DE19756147C1 - Kokille, insbesondere Ringkokille, zum Herstellen von zylindrischen Gußkörpern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kokille, insbesondere Ringkokille, zum Herstellen von zylindrischen Gußkörpern aus Metallschmelzen, insbesondere von Abschirmbehältern für die Verpackung von radioaktivem Material.

Es ist bekannt, daß Gußkörper mit dicken Wandstärken durch lange Erstarrungszeiten zu Seigerungen bzw. der Ausbildung von Sphäroliten mit großen Durchmessern neigen. Das führt dazu, daß die Werkstoffkennwerte wie Festigkeit, Streckgrenze und Bruchdehnung absinken und nicht den Standards angegossener Proben mit dünneren Wandstärken entsprechen. Um dies zu verhindern, verwendet man zur Beschleunigung des Erstarrungsprozesses Kokillen, die die thermische Energie aus dem Abguß schneller aufnehmen können als dies in konventionellen Verfahren (Sandguß) üblich ist.

Die schnelle Erstarrung führt jedoch dazu, daß bei einer Temperatur von 800°C bis 700°C und insbesondere bei 720°C der kritische Bereich der Perlitbildung durchfahren wird. Sofern es das Ziel ist, einen Abguß mit ferritischer Ferritmatrix herzustellen, muß insbesondere in diesem Bereich durch langsames Abkühlen die Bildung des Ferritgefüges sichergestellt sein. Dies gelingt jedoch nicht, wenn die thermische Energie aus der Kokille ungehindert abfließen kann.

Es besteht grundsätzlich die Möglichkeit, den Abfluß an Wärme zu verhindern, indem eine Isolierhaube nach Entfernen der Kokille über den Abguß gestülpt wird (DE 44 27 963). Diese kann auch mit aktiven Heizelementen versehen werden, um gezielt den Temperaturbereich über 720°C erneut anzu­ fahren. Jedoch sind derartige Maßnahmen verhältnismäßig aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kokille, insbesondere Ringkokille, der eingangs beschriebenen Aus­ führungsform zu schaffen, mit der unschwer das im kritischen Perlitbildbereich gewünschte Abkühlverhalten der Abgußmasse zur Bildung einer ferritischen Gefügematrix erreicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die gattungsgemäße Kokille gekennzeichnet durch einen Stahl- oder Gußeisenmantel mit einem Innenmantel aus im wesentlichen Graphit und einem Zwischenmantel aus Feuerfestmaterial mit gegenüber dem Graphit deutlich reduzierter Wärmeleitfähigkeit, wobei die Abgußmasse, die Wandstärke des Graphitmantels und die Wandstärke des Zwischenmantels auf ein vorgegebenes Abkühlverhalten der Abgußmasse abgestimmt sind. - Die Lehre der Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß Graphit die Wärme aus der Metallschmelze und folglich Abgußmasse in vergleichbaren Zeiträumen wie Stahl oder Eisen aufnehmen kann, so daß Graphit überraschenderweise als Kokillen­ werkstoff geeignet ist. Nachdem die Graphitkokille bzw. der Graphitmantel aufgrund seiner Masse die thermische Energie des Abgusses, insbesondere die Schmelzwärme, im Temperaturbereich von 1.300°C bis 1.000°C nach spätestens vier Stunden aufgenommen hat, wird eine weitere Ableitung der Wärme durch den Zwischenmantel aus Feuerfestmaterial derart verzögert, daß der Bereich bei 720°C mit einer Abkühlgeschwindigkeit von ca. 20°C. bis ca. 50°C pro Stunde durchschritten wird. Dabei lassen sich die Abgußmasse, die Wandstärke des Graphitmantels und die Wandstärke bzw. Isolierdicke des Zwischenmantels aus Feuerfestmaterial so dimensionieren, daß das gewünschte Abkühlverhalten eintritt und sich eine ferritische Gefügematrix einstellt. Vorzugsweise wird die Dicke des Zwischenmantels und folglich der Feuerfestmaterialschicht so stark dimensioniert, daß der Temperaturbereich 800°C bis 700° in ca. vier Stunden durchschritten wird.

