DE2524425A1

DE2524425A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von gussbloecken

Info

Publication number: DE2524425A1
Application number: DE19752524425
Authority: DE
Inventors: Lars Tiberg
Original assignee: Fagersta AB
Current assignee: Fagersta AB
Priority date: 1974-06-11
Filing date: 1975-06-03
Publication date: 1976-01-02
Also published as: JPS5133727A; GB1510361A; ATA442375A; FR2274380B3; FR2274380A1; SE399524B; AT348168B; SE7407693L

Description

"Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Gußblöcken"

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Gußblöcken mit einer kleinen Querschnittsfläche aus Metallen und Metall-Legierungen, insbesondere Stahlarten, welche gegen Blockseigerung empfindlich sind.

Das Gießen von Stahl in Form üblicher Gußblöcke ist mit erheblichen Kosten für die Weiterverarbeitung der Blöcke in Barren verbunden. Da abgestandene Stahlqualitäten darüber hinaus als Blöcke mit Ausgußkopf gegossen werden, ergibt sich ein Ausbeuteverlust von 10 bis 20$, wenn der Ausgußkopf bei der Verarbeitung entfernt wird. Um die hohen Verarbeitungskosten und Ausbeuteverluste zu vermeiden, die bei Verarbeitung üblicher Gußblöcke entstehen, wurde das kontinuierliche Stahlgießen zunehmend angewendet. Hochlegierungsstahl, z.B. Werkzeugstahl und Kugellagerstahl, eignet sich jedoch nicht für das kontinuierliche Gießen wegen der starken Neigung der Blockseigerung, welche

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auftritt, wenn man kontinuierlich Stahl gießt, welches große Erstarrungsintervalle hat. Diese Blockseigerung bzw. Absonderung bei kontinuierlichem Gießen tritt entsprechend der Gestalt der Erstarrungsfront auf, wenn in einem bestimmten Erstarrungszustand das Band aus einer starren Außenschale und innen aus einer halbfesten Struktur von Dendriten durchsetzt von restlicher Schmelze besteht. Die Restschmelze und die zentralen Abschnitte des Bandes schrumpfen während des gesamten Erstarrungsprozesses und die Schrumpfung wird kompensiert durch Schmelze aus den oberen Abschnitten des Bandes, die nach unten in das Band gepresst wird. Dabei entstehen Spannungen in dem Dendritgitter und bei der ungünstigen Gestalt der Erstarrungsfront, die normalerweise beim kontinuierlichen Gießen auftritt, reißt das Dendritgitter. Die Risse werden mit restlicher Schmelze gefüllt und es tritt eine Absonderung oder Seigerung ein.

Bei extrem langsamem kontinierlichen Gießen kann für die Schmelzfront eine so günstige Gestalt erhalten werden, daß Seigerungen vermieden werden; das Verfahren wird jedoch unwirtschaftlich wegen der sehr niedrigen Gießgeschwindigkeit.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Erzeugung von Gießblöcken aus gegen Seigerung empfindlichen Stahl, beispielsweise Werkzeugstahl, wobei die Gießblöcke länglich, parallelepipedisch und von geringem Querschnitt sein und gute Seigerungsverteilung haben sollen. Dabei soll eine höhere Ausbeute, höhere Produktionsrate und niedrigere Kosten zum Walzen der Barren entstehen als bei üblichen Gußblöcken. Sie sollen insbesondere direkt für das Fertigwalzen von Barren, Drähten oder Streifen geeignet sein.

Diese Aufgäbe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gelöst, daß das Metall, die Metall-Legierung oder der Stahl in eine längliche, horizontale Form mit einer offenen oberen Ober-

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— "²I —

fläche gegossen wird, wobei die obere Oberfläche auf einer so hohen Temperatur gehalten wird, daß sie zwar fest wird, jedoch genügend formänderungsfähig bzw. plastisch bleibt, um einsinken zu können, wenn die Erstarrung im Inneren des Gießblockes fortschreitet.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren entstehen etwaige Poren im mittleren Abschnitt des Gießblockes erst in einem späten Stadium und die Spannungen, die auf das Dendritgitter einwirken, sind gering. Da die Differenzen im Pegel innerhalb der Schmelze gering sind, treten keine Makroseigerungen auf. Der Querschnitt, des fertigen erfindungsgemäßen Gießblockes ist im wesentlichen rechtwinklig und das Verhältnis von Breite zu Höhe liegt zwischen 1:1 und 10:1, vorzugsweise zwischen 1,25:1 und 2,5:1. Um ein Anbrennen und Beschädigung der Form zu vermeiden, wird diese während des Gießvorganges -relativ zu der Gießpfanne in Bewegung gehalten.

V/eitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten des erfundenen Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Zeichnung.

