere Peripherie des Metallgussstrangs auftragen kann, so dass ein beschichteter Metallgussstrang entsteht; eine Quelle aus einem Partikelmaterial und einen Spender zur Abgabe des Partikelmaterials an eine an das Schmelzbad angrenzende Stelle.