DE2203256B2 - Verfahren und Vorrichtung zum direkten Abkühlen von Aluminiumsträngen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum direkten Abkühlen von Aluminiumsträiigen mit einer milden Abkühlung in einer der Stranggießkokille nachgeordnelen, ersten Zone und einer Strangabkühlung in einer !weiten, darunter angeordneten Zone sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bei einem herkömmlichen direkten Stranggießen Wird aus dem unteren Ende des Kühlmantels der Stranggießkokille Wasser unmittelbar auf die Strangeberfläche mit erheblicher Kraft aufgespritzt, so daß es in einem großen Winkel hierzu aufprallt und nach unten •ber die Strangoberfläche strömt. Somit wird die größte Ceschwindigkeit der Abkühlung unmittelbar unterhalb ies Kokillenendes erzielt, d.h. bei einem Niveau, das Oberhalb des Niveaus liegt, bei dem der Strangkern Vollständig erstarrt ist.

In dieser Gegend ist der Koeffizient des Wärmeüberfangs von dem Strang zu der Abkühlungsflüssigkeit lypischerweise etwa 0,5 cal/cm²/sec/° C und somit weit größer als der mittlere Wert des Koeffizienten des Wärmeübergangs von dem Strang zur Kokille (der üblicherweise etwa 0,05 cal/cm²/sec/° C beträgt). Er ist auch höher als der Wert des Wärmeübergangskoeffizienten vom Strang zu dem Kühlmittel bei einem beliebigen tiefer gelegenen Niveau. Typischerweise ist die Stärke der Strangkruste unmittelbar unterhalb der Stranggießkokille weniger als ein Viertel der maximalen lorizontaldimension des Stranges.

Ein Problem, dem man insbesondere (aber nicht ausschließlich) beim Guß von zylindrischen Strängen begegnet ist die Neigung des Stranges, Längs-Mittelrisse zu bilden Bei der herkömmlichen Praxis erfordert es die Vermeidung der Warmnßbiidung. daß die Tiefe des Metallsumpfes unterhalb der Kokillenunterkame nicht größer gehalten wird als die minimale Querdimension des Stranges und sogar sehr häufig auf weniger als zwei Drittel der minimalen Querdimension des Stranges.

Aus der DT-PS 8 77 185 ist bereits eine Vorrichtung zum ununterbrochenen Gießen von Strängen aus Metallen insbesondere aus Aluminium- und Magnesiumlegierungen, bekannt, bei der eine erste Stufe des indirekten Kühlens (in der Kokille), eine zweite des milden direkten Kühlens und eine dritte des starken direkten Kühlens vorgesehen ist. Diese Vorrichtung bringt zwar gewisse Verbesserungen mit sich, doch kann bei hohen Abkühlungsgeschwindigkeiten die Rißbildung im Inneren des Barrens, insbesondere bei Legierungen aus Aluminium- und Magnesiumsilizid, nicht verhindert werden

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, das Auftreten von Längs-Mittelrissen auch bei hohen Gießgeschwindigkeiten zu vermeiden, so daß die Anlage für wirtschaftlich annehmbare Durchsätze ausgelegt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der oben beschriebenen Art dadurch gelöst, daß der Strang bis zu einem Bereich von nicht mehr als ¹A des kleinsten Strangquerschnitts oberhalb oder unterhalb der Sumpfspitze mit einem mittleren Koeffizienten des Wärmeübergangs von Metall zum Kühlmittel von 0,1 bis 0.2 cal/sec/cm²/⁰ C und mit einem Koeffizienten des Wärmeübergangs von mindestens 0,5 cal/sec/cm²/⁰ C in der darunter befindlichen zweiten Zone abgekühlt wird.

Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist durch einen Winkel von 5 bis 15" gegen die Oberfläche des Stranges für die Kühldüse in der ersten Zone gekennzeichnet.

Durch die Erfindung ist es nunmehr möglich, Aluminium und Aluminiumlegierungen, insbesondere aus Aluminiummagnesiumsilizid, mit höheren Gießgeschwindigkeiten und mit Durchmessern von 15 cm oder mehr zu vergießen, wie sie z. B. für Extrusionspressen erforderlich sind.

