DE1217556B - Durchlaufkokille zum Stranggiessen von Metallen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

B22d

Deutsche KL: 31c-21

Nummer: 1217556^J'-«,

Aktenzeichen: A 27170 VI a/31 c

Anmeldetag: 17. Mai 1957

Auslegetag: 26. Mai 1966

Die Erfindung bezieht sich auf eine Durchlaufkokille zum Stranggießen von Metallen und insbesondere zum Stranggießen von Kupferbarren.

Bekannt sind aus einem Graphitblock bestehende Durchlaufkokillen, wobei der Block einen beiderseits offenen Formhohlraum zur Aufnahme von flüssigem Metall und Abgabe des erstarrten Gußstranges an seinem unteren Ende umschließt. Die Kokille ist dabei unabhängig vom zugehörigen Schmelzofen angeordnet und wird mit eigenem, frei liegendem Gießspiegel betrieben.

Weiterhin ist bei ofenabhängiger Kokille eine Kühlung des aus Graphit bestehenden formgebenden Teiles der Kokille bekannt. Die Kühlung erfolgt hierbei durch einen den Graphitteil umschließenden metallischen Wassermantel. Bei Metallkokillen wird unter Verwendung von Kühlrohren die Wasserkühlung seit langem angewandt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Gießgeschwindigkeit bei den Graphitkokillen, die sich für das Stranggießen von Metallen, insbesondere Kupfer, zwar bewährt haben, jedoch durch das niedrige Wärmeleitvermögen des Graphits gegenüber Metallen benachteiligt sind, durch Erhöhung der Kühlleistung wesentlich zu steigern.

Erfindungsgemäß ist die Durchlaufkokille, die unabhängig vom zugehörigen Schmelzofen betrieben wird und aus einem Graphitblock besteht, wobei dieser einen beiderseits offenen Formhohlraum zur Aufnahme von flüssigem Metall an seinem oberen Ende und zur Abgabe des erstarrten Gußstranges aus seinem unteren Ende umschließt, und die mit einem eigenen freiliegenden Gießspiegel betrieben wird, so ausgebildet, daß in die Blockwandungen Kühlkanäle eingearbeitet sind, die mit Kupferrohren ausgefüttert sind, die ihrerseits zur Erhöhung des Wärmeüberganges unter Druck an den Wandungen der Kanäle anliegen.

Die Verwendung von kupfernen Futterrohren bietet den Vorteil, daß infolge der großen Wärmeausdehnung von Kupfer diese bei Betriebstemperatur in gegenüber dem kalten Zustand sogar verstärktem Berührungsschluß mit den Kanalwänden im Graphitblock gehalten werden. Das dichte Anliegen der Futterrohre fördert aber die Wärmeübertragung und erhöht die Gießgeschwindigkeit.

Da der von den Kupferrohren während des Gießbetriebes ausgeübte Druck auf den Graphitblock zu groß werden kann, sind in die Wandungen der Futterrohre längs verlaufende, nach innen gerichtete Sicken eingearbeitet.

Zwecks Verwendung der Kokille zum Stranggießen von Kupfer, insbesondere phosphorhaltigem Durchlaufkokille zum Stranggießen von Metallen

Anmelder:

American Smelting and Refining Company,

New York, N.Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Maier, Patentanwalt,

München 22, Widenmayerstr. 4

Als Erfinder benannt:

Richard Baier, New Brunswick, N. J.;

John Stuart Smart jun., Westfield, N. J.;

Albert John Phillips, Plainfield, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 27. August 1956 (606 518)

und zähgepoltem Kupfer, weist diese eine der Schwindung des Gießgutes entsprechende Verengung und Wandausnehmungen mit dazwischenliegenden Rippen im unteren Kokillenteil für die direkte Kühlung des in dieser Zone erstarrenden Stranges auf sowie Mittel für Oszillationsbewegungen der Kokille in Achsrichtung.

