DE19900780A1

DE19900780A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Kokillenformen für Masselgießanlagen

Info

Publication number: DE19900780A1
Application number: DE19900780A
Authority: DE
Inventors: Volker Hille; Gereon Fehlemann
Original assignee: SMS Demag AG
Current assignee: SMS Siemag AG
Priority date: 1999-01-12
Filing date: 1999-01-12
Publication date: 2000-07-13
Also published as: EP1150789B1; WO2000041827A1; EP1150789A1; DE50000264D1; AU1865600A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Kokillenformen (1) für Masselgießanlagen zur Produktion von Masseln, wobei als Ausgangsmaterial Platinen (2) aus Kupfer, insbesondere aus einer für Kaltverformung geeigneten Kupferlegierung mit vergleichsweise hoher Dehnung eingesetzt werden und diese durch einen Umformungsprozeß mittels Zugumformen/Zugdruckumformen in die Form von Masselkokillen gebracht werden. Die Erfindung betrifft auch eine geeignete Vorrichtung zur Herstellung der Kokillenformen für Masselgießanlagen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Kokillenformen für Massel gießanlagen, wobei als Ausgangsmaterial Kupfer oder eine Kupferlegierung ge nommen wird. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist Stand der Technik, flüssiges Roheisen oder andere Metalle oder Metallle gierungen in Form von Barren/Platten, die Massel genannt werden, auf speziellen Masselgießanlagen zu vergießen. Solche Massel haben ein Gewicht von typi scherweise 6 kg. Bspw. werden vier Massel in einer Kokille vergossen, wobei die Erstarrung des flüssigen Roheisens in der Kokille erfolgt und sowohl Massel als auch Kokille durch Spritzwasser gekühlt werden. Die Masselgießformen bzw. Ko killen bekannter Masselgießmaschinen sind üblicherweise aus Gußeisen gefertigt. Sie unterliegen einem vergleichsweise hohen Verschleiß und müssen daher nach Maßgabe der Abnutzung immer wieder ersetzt werden.

Ein weiterer Nachteil der Masselgießformen aus Gußeisen besteht darin, daß sie eine vergleichsweise geringe Wärmeleitfähigkeit von ca. 40 bis 50 W/mK aufwei sen. Infolgedessen müssen die Kokillen und Massel bei jedem Transport von der Gießstation zur Abwurfstation durch Spritzwasser gekühlt werden. Das Spritzwas ser wir dabei in aller Regel von oben und von unten aufgegeben.

Aus der noch nicht veröffentlichten Patentanmeldung DE 198 35 824.5 ist es be kannt, eine Masselgießmaschine bereitzustellen, die eine höhere Produktionslei stung aufweist, in dem die Kühlverhältnisse des Erstarrungskörpers in den einzel nen Kokillen verbessert werden. Aufgrund der besseren Kühlung erstarrt die Schmelze schneller, die Umlaufgeschwindigkeit des Endlosbandes kann erhöht werden und somit die Menge an vergossener Schmelze pro Zeitintervall. Erreicht wird die Verbesserung der Kühlverhältnisse, indem die Masselgießformen aus einem hitzebeständigen Material bestehen, dessen Wärmeleitfähigkeit größer ist als die von Gußeisen. Als Kokillenmaterial wird Kupfer oder eine Kupferlegierung vorgeschlagen, welche eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit als Gußeisen auf weisen.

Eine technische Lehre zur wirtschaftlichen Herstellung der vorgeschlagenen Mas selgießformen aus Kupfer ist jedoch im vorgenannten Dokument nicht enthalten.

Die DE 42 33 522 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Kokillenbreit seitenwand für eine Dünnbrammengießanlage, welches mit der eingangs ge nannten Gattung nicht übereinstimmt.

Beansprucht wird dort ein Verfahren zur Herstellung einer Breitseitenwand für eine Dünnbrammengießanlage, die einen von der Oberkante ausgehenden, zu den Seiten und nach unten auslaufenden Erweiterungsbereich aufweist. Die im we sentlichen aus Kupfer bestehende, 5 bis 50 mm dicke Breitseitenwand wird durch Zugumformen/Zugdruckumformen mit einem Erweiterungsbereich versehen. Be merkenswert ist hierbei, daß der bei der Umformung erreichte Biegewinkel der Kokillenwand relativ zu ihrer Grundebene nur ca. 25° beträgt. Dabei wird das Ma terial mit einer vergleichsweise nur sehr geringen Dehnung beansprucht.