Die erfindungsgemäße Verfahrensführung wird auch durch die DT-PS 8 77 185 nicht nahegelegt, da bei der dort beschriebenen Vorrichtung der Strang schon vollkommen erstarrt ist, wenn er mit der eisten Kühlzone in Berührung kommt, während erfindungsgemäß eine zweimalige Kühlung im Bereich des Sumpfes im Strang vorgesehen ist.

Bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird das Kühlmittel der zweiten Zone bei einem Niveau aufgebracht, das um nicht mehr als einem Viertel der minimalen Querdimension des Stranges vom Niveau der vollständigen Verfestigung im Abstand angeordnet ist Vorzugsweise ist das Niveau der Aufbringung des Kühlmittels in der zweiten Zone etwa ein Sechstel der minimalen Querdimension vor dem Punkt der Verfestigung des Kerns angeordnet.

Es wurde gefunden, daß die vorliegende Erfindung die Herstellung von gesunden, rißfreien Strängen selbst be solchen Gießvorgängen gestattet, bei welchen die Sumpftiefe größer ist als die minimale Querdimensior des gegossenen Stranges. Somit überwindet die Erfindung die Beschränkung der Sumpftiefe, die bislang als notwendig angesehen wurde, um eine Rißbildung irr

Zentrum zu vermeiden. Auf diese Weise gestaltet das Verfahren der Erfindung die Verwendung von Gießgescnwindigkeiten, die weit über den herkömmlichen liegen.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig-1 ein Diagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig.2 ein Diagramm, in welchem die Temperatur von verschiedenen Punkten in dem Aluminium-Gießstrang gemäß der Erfindung als Funktion der Zeit aufgetragen ist, und

F i g. 3 ein der Fig.? ähnliches Diagramm, das die Temperatur von vergleichbaren Punkten in einem Aluminiumgießband nach der herkömmlichen Verfahrensweise zeigt.

Die Fig. 1 zeigt eine ringförmige Stranggießkokille 10 zum Stranggießen, die eine vertikale formgebende Innenwand 14 aufweist. Im vorliegenden Falle ist die Wand 14 zylindrisch.

Ein Kühlmantel 15 umgibt die Wand 14. Diesem wird Kühlwasser durch ein Rohr 156, das von einem Ventil 15cgesteuert wird, zugeführt.

In dem Mantel 15 ist ein ringförmiges Prallblech angeordnet, um den Wasserstrom im Mantel 15 auszurichten, um eine wirksame Kühlung der Formwand zu erzielen.

Der Strang 12 wird durch den Anfahrkopf 18 abgezogen. Ein hydraulischer Kolben 20 senkt den Anfahrkopf 18 ab.

Am Boden des Mantels 15 kann ein ringförmiger Schlitz 22 vorgesehen sein, der so angeordnet ist, daß er im wesentlichen gleichförmig entlang des Strangkopfes Wasser auf die Strangoberfläche richtet.

Die Aluminiumschmelze wird kontinuierlich durch ein Tauchrohr 24 zugeführt.

Die aus der Kokille austretende Strangkruste 25 verstärkt sich laufend. Der Metallsumpf 26 erstreckt sich bis zum Niveau 27. in dem der Strang 12 durchgehend erstarrt ist.

Unter der Stranggießkokille 10 erstreckt sich die erste direkte Kühlzone. In dieser Zone wird Wasser auf dk Oberfläche des Stranges in einer solchen Weise gei htet, daß der mittlere Koeffizient des W irmeübergangs bewirkt, die Strangkruste 25 im festen und den _4S Sumpf 26 in geschmolzenem Zustand zu halten.

Darunter ist die zweite direkte Kühlzone 30 vorgesehen, in der der Koeffizient des Wärmeübergangs erheblich größer ist als der mittlere Koeffizient des Wärmeübergangs in der ersten Zone.

Der Schlitz 22 ist so angeordnet, daß Wasser gegen den Strang mit einem Winkel von 5 bis 15, vorzugsweise etwa 10°, zu der Vertikalen gerichtet wird.

Zur Erzielung der zweiten Abkühlungszone ist am ■ unteren Ende der ersten Abkühlungszone 28 ein Wasserring 32 angeordnet. Dem Wasserring 32 wird durch ein Einlaßrohr 34, das durch ein Ventil 35 gesteuert wird, Wasser zugeführt.