Für die Herstellung von plattenförmigen Strängen besitzt der Formhohlraum rechteckig länglichen Querschnitt. Die Erfindung wird in den Zeichnungen in einer beispielsweise bevorzugten Ausführungsform beschrieben:

F i g. 1 ist eine Draufsicht auf die Gießform, teilweise geschnitten;

F i g. 2 ist ein senkrechter Schnitt nach Linie 2-2 durch Fig. 1;

F i g. 3 zeigt teilweise geschnitten eine Teil-Seitenansicht der oberen Enden der Kühlrohre nach Linie 3-3 in F i g. 4;

Fi g. 4 ist ein Querschnitt durch die oberen Enden der Kühlrohre nach Linie4-4 in Fig. 3;

F i g. 5 ist eine isometrische, schematische Darstellung der Gießform, welche die drei verschiedenen Höhenlagen der Spritzdüsen und die Stellung der Rohre, des Graphitblockes und der Wasserverteilerleitung zueinander und zum Gußstück zeigt.

Die Zeichnungen zeigen eine Form der Aufnahme der zu gießenden Metallschmelze. Diese Form ist in vertikaler Richtung beweglich angeordnet.

Es können geeignete Mittel vorgesehen werden, um den Hub und die Frequenz der Auf- und Ab-

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bewegung der Gießform zu verändern. Um z. B. den Hub zu verändern, kann der Antriebsmotor einen Kurbelalarm aufweisen, dessen Länge einstellbar ist. Um die Frequenz zu verändern, kann die Motordrehzahl geändert werden. Weder die Frequenz noch der Hub ist besonders ausschlaggebend.

Bei Verwendung von Formen, die sich, wie unten noch zu besprechen, merklich verjüngen, darf der Hub nicht übermäßig lang sein, da beim Aufwärtshub die Möglichkeit besteht, daß der Konus auf den heißen und schwachen Kratermantel des sich am Oberteil der Erstarrungszone bildenden Gußstückes drückt, das an dieser Stelle seinen größten Querschnitt aufweist; oder es besteht umgekehrt beim Abwärtshub die Möglichkeit des Auftretens eines Spielraumes zwischen dem im Entstehen begriffenen Kratermantel und der Formwand, wodurch die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung nachteilig beeinflußt wird.

Beim Gießen von Barren oder Platten zeigten sich gute Ergebnisse bei Anwendung eines Frequenzbereiches von etwa 70 bis 180 Hüben pro Minute und einer Amplitude von 1 bis 4 mm. Offenbar steht die geeignetste Kombination für eine Gießform in Beziehung zum zu gießenden Querschnitt, dem erforderlichen Grad der Formverjüngung und der Gießgeschwindigkeit für die betreffende Querschnittsgröße. Bei Barren oder Platten ist festgestellt worden, daß 180. Hübe pro Minute mit 2 mm Amplitude durchaus einwandfrei sind, ohne jedoch wesentlich maßgebend zu sein. Unter Hub wird hier eine vollständige Rundfahrtbewegung der Form aus der Bodenlage und zurück zur Bodenlage verstanden.

Die Gießform 13 ist in einem Metallrahmen gelagert, der zwei Wasserverteilerleitungen 50 umfaßt, die sich in der Breite des Barrens erstrecken und den Boden des Formrahmens bilden. Die Seiten des Rahmens werden von zwei vertikalen Seitenplatten 52 gebildet, welche sich über die Länge der Gießform erstrecken, und die Stirnseiten des Rahmens bilden zwei Paare von Winkelblechen 53, ein Paar an jeder Seite. Innerhalb dieses Rahmens sind zwei Hälften eines massiven Graphitblockes 51, 51 angeordnet. Der Rahmen wird mittels einer Anzahl horizontaler Bolzen 54 an jedem Ende der Form zusammengehalten. Muttern an den Enden der Bolzen 54 spannen die Graphitblöcke 51, 51 fest zusammen.