Die DE 42 33 739 A1 offenbart eine gattungsfremde Vorrichtung zur formgenauen, rationellen Herstellung einer Breitseitenwand für die Durchlaufkokille einer Dünn brammengießanlage mit einem von der Oberkante ausgehenden, zu den Seiten und nach unten auslaufenden Erweiterungsbereich. Zu dessen Formgebung ist eine Matrizenplatte vorgesehen, welche eine Formfläche zur Aufnahme einer Ko killenbreitseitenwand aufweist, deren Arbeitsseite eine aus mehreren einzeln ein stellbaren Teilflächen gebildete Druckfläche zugeordnet ist.

Auch mit dieser Vorrichtung werden nur relativ geringfügige Formänderungen der Kokillenbreitseitenwand durchgeführt, bei welchen das Gefüge der aus Kupfer be stehenden Breitseitenwand nur mit vergleichsweise geringen Zugspannungen be lastet wird.

Ausgehend vom vorgehenden Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Kokillenformen für Masselgießanlagen anzugeben, die unter Verwendung von Platinen aus Kupfer oder aus Kupferlegierungen als Ausgangsmaterial die Schwierigkeiten und techni schen Grenzen bei deren Kaltverformung zu Masselgießkokillen durch Zugumfor men/Zugdruckumformen überwindet und welche eine rißfreie und ökonomische Produktion der Masselkokillen ermöglicht.

Zur Lösung der Aufgabe wird bei einem Verfahren der im Oberbegriff von An spruch 1 genannten Art mit der Erfindung vorgeschlagen, daß Platinen aus Kup fer, insbesondere aus einer für Kaltverformung geeigneten Kupferlegierung mit vergleichsweise hoher Dehnung eingesetzt werden und diese durch einen Umfor mungsprozeß mittels Zugumformen/Zugdruckumformen in die Form von Massel kokillen gebracht werden.

Ausgestaltend wird vorgeschlagen, daß je nach Verformungsgrad eine mehrstufi ge Verformung mit Zwischenglühen durchgeführt wird.

Durch Aufteilen des Gesamtumformprozesses in mehrere Stufen mit Zwischen glühen zum Abbau innerer Gefügespannungen gelingt es nach der Lehre der Er findung eine ebene Platine aus Kupfer von beachtlicher Dicke von z. B. 55 bis 80 mm rißfrei in die Form von Masselkokillen zu bringen. Durch die Auflösung der Gefügespannungen nach jeder Teilverformung gelingt es, rißfreie Kokillenformen in der ursprünglich ebenen Platine auszubilden.

Eine Ausgestaltung sieht vor, daß eine kaltverfestigte Platine aus einer Kupferle gierung vor ihrem Einsatz zur ersten Umformungsstufe weichgeglüht wird. Damit erreicht die Kupferplatine bei einer Brinell-Härte von ca. 50 HB einen Bruchdeh nungskoeffizienten von mindestens 35% und man ist damit in der Lage, ver gleichsweise große Formänderungen ohne Rißbildung zu verwirklichen.

Eine Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, daß in eine als Ausgangsmaterial eingesetzte Kupferplatine eine oder mehrere einstückig zusammenhängende, vor zugsweise vier, Kokillenformen eingeformt werden.

In Fortbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Umformungsprozeß der Kupferplatine zwischen jeweils einem massiven Formstempel und einer ebenfalls massiven Matrize unter hohem Druck und mit gleichmäßig langsamer Eindringge schwindigkeit durchgeführt wird. Das langsame Verformen des Materials ist des halb vorteilhaft, weil es dem Gefüge Gelegenheit gibt, Spannungen durch Fließen des Materials abzubauen und die Entstehung von Wärme zu verhindern.

