DE1234943B - Verfahren und Einrichtung zum kontinuierlichen Stranggiessen von Metallgussbloecken - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

B22d

Deutsche KL: 31 b2-11/10

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

R 31697 VI a/31 b2
15. Dezember 1961
23. Februar 1967

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum kontinuierlichen Stranggießen von Metallblöcken, insbesondere aus Aluminium, wobei die hergestellten Gußstränge einen höheren Reinheitsgrad aufweisen als das jeweilige Einsatzmetall.

Für handelsübliche Aluminiumgußblöcke hohen Reinheitsgrades besteht eine große Nachfrage, insbesondere auf den Gebieten der Herstellung von elektrischen Leitern und Kondensatoren, von Katalysator-Trägermassen für die Ölaufbereitung, von korrosionsbeständigen chemischen Apparaten, von Metallwaren aller Art, von Kraftfahrzeug-Ausrüstungsteilen und, seit kurzem, auch von Kernreaktoren.

Bei bekannten Verfahren zur Herstellung von Metallgußblöcken von hohen Reinheitsgraden mittels elektrolytischer Raffination werden keine Erzeugnisse erzielt, welche über die Länge des jeweils hergestellten Gußblockes einen gleichmäßigen Reinheitsgrad aufweisen. Ferner eignen sich diese bekannten Verfahren nicht zur kontinuierlichen Fertigung.

Außerdem ist ein Verfahren zur Erzeugung von raffinierten Metallformstücken aus nichtraffinierten Metallen bekannt, bei welchem auf einer Schmelze bzw. in einer Schmelze durch örtlichen Wärmeentzug eine Kruste gebildet wird, die fortwährend aus der Schmelze entnommen wird. Bei dem bekannten Verfahren wird die Schmelzenmenge so bemessen, daß immer eine bestimmte, gegenüber der jeweils in Form einer Metallkruste entnommenen Metallmenge erheblich größere Metallmenge in der Schmelze zurückbleibt.

Auch bei diesem bekannten Verfahren, welches im wesentlichen kontinuierlich arbeitet, werden keine über die gesamte Stranglänge hinsichtlich des Reinheitsgrades gleichförmigen Gußstränge erzielt.

Durch die Erfindung soll demgemäß die Aufgabe gelöst werden, ein kontinuierliches Stranggießverfahren zu schaffen, mittels welchem Metallgußstränge von über die Stranglänge hoher Gleichförmigkeit der Metallzusammensetzung erzeugt werden können.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem kontinuierlichen Stranggießverfahren, insbesondere zur Herstellung von Aluminiumgußblöcken, mit einer vertikalen, ofenunabhängigen Stranggießkokille dadurch gelöst, daß der Stranggießkokille fortwährend mehr Schmelze, als im abgezogenen Strang erstarrt, derart zugeleitet wird, daß die nicht zur Erstarrung gelangte Schmelzenmenge abgeführt wird.

Mittels des erfindungsgemäßen kontinuierlichen Verfahrens hergestellte Gußstränge weisen demgemäß über ihre ganze Länge einen gleichbleibenden Reinheitsgrad auf, der über dem Reinheitsgrad des ver-Verf ahren und Einrichtung zum kontinuierlichen Stranggießen von Metallgußblöcken

Anmelder:

Reynolds Metals Company,

Henrico County, Va. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Holzer, Patentanwalt,

Augsburg, Philippine-Welser-Str. 14

Als Erfinder benannt:

John Lyons Dewey, Florence, Ala. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. ν. Amerika vom 16. Dezember 1960
(76236)

schmolzenen Einsatzmetalls liegt. Die Herstellung von in sich homogenen Gußblöcken handelsüblicher Abmessungen und solchen hohen Reinheitsgrades kann gemäß der Erfindung zu nur einem Bruchteil der Kosten des obenerwähnten elektrolytischen Raffinationsverfahrens erfolgen. Derartige Gußblöcke können in jedem gewünschten Reinheitsgrad hergestellt werden, indem die Fertigungsgeschwindigkeit oder die Zufuhrgeschwindigkeit des Einsatzmetalls geändert wird, so daß also die Herstellungskosten in unmittelbarer Beziehung zu dem jeweils angestrebten Reinheitsgrad stehen.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird dafür Sorge getragen, daß die Einsatzschmelze rasch über die Erstarrungsfront des sich bildenden Gußstranges hinweggeführt wird, indem die Metallschmelze entsprechend umgerührt wird. Die gegenseitigen Verhältnisse der in der Zeiteinheit zugeführten Einsatzmetallmenge, der in der Zeiteinheit in Form des erstarrten Gußstranges aus der Kokille ab-

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gezogenen Metallmenge und der in der Zeiteinheit aus der Kokille abgeführten Menge geschmolzenen Metalls werden hierbei jeweils im wesentlichen unveränderlich gehalten.