Die aneinanderstoßenden Flächen 61 der beiden Blöcke sind so gearbeitet, daß sie einen dichten Verschluß gegen das Entweichen geschmolzenen Metalls bilden. Die inneren Formflächen 96 bilden im wesentlichen glatte Oberflächen mit den nachstehend besprochenen Verjüngungen und Ausbauchungen. Nach dem horizontalen Querschnitt sind die Formoberflächen im allgemeinen länglich-rechteckig ausgebildet und weisen an den Ecken Abrundungen 62 auf (Fig. 1). Die Langseiten des Querschnittes sind nach dem Kokillenformraum zu ausgebaucht, um der Neigung des Gußstückes, sich infolge der Wärmeverziehung nach innen einzuwölben, entgegenzuwirken. Die Dimensionen der Ausbauchung sind proportional der Gieß- und Kühlgeschwindigkeit und so gewählt, daß sich ein Gußstück mit im wesentlichen parallelen Seitenflächen ergibt.

Die Verteilerleitungen 50 sind kastenartige Gebilde, die aus zweckmäßig miteinander verbundenen Platten aufgebaut sind. An den oberen und inneren Ecken der Verteilerleitungen befinden sich Verlängerungsleisten 60 (F i g. 2), die nach dem Inneren der Form sehen. Diese Leisten 60 springen sowohl von der Hauptlänge der Verteilerleitung und von den Endverlängerungen derselben vor.

Die Verteilerleitungen 50 sind jeweils mit einem Einlaßdurchtritt 63 versehen, welcher den Hauptteil der Verteilerleitung und die Verlängerung derselben kreuzt. Diese Einlasse besitzen Flansche zur Verbindung mit Rohren, welche die Verteilerleitungen mit kaltem Wasser versorgen. Die Einlasse 63 für die beiden Verteilerleitungen 50 sind beide an demselben Ende der Form angeordnet.

Die Verteilerleitungen 50 führen den. Hauptkühlrohren 80 und den Wasserbrausen in drei verschiedenen Höhenlagen Wasser zu. Zu diesem Zweck haben die Verteilerleitungen eine Reihe Öffnungen 64 an der Oberseite in den Hauptteilstücken und den abgebogenen Enden; ihre Leisten haben eine Reihe ge-

ao bohrter Durchtritte 66 für die Wasserbrausen in mittlerer Höhe in den Hauptteilen und den abgebogenen Enden; die Leisten enthalten Öffnungen 86 für die Hauptkühlrohre in den Hauptteilen und Enden.
Es ist zu bemerken, daß an den aneinandergrenzenden Flächen 61 der beiden Graphitblöcke 51 die Öffnungen für die Endquerrohre 68 vorgesehen sind, und zwar in der einen und in der anderen Graphithälfte. Auch sind nach F i g. 1 die diese Endquerrohre 68 speisenden oberen Öffnungen 64 in einer Verteilerleitung für das eine Ende der Form und in der anderen Verteilerleitung für das andere Ende der Form angeordnet, wobei das Querrohr 68 in die Krümmer 69 übergeht.

Wie aus F i g. 2 ersichtlich, haben die Graphitblöcke 51 und die Seitenplatten 52 Spielräume 75 für die Krümmer 69. Es ist zu bemerken, daß die Innenflächen der Graphitblöcke 51 im unteren Teil Ausbuchtungen 74 unterhalb des Austrittes der Düsen 67 aufweisen. Diese Ausbuchtungen 74 bilden vertikale Rippen zur Führung des heißen und biegsamen Gußstückes, während die Wasserbrausen zwischen die Rippen auf die Oberfläche des Gußstückes gerichtet sind, ehe es die Form verläßt, wodurch die Oberfläche während dieser Führung unter den ver-

ΐ5 formbaren Bereich abgekühlt wird.

