DE2337666A1

DE2337666A1 - Giessrad fuer eine kontinuierlich arbeitende giessmaschine

Info

Publication number: DE2337666A1
Application number: DE19732337666
Authority: DE
Inventors: Milton E Berry
Original assignee: Southwire Co LLC
Current assignee: Southwire Co LLC
Priority date: 1972-10-05
Filing date: 1973-07-25
Publication date: 1974-04-11
Also published as: AU471619B2; YU35519B; FR2201939A1; DE2337666B2; GB1437367A; SE387872B; YU197673A; US3818972A; ZM11473A1; JPS5240614B2; FR2201939B1; DE2337666C3; IT1000036B; JPS4973332A; ES419378A1; CA987069A; AU5767973A

Description

Gießrad für eine kontinuierlich arbeitende Gießmaschine

Die Erfindung betrifft ein Gießrad für eine kontinuierlich arbeitende Gießmaschine mit einer offenen Gießrinne am Gießradumfang, die durch zwei Seitenwände und durch einen zwischen die' sen verlaufenden Boden gebildet wird, wobei jede der beiden Seitenwände einen Ausziehwinkel mit der zugeordneten, zur Gießradachse rechtwinkligen Radialebene des Gießrades einschließt, wie es beispielsweise beim kontinuierlichen Gießen von Kupfer und anderen Metallen benutzt wird.

Bei der Herstellung einer Metallstange oder eines Drahterzeugnisses durch einen kontinuierlichen Gieß- und Walzvorgang v/ird die betreffende Metallschmelze durch eine Stranggießmaschine zu einem fortlaufenden Strang gegossen und dann, im wesentlichen unmittelbar danach, in einem Walzwerk warm gewalzt, um so einen ununterbrochenen Strang zu erhalten. Dieser Strang kann dann durch eine Reihe von Ziehsteinen kaltgezogen werden, um einen Draht zu erzeugen.

Eine typische Stranggießmaschine weist ein herkömmliches Gießrad mit einer offenen Gießrinne an seinem Umfang auf, die durch ein endloses Band teilweise geschlossen wird, welches vom Gießrad und von zumindest einer Laufrolle getragen wird. Das Gießrad und das endlose Band bilden zusammen eine Gießform, in deren eines Ende die Metallschmelze eingegossen wird, um darin zu erstarren,und aus derem anderen Ende der Gußstrang herausgeführt wird in im wesentlichen demjenigen Zustand, in dem er erstarrt ist. Beispiele solcher Stranggießmaschinen sind in den US-Patentschriften 3 279 000 und 3 336 972 offenbart.

Die am Gießradumfang gebildete Gießrinne in herkömmlichen Gießrädern hat zwei Seitenwände und einen zwischen diesen verlaufenden Boden. In einem Radialschnitt konvergieren die Seitenwände in Einwärtsrichtung gegen die zur Gießradachse rechtwinklige Radialebene des Gießrades. Der geringfügig stumpfe Winkel, der von jeder, der Seitenwände und dem Boden festgelegt wird, er-

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ORIGINAL INSPECTED

leichtert das Abwickeln des Gußstranges aus der Gießrinne. Der Betrag, um den dieser Winkel einen rechten Winkel von 90° übersteigt oder anders ausgedrückt, der Winkel, der von jeder der Seitenwände und der Radialebene des Gießrades eingeschlossen ist, wird als Anzug oder Ausziehwinkel bezeichnet. Bisher hat der Ausziehwinkel herkömmlicher Gießräder etwa 9,5° betragen.