Weitere erfindungswesentliche Maßnahmen sind im folgenden aufgeführt. So sieht die Erfindung vor, daß der Innenmantel aus Tongraphit oder aus reinem Graphit besteht. Ferner empfiehlt die Erfindung, daß der Zwischenmantel aus einer selbstaushärtenden isolierenden Feuerfeststampfmasse besteht. Nach einem anderen Vorschlag der Erfindung besteht der Zwischenmantel aus hitzebeständigem Beton. In beiden Fällen funktioniert die Feuerfestauskleidung nicht nur als Wärmeleitbremse, sondern dient auch dazu, einen innigen Verbund zwischen dem Stahl- bzw. Gußeisenmantel und dem Graphitmantel herzustellen und erfüllt darüber hinaus Stütz- und Haftfunktion für den Graphitmantel bzw. die Graphitkokille. Gleichzeitig wird ein inniger Verbund zwischen dem Stahl- bzw. Gußeisenmantel und dem Zwischenmantel erreicht, der sich selbst gegen den Stahl- oder Gußeisenmantel abstützt. Als Feuerfestmaterial kommt neben Beton jedes Material in Frage, welches sich einerseits durch in thermischer Hinsicht isolierende Wirkung auszeichnet und andererseits in der Lage ist, die aus dem Gießdruck resultierenden Kräfte auf den Stahl- oder Gußeisenmantel zu übertragen. - Der Graphitmantel kann mit einer Schlichteschicht belegt sein, welche jedoch nicht unbedingt erforderlich ist, da nach dem Erstarren der Abgußmasse die Schwindung in dem Abguß größer als in dem Graphitmantel ist, so daß sich ein Spalt zwischen der Graphitkokille und dem Abguß bildet, so daß der Gußkörper unschwer abgezogen werden kann.

Im Rahmen der Erfindung kann eine Dünnwandkokille oder Dickwandkokille mit einem entsprechend dünnen Stahl- oder Gußeisenmantel oder einem entsprechend dicken Stahl- oder Gußeisenmantel verwirklicht sein. In beiden Fällen kommt es zu verhältnismäßig geringen Unterschieden im Verformungs­ verhalten und insbesondere beim Ausdehnen des Zeit­ intervalls, in dem der kritische Perlitbildbereich zwischen 800°C und 700°C durchschritten wird. Bei beiden Ausführungsformen können zwischen dem Stahl- oder Gußmantel und dem Innenmantel Ringnuten, z. B. fluchtende Ringnuten, zur Lagesicherung des Zwischenmantels angeordnet sein, um also ein Abrutschen der Feuerfestschicht zu vermeiden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Dünnwandkokille mit Deckel und Unterkasten im Vertikalschnitt und

Fig. 2 eine Dickwandkokille ohne Deckel und Unterkasten im Vertikalschnitt.

In den Figuren ist eine Kokille 1 bzw. Ringkokille zum Herstellen von zylindrischen Gußkörpern 2 aus Metallschmelzen und insbesondere von Abschirmbehältern dargestellt. Dabei kann es sich nach Fig. 1 um eine Dünnwandkokille oder nach Fig. 2 um eine Dickwandkokille handeln. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind außerdem Deckel 3 und Unterkasten 4, der Gußkörper 2, Abdeckkern 5 und Innenkern 6 gezeigt. In beiden Fällen handelt es sich um eine Stahlkokille mit einem Innenmantel 7 aus im wesentlichen Graphit, einem Zwischenmantel 8 aus Beton und einem Stahlmantel 9. Die Abgußmasse, die Wandstärke des Graphitmantels 7 und die Wandstärke des Betonmantels 8 sind auf ein vorgegebene s Abkühlverhalten der Abgußmasse und folglich des Gußkörpers 2 abgestimmt. Zwischen dem Stahlmantel 9 und dem Innenmantel 7 sind - nach dem Ausführungsbeispiel bei der Dünnwandkokille - fluchtende Ringnuten 10 zur Lagesicherung des Zwischenmantels zwischen dem Stahlmantel 9 und dem Innenmantel bzw. Graphitmantel 7 vorgesehen. Dadurch wird ein inniger Verbund mit Stütz- und Haftwirkung zwischen den verschiedenen Mänteln der Stahlkokille erreicht. In diesem Zusammenhang kann der Betonmantel 8 als vergossener Mantel aus hitzebeständigem Beton ausgeführt sein.