Die in der Zeiteinheit zu- bzw. abgeführten Metallmengen können je nach Wunsch erhöht oder vermindert werden, in welchem Fall sich der Reinheitsgrad des Erzeugnisses in umgekehrtem Verhältnis zur Herstellungsgeschwindigkeit ändert. So wurden beispielsweise Gußstränge von einem Durchmesser von 200 mm aus Metalleinsätzen verschiedenen Reinheitsgrades mit verschiedener Herstellungsgeschwindigkeit hergestellt, wobei die Beziehungen zwischen den einzelnen das Erzeugnis bestimmenden Größen in folgender Tabelle zusammengestellt sind.

C pt-) m at 7p	Erzeugte Menge	Zusammensetzung	Erzeugnis
O Uli 1 i iCiZrC Nr.	in der Zeiteinheit	(Prozent Reinaluminium)	99,983
	kg/h	Einsatzmetall	99,97
6	2,3	99,90	99,976
7	20,4	99,90	99,966
3A	3,4	99,87	99,961
2A	4,5	99,87	99,956
2B	6,8	99,87	99,93
3B	7,9	99,87	98,4
5	2,3	99,78
4	3,2	96,1

Die Herstellung eines beispielsweise mit der Schmelze Nr. 7 gleichwertigen Erzeugnisses würde bei Anwendung des Dreischichten-Elektrolyse-Raffinationsverfahrens eine besondere konstruierte elektrolytische Zelle mit Salzschmelze, einen Stromaufwand von 62 000 Ampere Gleichstrom, den entsprechenden installationsmäßigen Aufwand für Gleichrichtung und Stromverteilung und außerdem eine vollkontinuierlich arbeitende Kokillengießanlage zur Herstellung des Gußblockes erfordern.

Die Erfindung wird nunmehr beispielsweise unter Bezug auf die Zeichnungen im einzelnen erläutert. In den Zeichnungen stellt dar

F i g. 1 ein teilweise geschnittenes Teilschema der Gieß- und Raffinationseinrichtung nach der Erfindung und

F i g. 2 eine perspektivische Ansicht des Rührwerks der Gießanlage nach der Erfindung in auseinandergenommenem Zustand.

Die vollkontinuierlich arbeitende Kokillengießanlage nach der Erfindung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Stranggießverfahrens weist eine ofenunabhängige Stranggießkokille 10 auf, deren Einlaß oben und deren Auslaß unten angeordnet sind. Das geschmolzene Einsatzmetall wird über eine beheizte Röhre 11 oben am Einlaß eingeführt, während unterhalb der Kokille ein Sprühring 12 angeordnet ist, mittels welchem die Abkühlung des aus der Kokille austretenden Gußstranges 60 beschleunigt wird. Der kontinuierlich erzeugte Strang wird mittels einer hydraulischen Absenkeinrichtung aus dem Kokillenauslaß herausgezogen, beispielsweise mit 25 mm/h. Mittels eines Rührwerks 14 wird der geschmolzene Teil des Einsatzmetalls rasch über die Erstarrungsfront des Gußstranges hinweggeführt. Über ein beheiztes Überlaufrohr 15 wird geschmolzenes Metall kontinuierlich aus der Kokille abgezogen. Hierbei wird auch dasjenige Metall abgezogen, welches bereits über die Erstarrungsfront des erstarrenden Metall-Gußstranges hinweggeführt wurde und welches einen höheren Gehalt an Verunreinigungen aufweist als das Einsatzmetall. Das Umrühren des geschmolzenen Metalls wird mittels des Rührwerks 14 so ausgeführt, daß das in der Nähe der Grenzfläche zwischen der flüssigen und der erstarrten Metallphase befindliche geschmolzene Metall um die Längsachse des erzeugten Gußblockes kreist, während es gleichzeitig nach unten in Richtung auf die Außenbereiche dieser Grenzfläche

ίο gezogen wird, um von da zur Gußblockachse und aus dem Mittelbereich dieser Grenzfläche nach oben abgezogen zu werden, wie dies allgemein durch die in Fig. 1 der Zeichnungen eingetragenen Pfeile angedeutet ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren, bei welchem sich ein völlig gleichbleibender Reinheitsgrad längs des jeweils erzeugten Gußblockes ergibt, wird in einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben.