Weiter sieht eine Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung vor, daß die erhabenen Formelemente des Formstempels und die konkav ausgebildeten mit diesen zusammenwirkenden Vertiefungen der Matrize kongruente Formkonturen ausbilden. Hierdurch wird eine annähernd gleichbleibende Dicke des zu verfor menden Materialbereichs erreicht.

Erfindungswesentlich ist weiterhin die Maßnahme, daß sowohl beim Formstempel als auch bei der Matrize alle Formkonturen mit Radien stetig ineinander überge hen. Kanten und scharfe Ecken müssen dabei vollständig vermieden werden, um dem Material Gelegenheit zu geben, Spannungen durch kaltfließendes Material abzubauen. Scharfe Kanten würden dies verhindern und daher Rißbildungen initi ieren.

Weiterhin ist vorgesehen, daß die Platine beim Umformungsprozeß ringsum an ihren Randbereichen fest eingespannt wird.

In einer weiteren Ausbildung des Verfahrens ist vorgesehen, daß die Kupferplatine Mittels einer Detonationskraft, bspw. ausgelöst durch Sprengstoff, auf eine konkav ausgeformte Matrize verformt wird, wobei die Dicke der Kupferplatine der Wand stärke der Kokille entspricht.

Eine bevorzugte alternative Fortbildung der Erfindung besteht darin, daß die Kup ferplatine mittels Hydroumformen, ausgelöst durch hohen Wasserdruck, auf eine konkav ausgeformte Matrize verformt wird, wobei die Dicke der Kupferplatine der Wandstärke der Kokille entspricht.

Eine Vorrichtung zum Herstellen von Kokillenformen für Masselgießanlagen zur Produktion von Masseln umfaßt ein aus Preßstempel und Matrize bestehendes Preßwerkzeug für die Kaltverformung einer Kupferplatine. Die Matrize weist kon kav ausgebildete, im Querschnitt die Kokillen ausbildende Vertiefungen auf. Der mit der Matrize zusammenwirkbare Form- bzw. Preßstempel weist gegengleich geformte, erhabene Formelemente auf.

Die Vorrichtung weiterbildend ist vorgesehen, daß das Preßwerkzeug Formmittel für die bei einem Preßvorgang simultane Ausgestaltung wenigstens einer, bevor zugt von vier Kokillen-Formmulden aufweist. Zweckmäßig ist, daß die Matrize und der Druckstempel zwei diesen gemeinsam zugeordnete, ineinander gleitbare Füh rungselemente besitzen.

Eine alternative Vorrichtung zum Herstellen von Kokillenformen für Masselgieß anlagen zur Produktion von Masseln zeichnet sich dadurch aus, daß zwischen einer wenigstens mit einer konkaven Kokillenform ausgebildeten Matrize und ei nem gegen die Matrize gespannten Reaktionsstempel ein Hydrodruckraum mit Wasserhochdruckanschluß angeordnet ist und die Platine aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung randseitig dichtungsfest, d. h. über eine druckfeste Dichtung zwischen Reaktionsstempel und Matrize eingespannt ist.

Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachste henden Erläuterung eines in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausfüh rungsbeispieles. Es zeigen:

Fig. 1a in Draufsicht eine Platine mit eingeformten Kokillenformen;

Fig. 1b die Platine gemäß Fig. 1a in Seitenansicht, geschnitten;

Fig. 2 in Seitenansicht geschnitten ein aus Formstempel und Matrize mit Niederhaltern und Führungselementen ausgerüstetes Preßwerkzeug zur Herstellung von Kokillenformen aus einer Platine,

Fig. 3 das Prinzip einer Hydroumformung einer Kupferplatine zu Kokillen formen.

Die in Fig. 1a in Draufsicht gezeigte Platine 2 aus Kupfer oder aus einer Kupferle gierung weist vier nebeneinanderliegende, gleichartige Kokillenformen 1 nach Art von wannenförmigen Vertiefungen auf. Wie hierzu die Seitenansicht der Fig. 1b zeigt, weisen die Vertiefungen der Kokillenformen bspw. bei einer oberen Breite B und einer Tiefe T ein Breiten/Tiefenverhältnis < 1 auf.

