DE1912295C3 - Verfahren zum kontinuierlichen Einführen eines Kornverfeinerungs- oder Legierungsmittels in geschmolzene Metalle - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Einführen eines Kornverfeinerungs- oder Legierungsmittels in geschmolzene Metalle, bei dem das geschmolzene Metall aus einer Vorratsquelle in einen verengten rinnenartigen Durchgang unter Bildung eines durch den Durchgang und von dort in eine Gießzone fließenden Stromes gegossen wird und gleichzeitig in den in dem Durchgang fließenden Metallstrom ein fester stangenförmiger Vorrat eines metallischen Behandlungsmittels für das geschmolzene Metall in zum Metallstrom geneigter Lage eingeführt wird, und die Einführungsgeschwindigkeit des Behandlungsmittels nicht größer ist als sein Verbrauch im Metallstrom.

Bei einem gegenwärtig bevorzugten Verfahren zum Einführen eines Kornverfeinerungsmittels in ein Metall, wie Aluminium und seine Legierungen, wird eine Vorlegierung auf Aluminiumbasis, die das Kornverfeinerungsmittel enthält, dem geschmolzenen Aluminium oder der Aluminiumlegierung in einem Warmhalteofen oder einer Gießpfanne zugesetzt. Das Kornverfeinerungsmittel ist ein in Aluminium unlösliches Metall, eine Legierung oder eine intermetallische Verbindung, die bei gleichmäßiger Verteilung in dem geschmolzenen Aluminium fest bleibt (oder sich vor dem Aluminium verfestigt) und das Aluminium veranlaßt, bei dessen Verfestigung in feiner Korngröße zu kristallisieren. Um dieses Ergebnis zu erzielen, muß das Kornverfeinerungsmittel, das im Vergleich zum geschmolzenen Wirtsmetall in sehr geringen Mengen zugesetzt wird, nicht nur anfänglich im gesamten geschmolzenen Metall gut verteilt sein, sondern in diesem auch gut verteilt bleiben, bis sich das geschmolzene Wirtsmetall verfestigt.

Zur Erzielung einer guten anfänglichen Verteilung eines Kornverfeinerungs- oder Legierungsmittels wurde bisher eine Aluminium-Vorlegierung verwendet, die das Mittel in gleichmäßiger Verteilung in der Aluminiumbasis enthielt. Wird diese Vorlegierung einer Masse des geschmolzenen Aluminiums vor dem Gießen in fester Form zugesetzt, dann schmilzt der feste metallische Aluminiumbestandteil der Vorlegierung und setzt das Kornverfeinerungs- oder Legierungsmittel frei. Um eine gleichmäßigere anfängliche Verteilung des Behandlungsmittels über das gesamte geschmolzene Aluminium zu erzielen, wurde die Vorlegeirung bisher in relativ kleinen aufgeteilten Massen zugesetzt. Je kleiner jedoch diese einzelnen Teilchen sind, desto mehr durch Luftoxydation gebundenen Sauerstoff enthalten sie. je größer andererseits die Teilchen sind, desto mehr neigen sie dazu, sich am Boden der Masse aus geschmolzenem Aluminium abzusondern.

Es wurden bisher auch einige Vorschläge gemacht, ein Metall in einen Strom eines anderen geschmolzenen Metalls einzuführen. Bei diesen Vorschlägen wurde das f remdmetall entweder absichtlich oder unabsichtlich in einer solchen Zusammensetzung oder einer solchen Weise zugesetzt, daß ein Zerreißen des Stromes verursacht wurde. Bei vielen Gießverfahren wird eine solche Turbulenz, wie sie durch das Zerreißen des Metallstromes hervorgehoben wird, als untragbar oder mindestens unerwünscht angesehen, da sie die Auflösung der umgebenden Atmosphäre oder mindestens einer ihrer Bestandteile in dem geschmolzenen Metall fördert.

In E. Herrmnn, »Handbuch des Stranggießens«, 1958, S. 331, ist unter Hinweis auf die deutsche Patentanmeldung Sch 8224 ausgeführt, daß bei der Herstellung von Blöcken aus Aluminiumlegierungen eine gleichmäßige Verteilung von tiefschmelzenden Legierungskomponenten dadurch ereicht werden kann, daß die Legierungsbestandteile entweder in fester oder in flüssiger Form der zufließenden Schmelze in der Gießrinne oder in dem flüssigen Gießtopf zugeführt werden, wobei in den Lauf der Metallschmelze vorzugsweise ein Mischer mit gegenläufigen Wendeln eingeschaltet wird.