Bei dem normalen Gießvorgang neigt das flüssige Metall dazu, sich an den Innenwänden der Gießrinne anzusetzen und anzuhäufen. Darüber hinaus veranlaßt besonders beim Gießen von Kupfer in ein stählernes Gießrad die Wärmebelastung des Gießrades ,die von dem Einbringen der Metallschmelze in die Gießrinne und von dem gleichzeitigen Abkühlen und Erstarren des Metalls

herrührt

zu einem Gußstrang^ die Seitenwände der Gießrinne sich zu verengen. Dadurch wird der Ausziehwinkel der Gießrinne verkleinert und der Gußstrang der Gefahr ausgesetzt, im Gießrad hängenzubleiben. Diese Umstände hindern offensichtlich den normalen Abwickelvorgang der beim Stranggießverfahren nun einmal erforderlich ist und ebenso verursachen sie schwere mechanische Abnutzungserscheinungen, was ein Rissigwerden der Oberfläche zur Folge hat, was wiederum die Lebensdauer des Gießrades erheblich verkürzt. Diese Umstände können durch die vom endlosen Band auf die Wände der Gießrinne ausgeübte Spannung noch weiter verschlimmert werden.

Qualitativ kann das Problem abschnittweise etwa folgendermaßen beschrieben werden:

1) Eine Metallschmelze wird in eine verhältnismäßig kalte Gießform eingegossen. Die Gießform verbiegt sich auf Grund der Wärmespannungen, die von der Metallschmelze hervorgerufen werden. Gleichzeitig wird eine dünne weiche Haut rings um den Gußstrangquerschnitt gebildet. Der Gießformhohlraum ist dann größer als er vor dem Eingießen der Metallschmelze war.

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2) Die Haut des Gußstranges wird dicker und schrumpft zusammen und von der Gießform weg, und zwar um einen solchen Betrag, daß ein Spalt entsteht, der den Wärmestrom weg von der Gießform verringert und die Gießform schrumpfen läßt, wodurch die Verbiegung rückgängig gemacht und der Wärmeabfluß aufgehoben wird.

3) Gegen Ende des Arbeitsspiels verringert sich die Wärmeübertragung allmählich mit einer damit einhergehenden Abnahme der Gießformtemperatur und des Gießformtemperaturgradienten. Das läßt die Gießform sich verengen, wodurch ihre Abmessungen kleiner als zu Beginn des Arbeitsspiels sind und wodurch demzufolge eine Berührung zwischen den Seitenwänden der Gießform und dem Gußstrang auftritt und dieper manchmal an den Gießformwänden hängenbleibt.

4) Da der Gußstrang anschließend kontinuierlich von der Gießform

abgewickelt wird, erreicht die Gießformtemperatur allmählich

der etwa gleich einen gewissen konstanten Wert, /der Anfangstemperatur zu Beginn des Gießvorganges ist.

Es ist festgestellt worden, daß bei einem Gießrad mit einem Standardausziehwinkel von 9,5°, wie es in der Industrie benutzt wird, die bei den Schritten 2 und 3 beschriebene Verengung zu einer Verringerung des Ausziehwinkels auf etwa 8,5° zu jenem Zeitpunkt führt, wodurch das Abwickeln des Gußstranges ernsthaft behindert und schwere mechanische Abnutzungserscheinungen am Gießrad hervorgerufen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Gießrad zu schaffen, das eine höhere Lebensdauer als die herkömmlichen Gießräder hat.

Diese Aufgabe wird bei einem Gießrad der eingangs genannten Art

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gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Ausziehwinkel 11,5° bis 14,5°, vorzugsweise etwa um 12° beträgt. Dadurch wird erreicht, daß der Ausziehwinkel der Gießrinne während sämtlicher Abschnitte des thermischen Arbeitsspiels bei einem normalen Gießvorgang nicht unter etwa 9,5 abnimmt. Demzufolge wird dadurch auch die Neigung des Gußstranges,an der Gießrinne hängen zu bleiben, beträchtlich verringert, wodurch wiederum das Abwickeln erleichtert und demzufolge die Lebensdauer des Gießrades erhöht wird. Es hat sich herausgestellt, daß gemäß der Erfindung ausgebildete Gießräder eine durchschnittliche Lebensdauererhöhung um mehr als 50 % gegenüber den bekannten Gießrädern mit einem Ausziehwinkel von 9,5 erreich⁰¹¹·