Die untersten Brausen und die Kühlrohre werden aus den Bodenöffnungen 65 in den Verteilerleitungen gespeist. Eine Reihe von Rücklaufkrümmern 79 (F i g. 2) stehen in Verbindung mit den inneren senkrechten Rohren 80 und haben untere Brausenlöcher 82. Die Rücklaufkrümmer 79 sind mit Kupplungsgliedern 78 verbunden, welche um die Bodenöffnungen 65 durch eine Reihe von Klemmstangen 81 und Bolzen festgespannt sind.

Die in mittlerer Höhe liegenden Brausen sind mit Düsenlöchern 84 versehen, die in die Leisten 60 gebohrt sind und mit den Durchtritten 66 in Verbindung stehen. Die Achsen der Düsenlöcher 84 liegen in einem Winkel von etwa 20° zur Senkrechten.

Die sich auf die Querrohre beziehenden Ausführungen dienen zur Erläuterung des Gesamtaufbaues und bilden nicht Gegenstand der Erfindung.

Die Hauptkühlrohre werden nun beschrieben. Die äußeren Kühlrohre 85 (F i g. 2) sind in den oberen Enden der Öffnungen 86 in den Leisten 60 lose angeordnet und sind in gebohrte Öffnungen in den Graphitblöcken 51, durch welche sie verlaufen, besonders eingepaßt. Die inneren Rohre 80 sind innerhalb

der Außenrohre 85 angeordnet und erstrecken sich bis kurz vor dem Oberende der äußeren Rohre (Fig. 3). Die äußeren Rohre 85 haben aufgesetzte und auf ihnen silververlötete Kappen 88.

Die Lage der Kühlrohre 85 und der Graphitblöcke 51 zueinander ist sehr wichtig. Die äußeren Kupferrohre 85 sind mit Übergröße in die gebohrten und versenkten Graphitlöcher bei Raumtemperatur eingepaßt. Da die Rohre aus Kupfer sind, dehnen sie sich bei Gießtemperaturen mehr aus als der Graphitformblock und verbessern so den Anfangsberührungsdruck während der Betriebsperiode. Tatsächlich sind die entsprechenden Ausdehnungen von Kupfer und Graphit so unterschiedlich; daß ein gewöhnliches, ungeripptes, hartgezogenes Kupferrohr einen Graphitzylinder mit einer Wanddicke von 1,6 bis 1,9 cm sprengen würde, wenn dieselben fest zusammengesetzt und auf Betriebstemperaturen erwärmt würden.

Das Außenrohr 85 ist mit einer inneren Längsrippe 87 versehen. Daher verhindert die Längenausdehnungsrippe 87 einen zu starken Druck auf den Graphit, da die Ausdehnung des Rohres durch elastisches Zusammenfalten der Rippe unter Druck ausgeglichen wird und so das Kupferrohr die gewünschte Fassung Fläche auf Fläche mit dem Graphit 51 erhält.

Das Innenrohr 80 besitzt zwei äußere Längsrippen

91 und eine innere Längsrippe 92. Die innere Rippe

92 umgibt die innere Rippe 87, und die Außenrippe 91 bildet einen Abstandhalter zwischen Innen- und Außenrohr, um die in der Zeichnung besonders angegebenen Wasserdurchtritte zu bilden.

In der vorliegenden Form werden dreißig Kühlrohre verwendet, von denen jedes ein eine sorgfältig versenkte und etwas unterformartige Öffnung im Graphitblock eingedrückt ist. Solange diese Rohre genügend durch Wasser kühl gehalten werden, behalten sie ihren Paßsitz, ohne daß sie an Elastizität infolge Ausglühens verlieren. Es besteht nicht die Notwendigkeit, Kupferrohre mit höheren Ausglühtemperaturen als gewöhnliches phosphoriertes Kupfer vorzusehen.