Bei der in der Patentanmedlung Sch 8224 schematisch dargestellten Ausführungsform wird eine Legierungsschmelze oder ein Legierungsdraht in die durch eine Gießrinne strömende Metallschmelze schräg in deren Strömungsrichtung eingeführt, nachdem sie etwa die Hälfte der Länge der Gießrinne durchflossen hat. Im Anschluß an die Gießrinne ist dann stets der Mischer vorgesehen. Daraus läßt sich folgern, daß das Einführen fester Legierungsbestandteile in die durch die Gießrinne strömende Schmelze in Form eines Drahtes zwar ausreicht, die gewünschte Menge an Legierungsmetall abzuschmelzen, nicht aber, um auch eine gleichmäßige Verteilung in der Schmelze zu erzielen. Deshalb ist noch ein Mischer mit vorteilhafterweise gegenläufigen Wendeln nachgeschaltet, um eine Gewähr für ein ausreichendes Durchmischen zu haben. Daß durch geeeignetes Abstimmen von Strömungsgeschwindigkeit der Metallschmelze, Art der Einführung und Form des festen Legierungsmetalls sowie Einen-

gung des Stromes in der Rinne eine derari gute Vermischung der Legierungsbestandteile in der Metallschmelze bereits schon in der Rinne erzielt werden kann, so daß sich ein nachgeschalteter Mischer in jedem Falle erübrigt, ist für den Fachmann aus dieser Druckschrift nicht erkennbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zum kontinuierlichen Einführen eines Kornverfeinerungs- oder Legierungsmittels in geschmolzene Metalle zu schaffen, welches die bisher aufgetretenen Probleme vermeidet und eine gleichmäßige Verteilung des Behandlungsmittels oder eines seiner Bestandteile über das gesamte Metall, dem es zugeführt wird, sichert.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer vollständigen Verteilung des Behandlungsmittels in dem in dem rinnenartigen Durchgang fließenden Metallstrom der stangenförmige Vorrat so nahe wie möglich an der Ursprungsstelle des Stromes in dem ; innenartigen Durchgang schräg stromaufwärts und mit einem solchen Querschnitt in den Strom eingeführt wird, daß eine deutliche Störung des Strömungsbildes des Metallstromes ohne eine Beeinträchtigung der Geschlossenheit des Stromes bewirkt wird, und der verengte rinnenartige Durchgang im Anchluß an die Einführungsstelle ausreichend lang gehalten wird, um die Störung des Flusses mit Hilfe der Seilenwände bis zur gleichmäßigen Verteilung des Behandlungsmittels im geschmolzenen Metall aufrechtzuerhalten.

Die Stange wird nicht schneller nachge^führt als sie von dem fließenden geschmolzenen Metall in dem Durchgang verbraucht wird, und das erhaltene erfindungsgemäß behandelte geschmolzene Metall fließt anschließend in eine Gießzone. Wird die Vorlegierung in das geschmolzene Metall, das in dem Durchgang mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit fließt, eingeführt, dann enthält das in die Gießzone einfließende geschmolzene Metall einen vorbestimmten gleichmäßig in diesem verteilten Anteil an dem Behandlungsmittel.

Die geschmolzenen Metalle, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt werden können, umfassen im wesentlichen reine Metalle und deren Legierungen, so z. B. Aluminium, Zink, Kupfer, Eisen, Nikkei u. dgl., welche gegossen werden können oder sollen.