Während der untere Grenzwert von 11,5° aus den vorstehend aufgeführten Gründen als kritischer Wert betrachtet wird, wird auch der obere Grenzwert von 14,5° als bedeutsamer und kritischer Wert angesehen. Aus baulichen Gründen, wie hiernach klar werden wird, erfordert jede Vergrößerung des Ausziehwinkels eine Erhöhung der Wandstärke der Gießform, deren Außenfläche rechtwinklig zur Drehachse des Gießrades bleibt. Das hat eine entsprechende Verringerung der Wärmeübertragungsgeschwindigkeit aus der Gießform heraus und dadurch eine Verringerung der Produktionsgeschwindigkeit zur Folge. Es hat sich deshalb als vorteilhaft erwiesen, die Gießform so auszubilden, daß die Wandstärke der Gießformseitenwände im wesentlichen gleichmäßig ist. Es hat sich auch herausgestellt, daß die Wärmeübertragungsgeschwindigkeit bis zu einem Ausziehwinkel von bis zu 14,5 noch annehmbar ist. Wenn der Ausziehwinkel darüber hinaus noch größer gemacht wird, weicht die Querschnittsform des Gußstranges um ein größeres Ausmaß von der Rechteckform ab, was im Hinblick auf den anschließenden Walzvorgang weniger wünschenswert ist. Dementsprechend ist der Grenzwert von 14,5 festgelegt worden, um einen Gußstrang hervorzubringen, der eine Querschnittsform aufweist, die für den Walzvorgang noch annehmbar ist. Der bevorzugte Ausziehwinkel von 12° hat sich als Optimum erwiesen, da er das Abwickeln des Gußstranges

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von der Gießrinne erleichtert, ohne gleichzeitig die Wärme- · Übergangsgeschwindigkeit übermäßig zu verringern oder eine Querschnittsform des Gußstranges zu liefern, die für den Walzv-organg unerwünscht ist.

Die Erfindung wird an Hand von in den Zeichnungen dargestell-' ten Ausführungsformen eines Gießrades gemäß der Erfindung im folgenden näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen stark schematisierten Aufriß einer kontinuierlich arbeitenden Stranggewinnungsanlage mit einer kontinuierlichen Gießmaschine und mit einem Walzwerk mit ■mehreren Walzengerüsten;

Fig. 2 einen vergrößerten Querschnitt durch den Umfang eines Gießrades herkömmlicher Bauart der Gießmaschine nach Fig. 1, nach der Schnittverlaufslinie 2-2?

Fig. 3 einen Querschnitt ähnlich Fig. 2 durch

eine erste Ausführungsform eines Gießrades gemäß der Erfindung;

Fig. 4 einen weiteren Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines Gießrades gemäß der Erfindung;

Fig. 5 eine schematische Darstellung zur Wiedergabe der Kräfte an einem Keil zwischen zwei ebenen Flächen;

Fig. 6 eine schematische Darstellung der Kraftverhältnisse an einem Strangguß in einer

Gießrinnen-Gießform.
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In Fig. 1 ist eine Anlage zum kontinuierlichen Erzeugen eines Stranges aus geschmolzenem Kupfer oder anderen Metallen dargestellt. Diese Anlage umfaßt als zwei Hauptgruppen eine Stranggießmaschine 10 und ein Walzwerk 11.

Die Stranggießmaschine 10 dient als Gießeinrichtung für das Erstarren einer Metallschmelze M, um ein Gußmetall, wie beispielsweise in der Form eines Gußstranges 12 ,zu liefern, das im wesentlichen in dem Zustand, in dem es erstarrt ist, von der Stranggießmaschine 10 zum Walzwerk 11 gefördert wird, welches als eine Warmformeinrichtung für die Warmverformung des Gußstranges 12 in einen Walzstrang 16 oder in andere warmverformte Erzeugnisse dient.