Aus der Fig. 1b ist weiterhin ersichtlich, daß die entsprechend dem Preßwerkzeug 9 (Fig. 2) ausgebildete Formgebung der Kokillenformen 1 eierbecherförmige Ver tiefungen 6 aufweisen.

Entsprechend besitzt das in Fig. 2 gezeigte Preßwerkzeug 9 eine massive Matrize 4 mit ebenfalls konkav ausgebildeten, im Querschnitt eierbecherförmigen, die Ko killenformen 1 ausbildende Vertiefungen 6, wogegen der mit der Matrize 4 zu sammenwirkbare Form- bzw. Preßstempel 3 gegengleich geformte, erhabene Formelemente 5 aufweist. Zwischen diesen wird die zu verformende Platine 2 mit einer Dicke zwischen 50 und 85 mm in die Kokillenform gepreßt. Als Platinenma terial ist Kupfer oder eine Kupferlegierung, z. B. CuAg, CuCrZr oder CuNiBe vor gesehen.

Mit Vorteil ist hierbei vorgesehen, daß das Preßwerkzeug 9 Formmittel, nämlich Formstempel 3, Formelement 5, Vertiefung 6 sowie Formkonturen 7 für die bei einem Preßvorgang simultane Ausgestaltung wenigstens einer, bevorzugt von vier Kokillen-Formmulden aufweist.

Ersichtlich sind für den Umformungsprozeß mit Hilfe des Preßwerkzeuges 9 äu ßerst hohe Preßkräfte erforderlich, die bspw. in der Größenordnung von einigen tausend Tonnen liegen können und mit einer entsprechend kräftigen, bevorzugt hydraulischen Presse 13 bei gleichmäßig langsamer Eindringgeschwindigkeit auf gebracht werden müssen.

Schließlich zeigt Fig. 2, daß das Preßwerkzeug 9 Führungselemente 10, 11 be sitzt, welche dem Druckstempel 3 und der Matrize 4 gemeinsam zugeordnet sind. Weiterhin sind an den Randbereichen 8 der Platine 2 in an sich bekannter Weise, bspw. bei herkömmlichen Tiefziehverfahren, Niederhalter 12 vorgesehen, welche eine unzulässige Verformung dieser Randbereiche 8 verhindern und die Platine während der Verformung in Position sowie in Spannung halten. Als Platine können solche aus reinem Kupfer, aus Kupferlegierungen oder verfestigte Kupferlegierun gen eingesetzt werden.

Im übrigen ist aus der Fig. 2 noch ersichtlich, daß sowohl beim Formstempel 3 als auch bei der Matrize 4 alle Formkonturen 7 mit Radien stetig ineinander überge hen.

Fig. 3 zeigt eine alternative Vorrichtung zum Herstellen von Kokillenformen für Masselgießanlagen zur Produktion von Masseln mit der ein Hydroumformen der Kupferplatine vorgenommen wird. Diese Vorrichtung weist zwischen einer wenig stens mit einer konkaven Kokillenform 1 ausgebildeten Matrize 4 und einem gegen die Matrize 4 gespannten Reaktionsstempel 14 einen Hydrodruckraum 15 auf. Dieser Hydrodruckraum 15 ist mit einem Anschluß für Wasserhochdruck verbun den. Die zu verformende Platine 2 aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung ist randseitig und allseitig zwischen dem Reaktionsstempel 14 und der Matrize 4 ein gespannt, wie dies an sich auch in Fig. 2 angedeutet ist. Der erhabene Rand des Reaktionsstempels 13 liegt auf den Randbereichen 8 der Kupferplatine dich tungsfest auf, so daß der Wasserdruck im Hydrodruckraum ohne Druckabfall auf die Kupferplatine einwirken kann und diese in die Kokillenformen 1 in der Matrize 4 einformen kann. Auch bei dieser Vorrichtung sind möglichst alle Formkonturen 7 mit stetig ineinander übergehenden Radien versehen.