Für die Durchführung der Erfindung brauchbare Vorlegierungen sind im allgemeinen solche, die als verträglich mit dem geschmolzenen Metall, dem sie zugesetzt werden, bezeichnet werden können. Der als Behandlungsmittel dienende Bestandteil der Vorlegierung kann jedes Metall, jede Legierung oder intermetallische Verbindung sein, die beim Zusatz zu dem geschmolzenen Wirtsmetall oder der Wirtslegierung dessen bzw. deren Modifizierung in der gewünschten Weise verursacht. Die für die obenerwähnten Metalle und Legierungen bisher allgemein verwendeten Kornverfeinerungs- und Legierungsmittel sind für die Durchführung der Erfindung brauchbar. Diese Mittel umfassen Bor, Titan, Zirkonium, Niob, Tantal sowie Titan-, Zirkonium, Niob- und Tantalboride und sind in einem Grundmetall in Mengen von im allgemeinen nicht me^r als etwa 10 Gewichtsprozent enthalten. Repräsentative Vorlegierungen dieser Art auf Aluminiumbasis sind beispielsweise: Aluminium mit 0,5 bis 5% Bor, Aluminium mit 2 bis 10% Titan oder Zirkonium oder insgesamt an beiden und Aluminium mit 0,1 bis 5% Bor, 2 bis 10% Titan oder Zirkonium oder insgesamt an beiden. Ähnliche Kornverfeinerungsmittel können außer für ihr Grundmittel auch für die Kornverfeinerung von anderen Metallen als Aluminium verwendet werden. Für Kupfer, Messing und Bronze können aber auch zusätzliehe Mittel, wie etwa Vorlegierungen, die Mangan und Eisen enthalten, verwendet werden. Alle diese Behandlungsmittel sind für Stahl und Nichteisenmetalle nicht nur für die Kornverfeinerung, sondern allgemein für Legierungszwecke verwendbar. Die Zusammensetzung der Vorlegierung sollte natürlich so gleichmäßig wie möglich sein, um die maximale Auswirkung der durch die Erfindung erzielten gleichmäßigen Verteilung des Kornverfeinerungsmittels über das geschmolzene Wirtsmetali zu erhalten.

Das zugesetzte Mittel wird in Form eines festen, stangenförmigen Körpers, d. h. in Form von Stangen, Drähten, Barren, Bändern u.dgl. wie sie durch herkömmliche Verfahren, wie direkten Kokillenguß, kontinuierliches Gießen, Strangpressen, Walzen oder WaI-zen und Ziehen, geformt sind, nachgeführt. Der Querschnitt des stangenartigen Körpers kann kreisförmig, oval, quadratisch, länglich u. dgl. sein, muß aber eine wesentliche Behinderung des Flusses des geschmolzenen Metallstromes bieten, um eine deutliche Störung des Flusses zu bewirken. Der Durchmesser oder maximale Querschnitt dieser stangenförmigen Körper liegt im allgemeinen vorteilhafterweise im Bereich von etwa 3 bis 12 mm, kleinere und größere Größen können jedoch ebenfalls wirkungsvoll verwendet werden. Die wirkliche Größe wird durch die Geschwindigkeit bestimmt, mit welcher die Vorlegierung in das geschmolzene Metall eingebracht werden soll. Stangen oder stangenförmige Drähte mit einem relativ geringen Durchmesser sind für jede vorbestimmte Nachschubgeschwindigkeit bevorzugt, um ein maximales Verhältnis von Oberfläche zu Masse für den wirkungsvollsten Verbrauch der Vorlegierung in dem strömenden geschmolzenen Metall zu bieten. Die Stangen können jede herkömmliche Länge haben, so z. B. Abschnitte von 150 m Länge sein, die auf einen Haspel aufgewikkelt sind. Es können aber auch einzelne Abschnitte End zu End verschweißt werden, um eine tatsächlich endlose Stange zu erhalten, was für den Nachschub des Behandlungsmittels in dem kontinuierlichen Gießbetrieb besonders erwünscht ist.

Zur Überführung des geschmolzenen Metalls von einem Warmhalteofen in eine Gießzone wird gewöhnlich eine Gießrinne verwendet. In einem solchen Fall wird die stangenförmige Vorlegierung dem durch diese Rinne als verengten rinnenartigen Durchgang fließenden geschmolzenen Metall erfindungsgemäß zupeführt. Wegen des Problems eines möglichen Absetzens und einer hierdurch bedingten Absonderung des Behandlungsmittels oder einer seiner Komponenten in dem in der Gußform befindlichen Metall ist es ständige Praxis, die Temperatur des geschmolzenen Metalls in dem Warmhalteofen oder der Gießpfanne so nahe wie möglich am Verfestigungspunkt des Metalls zu halten und somit den Grad an Überhitzung in dem Metall beim Gießen zu begrenzen. Dementsprechend wird die Stange oder der stangenförmige Draht aus der Vorlegierung erfindungsgemäß in die heißeste Zone des Stromes aus dem geschmolzenen Metall eingeführt. Dies ist im allgemeinen die Zone, die der Ausgabestelle des geschmolzenen Metalls aus dem Warmhalteofen oder der Vorratspfanne am nächsten ist. Zusätzlich zu dem Vorteil der in dieser Zone zum Schmelzen des Grundmetall-Bestandteils der Vorlegierung zur Verfügung ste-