In der Zeichnung ist eine Gießform 1 mit rechteckigem Querschnitt und einem Breite-Höhe-Verhältnis von etwa 2:1 gezeigt. Die obere Oberfläche des Gießblockes 2 in der Form 1 ist mit Hilfe einer elektrischen Strahlungsheizung 3 und mit Hilfe eines Reflektors 4, welcher die Strahlung gegen die obere Oberfläche des Gießblockes 2 reflektiert, erhitzt. Um unerwünschte Hitzeverluste aus dem Raum zwischen dem Heizer 3 und dem Gießblock 2 zu vermeiden, ist eine Asbestscheibe 5 auf beiden Seiten der Gießform 1 vorgesehen. Diese Scheiben 5 erstrecken sich von der oberen Kante der Form 1 zu dem unteren Rand des Reflektors 4. .Um den oberen Rand des Gießblockes 2 gegen Oxidation und Entkohlung zu sichern, wird ein Inertgas (z.B. Argon) von einer Rampe 6

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-Ji-

auf einer Seite der Gießform 1 aus zugeführt. Die Strahlungsheizung 3 kann aus einer Halogen-Wolfram-Lampe mit Reflektor und mit einer Leistung von 10 bis 20 kW bestehen. Bei Versuchen hatte die auf die Gußform 2 projizierte Fläche des Reflektors 4 eine Abmessung von 100 mm χ 700 mm. Ausser von der Rampe 6 aus kann Argon natürlich auch durch die Strahlungsheizung 3 selbst zugeführt werden.

In der nachstehenden Tabelle sind experimentelle Ergebnisse beim Gießen von abgestandenem Kohlenstoffstahl mit etwa 1% Kohlenstoffgehalt wiedergegeben. Der Stahl wurde dabei in eine mittelgroße Gießpfanne gegossen und das Abgießen fand unmittelbar danach von der Gießpfanne aus in die Gießform statt. Nach dem vollständigen Füllen der Gießform wurde diese unter die Heizung 3 geschoben.

— 5 — (Tabelle)

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Blocknummer
Blockbreite in mm Heizleistung in kW Heizungsabstand in mm

cn 2

oArgond.ruck in kg/cm

CD I

QOVorheizung auf C

00 VJl

~*Gießtemperatur in ⁰C

.^Verweil zeit der Gießpfanne in see,

-jAufheizzeit in min.

Analyse (in #)

C 0,96 0,89 0,95 0,85 0,79 1,19

Si

Mn

Al

gesamt

^A1gelöst

1	2	3	4	5	6
150	150	150	150	100	200
10	20	20	0	20	20
230	230	125	-	125	230
5	VJl	VJl	3	3	2
100	300	100	300	100	70
1550	1550	1550	1550	1550	1550
0	0	0	0	0	30
10	10	10	10	10	20

0,48	0,82	0,36	0,36	0,51	0	,29	ro cn
0,75	0,70	0,52	0,56	0,64	0	,55	-t>·
0,075	0,190	0,042	0,004	0,024			ro
0,050	0,11	0,025	0,001	0,015	0	,033

Das Verhältnis Breite zu Höhe des Blockes hat beachtlichen Einfluß auf die Gestalt der oberen Oberfläche. Für Block Nr. 5 der Tabelle, das ist derjenige Block, welcher der quadratischen Abmessung am nächsten kommt, ist das Einsinken für ein direktes Weiterverarbeiten zu groß. Das gleichmäßigste Einsinken ist bei Block Nr. 6 vorhanden, welcher ein Verhältnis Breite zu Höhe von 2:1 hat. Die obere Oberfläche der Blöcke war teilweise mit einer groben Schlacke von dem Ofen bedeckt. Dies beruht auf dem Umstand, daß das Eingießen und Abgießen in einer Folge stattfindet, so daß eine Zeit vorhanden ist, daß sich die Ofenschlacke in der Gießpfanne abtrennen kann. Auf dem Gußblock Nr. 4 war keine Schlacke, was darauf zurückzuführen sein könnte, daß die obere Oberfläche sich so schnell verfestigt hatte, daß die Schlacke keine Zeit zur Trennung hatte. Bei dem Block Nr. 6 war die Verweilzeit der Gießpfanne 30 see. und die Menge an Schlacke auf der oberen Oberfläche wurde dadurch beachtlich geringer.

Die Hitzezufuhr zu der oberen Oberfläche des Gießblockes ist entscheidend für das Abstehen des Stahles und bei dem Gießblock Nr. 4, bei welchem keine Hitze zugeführt wurde, entstanden zahlreiche Poren unmittelbar unter der oberen Oberfläche des Gießblockes. Bei allen übrigen Blöcken war die obere Oberfläche dicht, ausgenommen zufällige 'Poren in Verbindung mit Gebieten von Oberflächenschlacke. Wenn die Oberflächenschlacke verschwindet, verschwinden auch die Oberflächenporen.