Nach dem Ausführungsbeispiel beträgt die Wanddicke des Stahlmantels 9 bei einer Dünnwandkokille etwa 10 cm bis 15 cm, dagegen bei einer Dickwandkokille etwa 30 cm bis 40 cm. Bei dem Zwischenmantel 8 beträgt die Wanddicke regelmäßig zwischen 2,5 cm und 7,5 cm in Abhängigkeit von der jeweils verwendeten Feuerfestmasse. Die Wanddicke des Graphitmantels und folglich Innenmantels 7 beläuft sich nach dem Ausführungsbeispiel auf 5 cm bis 10 cm. Insbesondere die Wanddicken des Innenmantels 7 und des Zwischenmantels 8 werden stets so gewählt, daß der Temperaturbereich von 800°C bis 700°C hinreichend langsam durchschritten wird, um die Bildung einer ferritischen Gefügematrix zu erhalten.

Als hitzebeständiger Beton findet nach dem Aus­ führungsbeispiel ein Feuerfestmaterial aus hydraulisch abbindbarem Korund mit einer Körnung bis zu 6 Verwendung. Die Hauptkomponenten dieses im Anlieferungszustand trockenen Korunds sind Al₂O₃ 62%, SiO₂ 25%, CaO 7%, TiO₂ 2% und Fe₂O₃ 2%. Die Anmachflüssigkeit beträgt 14 1/100 kg. Die Anwendungstemperatur beträgt bis 1.700°C. Die Verarbeitung dieses Feuerfestmaterials kann im Wege des Gießens erfolgen.

Claims (8)

1. Kokille, insbesondere Ringkokille zum Herstellen von zylindrischen Gußkörpern aus Metallschmelzen, insbesondere von Abschirmbehältern für die Verpackung von radioaktivem Material, gekennzeichnet durch einen Stahl- oder Gußeisenmantel (9) mit einem Innenmantel (7) aus im wesentlichen Graphit und einem Zwischenmantel (8) aus Feuerfestmaterial mit gegenüber dem Graphit deutlich reduzierter Wärmeleitfähigkeit, wobei die Abgußmasse, die Wandstärke des Graphitmantels (7) und die Wandstärke des Zwischenmantels (8) auf ein vorgegebenes Abkühlverhalten der Abgußmasse abgestimmt sind.

2. Kokille nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenmantel (7) aus Tongraphit oder aus reinem Graphit besteht.

3. Kokille nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenmantel (7) mit einer Schlichteschicht belegt ist.

4. Kokille nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenmantel (8) aus einer selbstaushärtenden isolierenden Feuerfeststampfmasse besteht.

5. Kokille nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenmantel aus hitzebeständigem Beton o. dgl. Feuerfestmaterial wie z. B. hydraulisch abbindbarem Korund mit den chemischen Hauptkomponenten Al₂O₃ 55 bis 65%, vorzugsweise 62%, SiO₂ 20 bis 30%, vorzugsweise 25%, CaO 5 bis 10%, vorzugsweise 7% und Fe₂O₃ besteht.

6. Kokille nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Stahl- oder Gußeisenmantel (9) und dem Innenmantel (7) Ringnuten (10), z. B. fluchtende Ringnuten, zur Lagesicherung des Zwischenmantels (8) angeordnet sind.

7. Kokille nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Dünnwandkokille ausgebildet ist.

8. Kokille nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Dickwandkokille ausgebildet ist.