henden größeren Wärme wurde gefunden, daß diese Zone häufig diejenige ist, die sich durch den größten Grad an Strömung bzw. Durchwirbelung auszeichnet und daher zum Verbrauch und der sorgfältigen Vermischung der Vorlegierung in dem geschmolzenen Metall 5 am meisten beiträgt. Die Bewegung des geschmolzenen Metalls beim Durchfluß durch den restlichen Teil der Rinne oder durch sich an einen Verleilerbehälter anschließende Rinnenverzweigungen der oben beschriebenen Art bewirkt und erhält weiterhin eine sorgfältige und gleichförmige Verteilung des Behandlungsmittels in dem geschmolzenen Metall bei seinem Einfluß in die Gießzone.

Die erfindungsgemäße Einführung des stangenförmigen Vorrats in Richtung schräg stromaufwärts fördert in besonders günstiger Weise die Störung des Flusses des geschmolzenen Metalls und erhöht dessen Bewegung in der Rinne, ohne eine abreißende Turbulenz zu ergeben. Wie aus der Figur der Zeichnung ersichtlich ist, wird die Stange 1 durch die offene Oberseile der Rinne 2 und in Richtung auf die Quelle 3 des Stromes 4 eingeführt. Auf diese Weise wird der relativ stumpfe Querschnitt der Stange dem Strom des geschmolzenen Metalles dargeboten und verursacht eine deutliche Störung in dessen Strömungsbild. Der Teil der stcngenförmigen in das geschmolzene Metall eingetauchten Masse des Behandlungsmittels direkt in Flußrichtung hinter dessen vorderem Ende neigt durch Oberflächenspannung zwischen dem geschmolzenen Metall und der Stange dazu, das fließende geschmolzene Metall in Kontakt mit der Stange zu halten, und zwar für einen wesentlichen Abstand in Flußrichtung hinter der Störung, die durch ihr vorderes Ende verursacht wird, und wirkt somit einer Tendenz der Störung zur Verursachung eines Zerreißens der Ganzheit des Stromes entgegen. Die Seitenwände der Rinne engen den Fluß des Stromes hinter dem Zugabepunkt des Mittels ein und tragen zur Aufrechterhaltung des gestörten Flusses und der erfindungsgemäß oberhalb erzeugten Vermischung über die gesamte Länge der Rinne bei. Erfindungsgemaß ist ein gestörter Fluß erforderlich, da er die Wirbelbewegung innerhalb des eingeengten Stromes fördert und eine gleichförmige Verteilung des Behandlungsmittels über das gesamte Wirtsmetall sichert. Andererseits ist ein abreißender Fluß, in dem die Ganzheit des Stromes deutlich beeinträchtigt ist, beispielsweise durch Aufbrechen in kleinere Ströme, zu vermeiden, da er die Auflösung von einem oder mehreren Komponenten der umgebenden Atmosphäre in dem geschmolzenen Metali fördert Die Bildung und Aufrechterhaitung eines einzelnen zusammenhängenden Stromes aus dem geschmolzenen Metall von der Eingießstelle über die Zugabestelle bis zur Gießzone ist somit erfindungsgemäß möglich.

Die stangenförmige Vorlegierung kann mit Hilfe von Zuführungseinrichtungen der Art, wie sie zum Nachschub von Schweiß- oder Lötdraht für einen Schweißoder Lötvorgang verwendet werden, leicht in den Strom des geschmolzenen Wirtsmetalls eingeführt werden. Die Zuführgeschwindigkeit ist dabei vorteilhafterweise varrierbar, so daß der Nachschub der Vorlegierung in das geschmolzene Metall genau bemessen werden kann. Falls erwünscht, kann die Zuführeinrichtung auch ein Vorheiz-Element enthalten, so z. B. eine elektrische Induktionsspule, die die stangenförmige Vorlegierung nahe an der Stelle der Einführung in den Strom des geschmolzenen Metalls umgibt.