In der Innenwand des Wasserrings ist ein ringförmiger Schlitz 37 (oder eine ringförmige Anordnung von ^₀ öffnungen), der den gesamten Strang umgibt, angeordnet, um einen Wasserstrom vom Ring auf die Strangoberfläche zu richten. Der Schlitz 37 ist so angeordnet, daß das Wasser auf die Strangoberfläche mit einem erheblich größeren Winkel als durch den 0,5 Schlitz 22 gerichtet wird. So kann z. B. der Schlitz 37 so angeordnet sein, daß er das Wasser auf die Strangoberfläche mit einem Winkel von 30 bis 45° richtet. Darüber hinaus ist das Volumen des Wassers, das durch den Schlitz 37 gerichtet wird, erheblich größer als desjenigen, das durch den Schlitz 22 ausgetragen wird.

Auf Grund der Tatsache, daß Wasser aus dem Ring 32 auf die Strangoberfläche mit einem größeren Volumen und mit einem größeren Winkel als durch den Schlitz 22 aufgetragen wird, erfolgt eine erheblich größere Geschwindigkeit des Wärmeübergangs von der Strangoberfläche zu dem aufgebrachten Kühlmittel als in der ersten Zone 28.

Bei der im Zusammenhang mit der F i g. 1 beschriebenen Ausführungsform der Erfindung wird die erste Abkühlungszone an einer einzigen Stelle angewendet. Für ein sehr schnelles Gießen mag es zweckmäßig sein, das Kühlmittel auf den Strang in einer ersten direkten Abschreckungszone auf mehr als einem Niveau einwirken zu lassen, um eine feste Strangkruste aufrechtzuerhalten.

Der Effekt des Verfahrens der Erfindung zur Reduzierung der Ungleichheit der Abkühiungsgeschwindigkeiten zwischen dem Kern und der Peripherie des Stranges an der Stelle der Kernverfesiigung ist in den F i g. 2 und 3 gezeigt. Diese geben die Temperaturen verschiedener Punkte, die im Abstand radial nach außen vom Kern eines Stranges angeordnet sind, als Funktion der Zeit des Austretens aus einer Gießkokille an. Bei beiden Strängen handelt es sich um zylindrische Stränge mit einem Durchmesser von 15 cm, die aus einer Aluminiumlegierung mit 0,20 bis 0,6% Silizium, 0,35% Eisen, 0,10% Kupfer, 0,10% Mangan, 0.45 bis 0,9% Magnesium. 0.10% Chrom, 0,10% Zink, 0,10% Titan, die abgesehen von erschmelzungsbedingten Verunreinigungen zum Rest aus Aluminium bestand, gegossen worden waren. Die Gießgeschwindigkeit betrug 23 cm je Minute.

Die Fig. 2 und 3 zeigen Kurven A, B, C, Dund Emit den Temperaturen, die durch eingesetzte Thermopaarc gemessen worden waren. Diese waren in einer gemeinsamen horizontalen Ebene an Abständen von ungefähr 19 mm, 25 mm, 38 mm, 50 mm und 75 mm von der äußeren Oberfläche des Stranges eingesetzt. Die Abkühlungsgeschwindigkeiten an diesen Stellen sind in den Fig. 2 und 3 für das Intervall miteinander in Vergleich gesetzt, währenddem die Temperatur des Kerns des Stranges (Kurve E) von 650 auf 600° C abnimmt, d. h. des Temperaturbereichs gerade unterhalb der Temperatur, bei welcher sich der Kern verfestigt.

Der Strang der Fig. 2 wurde gemäß der Erfindung gegossen, wobei die Anordnung gemäß Fig.l verwendet wurde. Der Wasserring 32 war 75 mm unterhalb des Auslaßendes der Kokille angeordnet. Das Wasser trat aus dem Formschlitz 22 mit einer Geschwindigkeit von etwa 30 l/min und aus dem Wasserring mit einer Geschwindigkeit von etwa 160 l/min aus. Wie in Fig. 2 gezeigt, betrug die Temperatur der Peripherie des Barrens, gemessen durch das äußerste Thermopaar (Kurve A), wenn der Kern des Stranges (Kurve £) sich durch den Temperaturbereich von 650 bis 600° C abzukühlen begann, etwa 300° C. Die Temperatur, die durch das letztere Thermopaar gemessen wurde, nahm um 25° C ab, während der Kern sich um 50° von 650 auf 600° C abkühlte. Somit betrug das Verhältnis der peripheren Abkühlungsgeschwindigkeit zu der Kernabkühlungsgeschwindigkeit während der letztgenannten Periode der Kernabkühlung etwa 0,5.