Die Stranggießmaschine 10 ist von herkömmlichem Typ mit einem Gießrad, wie er beispielsweise in der US-PS 3 336 972 beschrieben ist. Eine solche Gießmaschine weist ein Gießrad 13 mit einer Gießrinne auf, die zum Teil durch ein endloses Band 14 verschlossen wird, welches durch eine Anzahl von Laufrädern in Anlage am Gießrad 13 gehalten wird. Das Gießrad 13 und das endlose Band 14 wirken derart zusammen, daß sie eine Gießform bilden, in deren eines Ende die Metallschmelze M eingegossen wird, um darin zu erstarren unc von ,derem anderen Ende der Gußstrang 12 im wesentlichen in dem Zustand abläuft, in dem er erstarrt ist, Das Walzwerk 11 ist von üblicher Bauart mit mehreren Walzengerüsten 17, die dazu dienen, das Gußmetall des Gußstranges 12 durch eine Reihe aufeinanderfolgender Verformungen v/armzuverformen. Die Stranggießmaschine 10 and das Walzwerk 11 sind gegenseitig so angeordnet, daß der Gußstrang 12 im wesentlichen unmittelbar nach seinem Erstarren in das Walzwerk 11 einläuft, so daß er im wesentlichen in dem Zustand ist, in welchem er erstarrt und eine Temperatur

bereiches

innerhalb de3 Temperatur-/ fur eine Warmverformung des Gußstranges 12 auf v/eist. Daher ist kein Erwärmen des Gußstranges zwischen der Stranggießmaschine ~Q und dem Walzwerk 11 erfor-

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derlich. In dem Fail, daß es erforderlich ist, die Warmformtemperatur des Gußstranges 12 genau zu steuern, können Vorrichtungen zum Einstellen der Temperatur des Gußstranges 12 zwischen der Gießmaschine IO und dem Walzwerk 11 angeordnet werden, ohne daß sich dadurch an dem Grundgedanken der Erfindung etwas ändert.

Es ist klar, daß bei der Anlage nach Fig. 1 der Gußstrang von jeder beliebigen Länge sein kann, die lediglich durch die Menge der Metallschmelze M bestimmt wird, die erstarrt und er sich von der Gießmaschine 10 bis zum Walzwerk 11 erstrecken kann. Auf diese Weise können die Verfah :ensschritte des Erstarrens der Metallschmelze zum Gewinnen von Gußmetall und der Warmverformung des Gußmetalls im allgemeinen gleichzeitig nebeneinander ausgeführt werden, wenn die Anlage nach Fig.l einmal in Betrieb genommen worden ist.

In Fig. 2 ist ein Radialschnitt einer bekannten Gießform 20 dargestellt, wie sie bisher im Umfang von herkömmlichen Gießrädern ausgebildet worden ist. Die Gießform 20 weist eine Gießrinne 21 auf, die durch Seitenwände 22 und 23 und durch einen zwischen diesen beiden sich erstreckenden Boden 24 festgelegt wird. Jede der Seitenwände 22 und 23 bildet mit dem Boden einen geringfügig stumpfen Winkel. Der Winkelbetrag, um den dieser stumpfe Winkel 90° übersteigt, wird als Ausziehwinkel £λ der Gießform bezeichnet. Der Ausziehwinkel <Ä. kann auch als derjenige Winkel definiert v/erden, den jede der Seitenwände und 23 mit der Radialebene des Gießrades 13 einschließt. Als Standardwinkel galt in der Industrie bisher ein Ausziehwinkelc£ der Gießform 20 von 9,5°.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, hat sich an der Seitenwand ein Metallaufbau 25 gebildet, was dazu führt, daß der Gußstrang 12 an der Gießform 20 hängenbleibt und dadurch der normale Abwickel- oder Ausziehvorgang behindert wird. Der durch