Weitere Erläuterungen der Erfindung ergeben sich aus dem folgenden Beispiel für die Durchführung der Erfindung.

Eine Stange mit einem Durchmesser von 9,5 mm, aus einer Vorlegierung, die aus 5 Gewichtsprozent Titan, 1 Gewichtsprozent Bor und dem Rest an Aluminium zusammengesetzt ist, wurde mit einer Zuführgeschwindigkeit von 38,7 cm Länge pro Minute in einen einzelnen zusammenhängenden Strom von geschmolzenem Aluminium, der in einer abwärts geneigten Gießrinnc mit einer Durchflußmenge von 190 kg pro Minute floß, eingeführt. Die Stange wurde in den Anfang des Stromes schräg stromaufwärts gerichtet eingeführt, so daß sich ihr Ende so nahe wie möglich an der Einflußstelle in die Rinne befand. Das geschmolzene Metall wurde aus einem Ofen mit einer Temperatur von etwa 750"C zugeführt. Die Temperatur des geschmolzenen Metalles an der Einführungssteüe der Stange der Vorlegierung betrugt etwa 700⁰C. Durch die Bewegung des geschmolzenen Metalles bei dieser Temperatur wurde die Stange aus der Vorlegierung vollständig, und zwar so schnell verbraucht, wie sie der Rinne zugeführt wurde. Der gestörte, aber nicht turbulente Strömungsverlauf des so behandelten geschmolzenen Metalles, das bei der Bewegung entlang des restlichen Teils der Rinne bis zur Gießzone von den Wänden zurückgedrängt wurde, führte zu einem Gußmetall mit einem Gehalt vors 0,002 Gewichtsprozent Titan als Kornverfeinerungsmittel in Form von Titandiborid und Titan-Aluminium (TiAh), das sorgfältig und gleichförmig über den gesamten Aluminiumguß unter Erzielung der angestrebten Kornverfeinerung verteilt war.

Das Hauptanwendungsgebiet der Erfindung liegt daher in der Steuerung des Kornwachstums und der Legierungsbildung. Das erfindungsgemäße Verfahren kann aber auch angewendet werden, um das selbe oder andere Metalle oder intermetallische Verbindungen von verschiedenartigen Metallen und Elementen in ein geschmolzenes Metal! einzuführen, beispielsweise, um das Metall beim Kokillenguß zu kühlen und somit eine Rißbildung des Gusses bei hohen Gußdurchsätzen zu vermeiden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum kontinuierlichen Einführen eines Kornverfeinerungs- oder Legierungsmittels in geschmolzene Metalle, bei dem das geschmolzene Metall aus einer Vorratsquelle in einen verengten rinnenartigen Durchgang unter Bildung eines durch den Durchgang und von dort in eine Gießzone fließenden Stromes gegossen wird und gleichzeitig in den in dem Durchgang fließenden Metallstrom ein fester stangenförmiger Vorrat eines metallischen Behandlungsmittels für das geschmolzene Metall in zum. Metaüstrom geneigter Lage eingeführt wird, und die Einführungsgeschwindigkeit des Behändlungsmittels nicht größer ist als sein Verbrauch im Metallstrom, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer vollständigen Verteilung des Behandlungsmittels in dem in dem rinnenartigen Durchgang fließenden Metallstrom der stangenformige Vorrat so nahe wie möglich an der Ursprungsstelle des Stromes in dem rinnenartigen Durchgang schräg stromaufwärts und mit einem solchen Querschnitt in den Strom eingeführt wird, daß eine deutliche Störung des Strömungsbildes des Metallstromes ohne eine Beeinträchtigung der Geschlossenheit des Stromes bewirkt wird, und der verengte rinnenartige Durchgang im Anschluß an die Einführungsstelle ausreichend lang gehalten wird, um die Störung des Flusses mit Hilfe der Seitenwände bis zur gleichmäßigen Verteilung des Behandlungsmittels im geschmolzenen Metall aufrechtzuerhalten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des stangenförmigen Behandlungsmittels im Bereich von etwa 3 bis 13 mm liegt.