Bezugszeichenliste

1

Kokillenform

2

Platine

3

Formstempel

4

Matrize

5

Formelement

6

Vertiefung

7

Formkonturen

8

Randbereiche der Platine

9

Preßwerkzeug

10

Führungselement

11

Führungselement

12

Niederhalter

13

Presse

14

Reaktionsstempel

15

Hydrodruckraum

16

Wasserhochdruckanschluß

17

Dichtung

Claims

1. Verfahren zum Herstellen von Kokillenformen (1) für Masselgießanlagen zur Produktion von Masseln, wobei als Ausgangsmaterial Kupfer oder eine Kup ferlegierung genommen wird dadurch gekennzeichnet, daß Platinen (2) aus Kupfer, insbesondere aus einer für Kaltverformung geeig neten Kupferlegierung mit vergleichsweise hoher Dehnung eingesetzt werden und diese durch einen Umformungsprozeß mittels Zugumfor men/Zugdruckumformen in die Form von Masselkokillen gebracht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je nach Verformungsgrad eine mehrstufige Verformung mit Zwischenglü hen durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine kaltverfestigte Platine (2) aus einer Kupferlegierung vor ihrem Einsatz zur ersten Umformungsstufe weichgeglüht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in eine als Ausgangsmaterial eingesetzte Kupferplatine (2) eine oder meh rere einstückig zusammenhängende, vorzugsweise vier, Kokillenformen (1) eingeformt werden.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Umformungsprozeß der Kupferplatine (2) zwischen jeweils einem massiven Formstempel (3) und einer ebenfalls massiven Matrize (4) unter ho hem Druck und mit gleichmäßig langsamer Eindringgeschwindigkeit durchge führt wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erhabenen Formelemente (5) des Formstempels (3) und die konkav ausgebildeten mit diesen zusammenwirkenden Vertiefungen (6) der Matrize (4) kongruente Formkonturen (7) ausbilden.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl beim Formstempel (3), als auch bei der Matrize (4) alle Formkontu ren (7) mit Radien stetig ineinander übergehen.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Platine (2) beim Umformungsprozeß ringsum an ihren Randbereichen (8) fest eingespannt wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß anstatt von reinem Kupfer, Kupferlegierungen oder verfestigte Kupferlegie rungen eingesetzt werden.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, sowie 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferplatine (2) mittels einer Detonationskraft, ausgelöst bspw. durch Sprengstoff, auf eine konkav ausgeformte Matrize (4) verformt wird, wobei die Dicke der Kupferplatine (2) der Wandstärke der Kokille entspricht.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, sowie 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferplatine (2) mittels Hydroumformen, ausgelöst bspw. durch ho hen Wasserdruck, auf eine konkav ausgeformte Matrize (4) verformt wird, wo bei die Dicke der Kupferplatine (2) der Wandstärke der Kokille entspricht.

12. Vorrichtung zum Herstellen von Kokillenformen für Masselgießanlagen zur Produktion von Masseln, dadurch gekennzeichnet, daß diese ein aus Preßstempel (3) und Matrize (4) bestehendes Preßwerkzeug (9) für Kaltverformung einer Kupferplatine (2) aufweist, daß die Matrize (4) konkav ausgebildete, im Querschnitt die Kokillen (1) aus bildende Vertiefungen (6), und der mit der Matrize (4) zusammenwirkbare Form- bzw. Preßstempel (3) gegengleich geformte, erhabene Formelemente (5) aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Preßwerkzeug (9) Formmittel (3, 5-7) für die bei einem Preßvorgang simultane Ausgestaltung wenigstens einer, bevorzugt von vier Kokillen- Formmulden (1) aufweist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrize (4) und der Druckstempel (3) zwei diesen gemeinsam zuge ordnete, ineinander gleitbare Führungselemente (10, 11) besitzen.

15. Vorrichtung zum Herstellen von Kokillenformen für Masselgießanlagen zur Produktion von Masseln, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer wenigstens mit einer konkaven Kokillenform (1) ausgebil deten Matrize (4) und einem gegen die Matrize (4) gespannten Reaktions stempel (14) ein Hydrodruckraum (15) mit Hochdruckanschluß (16) bspw. für Wasser angeordnet ist und die Platine (2) aus Kupfer oder aus einer Kupferle gierung randseitig dichtungsfest (Dichtung 17) zwischen Reaktionsstempel (14) und Matrize (4) eingespannt ist.