Von einem Schmelztiegel kommt durch das Überlaufrohr 11 eine in der Zeiteinheit im wesentlichen konstante Aluminiummenge, die durch dieses Überlaufrohr in die Stranggießkokille 10 der vollkontinuierlichen Gießanlage übertritt.
Das Überlaufrohr 11 ist innerhalb eines Rohres 32 angeordnet, dessen Äußeres mit einer entsprechenden Wärmeisolation umgeben ist. Die heißen Verbrennungsgase des Gießofens können durch den Ringraum 34 zwischen diesen beiden Rohren entweichen und halten dadurch die Temperatur des Überlaufrohres 11 über dem Schmelzpunkt des Einsatzmetalls. Das Überlaufrohr 11 schließt einerseits dicht an den Schmelztiegel an und befindet sich mit seinem anderen Ende über dem Oberteil der Stranggießanlage, so daß das aus dem Schmelztiegel über das Überlaufrohr in diese gelangende Einsatzmetall am Einlaß 36 in die Kokille 10 einfließt.

Die Stranggießkokille 10 hat die Form eines vertikal angeordneten Graphitrohres mit einem Innendurchmesser von 200 mm und ist innerhalb eines röhrenförmigen Tongraphitkörpers 37 angeordnet, der seinerseits wiederum innerhalb des gasbeheizten Gießofens 33 angeordnet ist. Innerhalb der Kokille 10 befindet sich das Rührwerk. Die innere Lippe des glockenförmigen Oberteils der Kokille 10 ist mit einem Tonerdeverguß 38 ausgefüllt, um zu verhindern, daß infolge der oberhalb des Pegels des geschmolzenen Aluminiums vorhandenen Luft Verbrennungen auftreten. Mittels einer Kugelgelenkverbindung 39 ist ein Überlaufrohr 15 an die Kokille angeschlossen. Durch dieses läuft das geschmolzene Aluminium in einen Gießtiegel 40, der außerhalb der eigentlichen Stranggießanlage angeordnet ist und das Überlauferzeugnis aufnimmt. Das untere Ende 41 des Tongraphitkörpers 37 verjüngt sich nach unten zu und ragt durch eine Öffnung 42 in einer Stahlplatte 43 nach unten hervor. Der obere Teil des Tongraphitkörpers 37 ist mittels Graphitzement derart mit der Kokille 10 verbunden, daß sich ein guter Wärmeübergang ergibt. Das untere Ende des Tongraphit- körpers 37 hat geringen Abstand von der Kokille 10, und der dadurch entstehende Zwischenraum ist mit wärmeisolierendem Material ausgefüllt. Der Gießofen 33 wird mittels eines Gasbrenners 44 beheizt und mittels eines bei 74 angedeuteten Thermoelementes thermostatisch nach einem Sollwert geregelt. Die während des normalen Betriebes des Schmelzofens an der Lötstelle des Thermoelementes tatsächlich gemessene Temperaturabweichung war + V4⁰ C.

Claims (4)