Wie aus F i g. 3 ersichtlich, haben die Graphitblöcke erweiterte Spielraumvertiefungen 89 und 90 an den Oberenden der Rohre, um die Graphitblöcke an diesen Stellen zu entlasten. Desgleichen sind die Öffnungen im Graphit an den unteren Enden der Rohre etwas weiter als in den Mitten der Rohre, um die unteren Enden des Graphitblocks zu entspannen, wo kein dichter Schluß zwischen Kühlrohren und Graphitblock erforderlich ist, und zwar wegen der relativ kleinen Wärmemenge, die durch den Graphitblock an den unteren Enden der Rohre entzogen wird.

Die Rohre nehmen einen etwas größeren Durchmesser an ihren Enden als in ihrer Mitte an, wodurch jede Neigung der Rohre, in ihren öffnungen zu wandern, verringert wird.

Es wird eine große Raummenge Wasser in die unteren Enden der inneren Rohre 80 eingeleitet, die an den oberen Enden der Innenrohre überströmt und zwischen den Rohren 80, 85 fließt, wie in F i g. 3 und 4 durch Pfeile angedeutet ist. Um maximale Wärmeübertragung zu erzielen, steht die gerippte Seite des Rohre 85 der Rückseite der Fonnenwand gegenüber, so daß die runde Seite der Formenoberfläche 96 gegenüberliegt. Der Sitz des inneren Rohres 80 innerhalb des äußeren Rohres 85 bestimmt die Dimension des Rücklaufs für das Wasser, welcher so ausgebildet ist, daß ein maximaler Wasserstrom über die glatte Oberfläche gegenüber dem Formhohlraum und ein minimaler Strom auf der Rückseite gewährleistet ist. Diese Vorkehrungen bewirken eine sehr starke Strömung und Wasserersparnis, während gleichzeitig maximale Kühlwirkung herbeigeführt wird.

Um das Oberende der Form 13 und die Rohrkappen 88 gegen mechanische Beschädigung und gegen

ίο geschmolzenes Metall zu schützen, das etwa verspritzt würde, ist eine Reihe von Schutzblechen, die allgemein durch 94 bezeichnet sind, vorgesehen (vgl. besonders Fig. 1). Diese Bleche94 werden durch eine Reihe im Graphit verschraubter Bolzen festgehalten.

Die Graphitblockhälften laufen konisch verjüngt nach unten zusammen. Sie folgen damit der Schrumpfung des erstarrten Gußstückes und richten sich nach den Gießdimensionen. Da die konischen Verjüngungen den Kühlkontakt verbessern sollten und der Schwindcharakteristik des Barrens ziemlich genau folgen müssen, so folgt daraus, daß eine niedrige Gießgeschwindigkeit, die einen gut gekühlten Querschnitt hervorbringt, die Verwendung eines steileren Konus (d. h. bei größerem Winkel zur Senkrechten) gestattet als eine große Gießgeschwindigkeit, bei der das Formstück bei höhererer Temperatur aus der Form tritt.

Die direkte Berührung des geschmolzenen Metalls mit dem reinen Graphit und den zusammengepreßten Kühlrohren ergibt sich äußerst wirksame Wärmeübertragung und eine erhöhte Gießgeschwindigkeit für Kupferplatten, die einen Querschnitt von etwa 11,25 bis 62,50 cm aufweisen, bis mindestens 20 Stundentonnen, während gleichzeitig eine maximale Graphittemperatur von 427° C an der Erstarrungszone aufrechterhalten wird. Die durch die Graphitwände übertragene Wärme beträgt wahrscheinlich im Durchschnitt 200 kcal/cm² Std.

Um eine Kühlung dieser Art sicherzustellen, benötigt die dargestellte Form etwa 5850 l/min Wasser bei etwa 2,5 kg/m². Die Hälfte dieser Menge wird auf jedes der beiden rechteckigen Sammelrohre am Boden der Form verteilt. Jedes Sammelrohr seinerseits speist eine Reihe von Kühlrohren und die drei Satz von Hochdruckbrausen, welche die heiße Oberfläche des austretenden Gußstückes beaufschlagen. Das in jedes Hauptkühlrohr einströmende Wasser wird nach oben geleitet und dann wieder zurück zwischen die beiden Rohre mit freiem Auslauf am Formboden in den Tank 20.