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das Metall 25 verursachte Aufbau trägt ferner zu dem Verengungseffekt bei, der während des thermischen Kreislaufs bei dem Gießvorgang in Erscheinung tritt. Bei den bekannten Gießformen 20 zeigen sich auch Risse und Ablösungserscheinungen 26, und zwar im Boden 24 und beispielsweise in der Seitenwand 23. Die Risse und Ablösungen 26 stellen zweifellos Fehlstellen in der Gießform 20 dar, die von den Beanspruchungen herrühren, welche dort als Ergebnis des Hängenbleibens des Gußstranges 12 an der Gießform 20 und der Reibungskräfte auftreten, die dann entstehen, wenn der Gußstrang 12 aus der Gießform ausgezogen wird.

Die Beziehungen zwischen dem Ausziehwinkel ά und der Reibkraft zwischen einem Gußstrang und den Seitenwänden eines Gießrades sind analog denen eines Keiles, der von zwei geneigten Ebenen eingeschlossen wird und bei dem an den Berührungsflächen Reibung auftritt, wie es in Fig. 5 angedeutet ist. Im folgenden sol len die trigonometrischen Beziehungen abgeleitet werden, in denen/· ~ die Normalkraft und M - den Reibungskoeffizienten bedeuten:

Nach den Regeln der Statik gilt:

IF = 0 =yW^F +ywF cos 2fl[- F sin 2 c( //f(l + cos 2Ä) - sin 2ίί= Ο

r ι + cos 2 λ

Danach muß für eine freie Bewegung des Keiles zv/ischen den Ebenen

sin 2 <k /* 1 + cos

sein. Unter Heranziehung der trigonometrischen Gleichungen sin 2 0(= 2 sin C^ cos <£
cos 2<k = cos <k - sin ö(
sin ^C + cos'

CN = 1

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und für O	*A 7*	T 2
gilt	tan
oder	tan

In Vervollständigung der Analogie hinsichtlich eines Gußstücks in einer Gießform, wie es in Fig. 6 dargestellt ist, kann man nach den Regeln der Statik die folgende Beziehung aufstellen:

= 0 = 2 N sin d-2^N cos (JL

Daraus ergibt sich für eine freie Bewegung zwischen dem Gußstück und der Gießform M £ tan ^

—1
oder <£ y tan ^

Es dürfte sowohl im Hinblick auf die vorstehenden Ableitungen wie auch auf Grund der empirischen Erkenntnisse klar sein, daß eine unmittelbare physikalische Beziehung zwischen dem Ausziehwinkel und der Reibkraft zwischen dem Gußstrang und den Seitenwänden des Gießrades besteht. Es ist in Übereinstimmung mit der Erfindung dargelegt worden, daß eine Vergrößerung des Ausziehwinkels C^ auf mindestens 11,5° die Reibkraft ausreichend verringert, um das Ausziehen des Gießstranges aus der Gießrinne des Gießrades während des gesamten Gießvorganges ermöglicht, ohne daß bedeutsames Hängenbleiben und demzufolge eine Abnutzung und Beschädigung des Gießrades auftritt.

In Fig. 4 ist als bevorzugte Ausführungsform der Erfindung eine Gießform 30 dargestellt, die einen Ausziehwinkel c( von 12° aufweist. Der vergrößerte Ausziehwinkel 4\ von 12° verringert aber nicht nur die Reibung und die Abnutzung, sondern auch der Verengungseffekt während der Wärmebelastungsphase wird den Ausziehwinkel nicht unter einen Wert von 9,5° verkleinern, wo-

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durch ein weiteres Hängenbleiben des Gußstranges an der Gießform vermieden wird.