Das gemäß der Erfindung vorgesehene Rührwerk besteht aus einem Rührkopf 45 aus handelsüblichem Graphit, einer Welle 46 aus Tongraphit, einer Antriebseinrichtung zum Antrieb der Welle und des Rührkopfes mit einer bestimmten, gleichbleibenden Drehzahl und Einrichtungen zur Einstellung der vertikalen Lage des Rührwerks. Der in Fig. 2 der Zeichnungen im einzelnen dargestellte Rührkopf ist aus einem Block aus handelsüblichem Graphit ausgeschnitten, so daß sich ein massiver Mittelschaft 49 mit vier Rührflügeln 50 am Unterende ergibt. Jeder Rührflügel 50 hat mit Bezug auf die vertikale Welle eine Neigung von 45° und ist etwa 25 mm dick. Die Rührflügel sind jeweils in gegenseitigen Winkeln von 0, 90, 180 und 270° mit Bezug auf die Nabe angeordnet. An den Außenenden der Rührflügel ist mittels Graphitstiften eine Graphitmuffe 51 befestigt. Das obere Ende der Welle 49 ist mittels eines Gewindes an die Tongraphitwelle 46 angeschlossen, die ihrerseits in einer Stahlbüchse 52 gehalten ist. Die Stahlbüchse ist an einer Welle 53 angeschweißt, die zwischen 55 und 550 U/min stufenlos einstellbar angetrieben wird und mit Bezug auf die Kokille vertikal verstellbar ist, wobei 200 U/min einen bevorzugten Wert darstellt. Der Durchmesser des Gußblockes unterliegt selbstverständlich von der Erstarrungsfront bis zum völlig abgekühlten Ende des Gußblockes einer zunehmenden Schrumpfung. Die Grenzfläche zwischen der flüssigen und der erstarrten Metallphase befand sich während des praktischen Betriebes normalerweise etwa 400 mm oberhalb des Kokillenbodens. Der Abstand des Rührkopfes von der Erstammgsfront wird fortwährend durch Messungen mittels eines Meßstabes aus Graphit überwacht und auf etwa 25 mm konstant gehalten. Soll die Stranggießanlage gemäß der Erfindung außer Betrieb gesetzt werden, so wird die Aluminiumzuführung unterbrochen, das Rührwerk 14 aus der Kokille herausgehoben, der Kühlwasserzulauf unterbrachen, und zuletzt werden die Gasbrenner abgestellt, so daß das noch in der Anlage befindliche Aluminium an Ort und Stelle erstarren kann. Nach dem oben erläuterten Stranggußverfahren gemäß der Erfindung wurde ein Gußstrang von einet Länge von 2100 mm eines sehr hohen Reinheitsgrades erzeugt. Vorgenommene Analysen zeigten, daß der Verunreinigungspegel des Erzeugnisses wesentlich unter demjenigen des Einsatzes lag, wobei die Verunreinigungen an Silizium um 87°/o niedriger lagen, diejenigen an Eisen um 94% niedriger, diejenigen an Kupfer um 84% niedriger, diejenigen an Magnesium um 67°/o niedriger, diejenigen an Zink um 45% niedriger und diejenigen an Gallium um 55% niedriger. Durchschnittsanalysen des Erzeugnisses, des Einsatzes und des Überlaufes ergaben folgende Vergleichswerte: Verunreinigungs- elementEinsatz ppmErzeugnis ppmÜberlauf ppmSilizium Eisen 348 42046 25395 469Kupfer 18 9 683 3 3719Magnesium .. Zink 71327 71Gallium 86 Die Verteilungskurve der Gesamtverunreinigungen in dem erzeugten Gußstrang längs des 2100 mm langen Abschnittes verläuft im wesentlichen horizontal. Auch in Querschnittsrichtung wurde eine im wesentlichen konstante Verteilung der Verunreinigungen erzielt. Patentansprüche:

1. Kontinuierliches Stranggießverfahren, ins-. besondere zur Herstellung von Alummiumgußblöcken, mit einer vertikalen ofenunabhängigen Stranggießkokille, dadurch gekennzeichnet, daß der Stranggießkokille fortwährend mehr Schmelze, als im abgezogenen Strang erstarrt, derart zugeleitet wird, daß die nicht zur Erstarrung gelangte Schmelzenmenge abgeführt wird.

2. Stranggießverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschmelze in der Nähe der Erstarrungsfront des sich bildenden Gußblockes in Bewegung versetzt wird.

3. Stranggieß verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschmelze in einer spiralförmigen Bahn in Richtung auf die Erstarrungsfront des gebildeten Gußstranges nach abwärts, anschließend nach innen in Richtung auf die Gußstrang-Längsachse und sodann von der Erstarrungsfront weg nach oben geführt wird.

4. Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Stranggießkokille (10) ein in die Metallschmelze eintauchendes, der Erstarrungsfront (70) des Gußstranges (60) gegenüberstehendes Rührwerk (14) angeordnet ist und daß die Stranggießkokille an ihrem oberen Ende mit einer Abführöffnung (0) für die nicht zur Erstarrung gelangte Schmelze versehen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 665211;
Herrmann, »Handbuch des Stranggießens«,
1958, S. 104.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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