Die obige Form hat viele Vorteile. Infolge Fehlens des Schmierfilms und auf Grund des wirksamen Wärmeentzugs kann mit größerer Durchsatzgeschwindigkeit gegossen werden als bei einer Ganzmetallform. Die konischen Verjüngungen lassen sich bei einer Graphitwand leichter als bei einer Ganzmetallform ausführen. Die Form kann innerhalb bestimmter Grenzen vergrößert oder verkleinert werden, indem entweder die formgebenden Oberflächen oder die aneinanderstoßenden Flächen der beiden Graphithälften abgearbeitet werden, indem die Ausbildung der den Formhohlraum begrenzenden Graphitwand und die Anordnung der Kühlrohre geändert wird.

An Stelle des oben beschriebenen, gerippten, runden, dehnbaren Rohres zur Schaffung eines elastischen Drucksitzes gegen die versenkte Öffnung im

Graphit kann dem Rohr ovaler oder elliptischer Querschnitt und etwas Übermaß gegeben werden. Das Rohr wird dann in die Graphitöffnung gedruckt, welche den elliptischen Querschnitt zu einem mehr kreisförmigen macht. Da Graphit und Kupfer während des Gießvorganges erwärmt werden, wird durch die Ausdehnung des Kupferrohres dessen Form geändert, wodurch es sich mehr einer Kreisform nähert, und gleichzeitig wird die Kontaktfläche zwischen Kupferrohr und Graphitöffnung vergrößert und der Berührungsdruck verstärkt. Die größere Achse der von dem elliptischen Querschnitt gebildeten Ellipse kann senkrecht zur Oberfläche des Formhohlraumes stehen, so daß die Fläche besten Wärmekontaktes zwischen Rohr und Graphit an dem Formhohlraum vorhanden ist.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Durchlaufkokille zum Stranggießen von Metallen, bestehend aus einem Graphitblock, der einen beiderseits offenen Formhohlraum umschließt zur Aufnahme von flüssigem Metall an seinem oberen Ende und zur Abgabe des erstarrten Gußstranges aus seinem unteren Ende, wobei die Kokille unabhängig vom zugehörigen Schmelzofen angeordnet ist und mit einem eigenen freiliegenden Gießspiegel betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß in die Blockwandungen (51) Kühlkanäle eingearbeitet sind, die mit Kupferrohren (85) ausgefüttert sind, welche zur Erhöhung des Wärmeüberganges unter Druck an den Wandungen der Kanäle anliegen.

2. Durchlaufkokille nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Wandungen der Futterrohre (85) längslaufende, nach innen gerichtete federnde Sicken (87) eingearbeitet sind.

3. Durchlaufkokille nach den Ansprüchen 1 und 2 zum Stranggießen von Kupfer, insbesondere phosphorhaltigem und zähgepoltem Kupfer, gekennzeichnet durch eine der Schwindung des Gießgutes entsprechende Verengung ihrer Längswandungen (96) und von Wandausnehmungen (74) mit dazwischenliegenden Rippen im unteren Kokillenteil für die direkte Kühlung des in dieser Zone erstarrten Stranges sowie Mittel für die Oszillationsbewegungen der Kokille in Achsrichtung.

4. Durchlaufkokille nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Formhohlraum (62, 96) länglich-rechteckigen Querschnitt hat.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 209 617, 846 900;

deutsche Patentanmeldungen ρ 55709 VI/31cD (bekanntgemacht am 7. Juni 1950), W 3788 VI/31c (bekanntgemacht am

5. Juni 1952);

USA.-Patentschriften Nr. 2136 394, 2135 465;

»Neue Hütte«, 1 (1956), S. 303 bis 307;

»Zeitschrift f. Metallkunde«, 43 (1952), S. 186;

»Iron Age«, 174 (1954), Nr. 19, S. 116.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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