Der durch F ig. 3 angegebene Strang wurde nach

einem herkömmlichen Verfahren gegossen, wobei eine maximale Intensität des Abkühlens unmittelbar unterhalb der Kokille und erheblich oberhalb der Stelle der Kernverfestigung verwendet wurde. In diesem Fall, wenn der Kern sich durch den Temperaturbereich von 650 bis 600° C (Kurve E) abzukühlen begann, war die Peripherie des Stranges auf einer Temperatur unterhalb 250° C (Kurve A in F ig. 3). Während sich der Strangkern von 650 auf 600° C abkühlte, kühlte sich die Strangperipherie nur um 10° C ab. Daher war in diesem Fall das Verhältnis der Strangperipherie-Abkühlungsgeschwindigkeit zu der Kernabkühlungsgeschwindigkeit 0,2.

Die vorliegende Verfahrensweise verminderte erheblich die Ungleichheit der Abkühlungsgeschwindigkeiten ,₅ zwischen dem Kern und der Peripherie des Stranges an dem Niveau, bei welchem der Strangkern gerade vollkommen fest geworden war und sich durch den Temperaturbereich von 650 bis 600° C abkühlte. Der gemäß F ig. 3 herkömmlich gegossene Strang zeigte eine erhebliche Rißbildung im Zentrum, während der Strang der F i g. 2, der gemäß der Erfindung behandelt worden war, gesund und rißfrei war.

Beispiel

Es wurde ein Strang mit einer Geschwindigkeit von 23 cm/min mit einem Wasserstroni durch den Kokillenkühlmantel mit einer Geschwindigkeit von 90 l/min und einer Wasserfließgeschwindigkeit von 68 l/min durch den unterhalb der Kokille befindlichen Wasserring gegossen. Dieser Wasserring befand sich 7,5 cm unterhalb des unteren Endes der Kokille. Die Abkühlung in der ersten Zone erfolgte, indem pulsierende Wasserströme (1 see an, 2 see aus) auf die Strangoberfläche unmittelbar unterhalb der Kokille gerichtet wurden. Es wurde festgestellt, daß der Strang von einer Rißbildung im Zentrum frei war, obgleich er einzelne Oberflächenrisse hatte.

Ein anderer Strang wurde nach der gleichen Verfahrensweise gegossen, mit der Ausnahme, daß die Abkühlung in der ersten Zone erfolgte, indem befüftetes Wasser (etwa 23 l/min im Gemisch mit Luft) auf die Strangoberfläche unmittelbar unterhalb der Kokille gerichtet wurde. Der Wasserring war 8,8 cm unterhalb des unteren Endes der Kokille angeordnet. Der Halter der Stränge war vollständig von Rissen frei.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Palentansprüche:

1. Verfahren zum direkten Abkühlen von Aluminiumsträngen mit einer milden Abkühlung in einer der Stranggießkokille nachgeordneten ersten Zone und einer Strangabkühlung in einer zweiten, darunter angeordneten Zone, dadurch gekennzeichnet, daß der Strang bis zu einem Bereich von nicht mehr als >/4 des kleinsten Strangquerschnitts to oberhalb oder unterhalb der Sumpfspitze mit einem mittleren Koeffizienten des Wärmeübergangs von Metall zum Kühlmittel von 0,1 bis 0,2 cal/sec/ cm²/" C und mit einem Koeffizienten des Wärmeübergangs von mindestens 0,5 cal/sec/cir^/⁰ C in der darunter befindlichen zweiten ZoiiC abgekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man in der ersten Zone auf die Oberfläche des Barrens intermittierend einen Strom des flüssigen Kühlmittels richtet.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strang in der ersten Zone in mehr als einem Niveau gekühlt wird.

4. Vorrichtung für die Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Winkel von 5 bis 15° gegen die Oberfläche des Stranges für die Kühldüsen in der ersten Zone.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Anordnung der Kühlmitteldüsen der zweiten Zone in einem Bereich von etwa '/e des geringsten Strangdurchmessers oberhalb bis unterhalb der Sumpfspitze.