Es sollte jedoch beachtet werden, daß mit der Vergrößerung des AusziehwinkelscA der Gießform 30 die Wanddicke der Gießform 3O damit einhergehend vergrößert worden ist, um sie an den vergrößerten Ausziehwinkel anzugleichen. Demzufolge wird die Wärmeübertragungsgeschwindigkeit aus der Gießform heraus und dadurch wiederum die Produktionsgeschwindigkeit des Gießrades verringert sein. Es ist festgestellt worden, daß ein Ausziehwinkel von 12° ein optimaler Wert ist, daß aber auch ein Winkel von bis zu 14,5 noch hingenommen werden kann, ohne daß eine übermäßige Verringerung der Wärmeübertragungsgeschwindigkeit auftrete.

In Fig. 3 ist als zweite Ausführungsform der Erfindung eine Gießform 40 dargestellt. Diese weist eine Gießrinne 41 mit einem Boden 42 und "gebrochenen" Seitenwänden auf, wobei letztere je zv/ei unter einem Winkel aneinander anschließende Seitenwandabschnitte 43 und 44 bzw. 45 und 46 haben. Während die unteren Seitenwandabschnitte 44 und 46 einen üblichen Ausziehwinkel &*■ von 9_f5 haben, sind die oberen Seitenwandabschnitte 4 3 und unter einem Ausziehwinkel C\, von 14,5° geneigt. Auf diese Weise wird das Ausziehen des Gußstranges erleichtert, während die Wärmeübertragungsgeschwindigkeit und dadurch wieder die Produktionsgeschwindigkeit nicht verringert ist.

Es dürfte klar sein, daß ungeachtet des Umstandes, daß der Ausziehwinkel et der Gießform 30 mit 12 und der Ausziehwinkel aC, der Gießform 4O mit 14,5° im einzelnen angegeben worden sind, der Winkelbereich eines jeden Winkels zwischen 11,5° und 14,5 liegen kann, ohne den Grundgedanken der Erfindung aufzugeben .

Es dürfte daher klar sein, daß gemäß der Erfindung ein verbesser-

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tes Gießrad für die Verwendung beim Stranggießen geschaffen worden ist, bei dem ein Ausziehwinkel in dem Bereich von 11,5 bis 14,5 vorgesehen ist und dadurch das Ausziehen des Gußstranges aus der Gießform erleichtert wird, wodurch wiederum die Abnutzung des Gießrades verringert und seine Lebensdauer erhöht wird.

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Claims

- 12 Patentansprüche

1) Gießrad für eine kontinuierlich arbeitende Gießmaschine mit einer offenen Gießrinne am Gießradumfang, die durch zwei Seitenwände und durch einen zwischen diesen verlaufenden Boden gebildet wird; wobei jede der beiden Seitenwände einen Ausziehwinkel mit der zugeordneten, zur Gießradachse rechtwinkligen Radialebene des Gießrades einschließt, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausziehwinkel (<f\) 11,5 bis 14,5 beträgt.

2) Gießrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausziehwinkel (^ ) 12° beträgt.

3) Gießrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Gießrinnenseitenwände einen oberen Wandabschnitt (43; 45) und einen unteren Wandabschnitt (44; 46) aufweist, die jeweils einen unterschiedlichen Ausziehwinkel (c^, bzw. <£. ) mit der zugeordneten Radialebene einschließen.

4) Gießrad nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausziehwinkel (<κ,) eines oberen Wandabschnittes (43; 45) größer als der Ausziehwinkel (oO des zugehörigen unteren Wandabschnittes (44 bzw. 46) ist.

5) Gießrad nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die unteren Wandabschnitte (44; 46) einen Ausziehwinkel (ck) ' von im wesentlichen 9,5° und die zugehörigen oberen Wandabschnitte (43 bzw. 45) einen Ausziehwinkel ( (A ,) von im wesentlichen 11,5° bis 14,5° mit der zugeordneten Radialebene einschließen.

6) Gießrad nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Aus¹-ziehwinkel (cC.) der oberen Wandabschnitte im wesentlichen 14,5° beträgt. 409815/0692