Eine andere Bedingung für das Erreichen eines guten abgestandenen Stahles besteht darin, daß der Gehalt an gelösten Gasen in dem Stahl niedrig gehalten wird, was durch Vakuumbehandlung des Stahles und übliche Deoxidation erreicht werden kann.

Eine Veränderung der Hitzezufuhr durch Verwendung unterschiedlicher Leistungen für die Heizlampe 3 und unterschiedliche Abstände

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zwischen der Blockoberfläche und der Lampe (vgl. die Blöcke Nr.Ί, 2 und 3 in der Tabelle) hat die Sinkeigenschaften nicht deutlich beeinflußt. Die Seigerungserscheinung der Blöcke ist gut und ausgenommen von normalen dendritischen Seigerungen entstanden keine Makroseigerungen, ausgenommen bei Block Nr. 4, bei welchem eine Seigerung während des Einfüllens von Poren während dem Pestwerden auftrat.

Aus den Beispielen kann der Schluß gezogen werden, daß horizontale Gießblöcke ein Breite-Höhe-Verhältnis haben sollen, das größer als 1:1 und etwa 1,5:1 ist. Um eine möglichst saubere obere Oberfläche zu erhalten, soll gutes Schutzgas während des Gießens verwendet werden und eine Hitzezufuhr zur oberen Oberfläche des Gießblockes mit einer Leistung von 15 kW pro m oder 0,05 kWh pro kg Stahl erfolgen, um Blasen in der oberen Oberfläche zu vermeiden. Gießblöcke mit Querschnittsflächen zwischen 100 mm χ 100 mm und 200 mm χ 100 mm sind frei von Makroseigerungen und ausserdem von normalen zwischendendritischen Seigerungen.

Ein wichtiger Faktor, welcher sich auf das Ergebnis des Gießverfahrens auswirkt, ist die Qualität der Gießblock-oberflache, die gegen die Wände der Gießform gebildet werden. Bei Ausführung des Gießvorganges in Argon oder Stickstoff kann eine Blockoberflächenschicht erhalten werden, die praktisch frei von Sauerstoff ist. Durch Einmischen reduzierender Gase, beispielsweise Wasserstoff, in das Schutzgas kann die Neigung zur Oxidbildung auf der Ober-

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fläche des Gießblockes weiter verringert werden.'Oberflächenspannung des Stahls wird dadurch ebenfalls erhöht, was weiter zur Verbesserung der Gleichförmigkeit der Gießblockoberfläche beiträgt. Auf diese Weise kann eine glatte, homogene Blockoberfläche erhalten werden, welche bei einer Warmverarbeitung nicht reißt. Beim Gießen in einem Schutzgas wird die Blockoberfläche ein Abdruck der Gießformoberfläche mit ihrer Unebenheit. Durch

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Beschichten der Oberfläche der Gießform mit einem Beschichtungsmittel kann eine glattere Oberfläche auf dem Gießblock als diejenige der Gießform selbst erhalten werden.

Bei Versuchen mit dem Gießen von Werkzeugstahl nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wurde gefunden, daß die Carbidseigerung um das Zentrum der Erstarrung nicht vollständig vermieden werden kann. Durch Abbrechen der Hitzezufuhr zu der oberen Oberfläche des Gießblockes vor der Vollendung der Erstattung des Gießblockes wurde ermöglicht, daß der letzte Abschnitt der Erstarrung beschleunigt wird, wodurch die Carbidstruktur in dem ErstarrungsZentrum feiner gemacht werden konnte.

Verglichen mit dem üblichen Blockgießen ergibt das erfindungsgemäße Verfahren eine größere Ausbeute des geschmolzenen Stahls in fertigen gewalzten Gütern. Verglichen mit kontinuierlichem Gießen erfordert das erfindungsgemäße Verfahren wesentlich geringere Investitionskosten. Das erfindungsgemäße Verfahren ist deswegen nicht nur für Stahl, welches gegen Seigerung empfindlich ist, sondern auch für alle sonstigen Art von Stahl und Metallen interessant.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Erzeugen von Gießblöcken mit geringem Querschnitt aus Stahl, insbesondere aus Stahl, welches gegen Seigerung empfindlich ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl in einer längliche horizontale Gießform mit einer offenen oberen Oberfläche gegossen und die obere Oberfläche auf einer so hohen Temperatur gehalten wird, daß sie zwar fest wird, aber genügend formänderungsfähig bzw. plastisch bleibt, um niedersinken zu können, wenn die Erstarrung im Inneren des Gießblockes fortschreitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hohe Temperatur der oberen Oberfläche des Gießblockes mit Hilfe einer Wärmeisolation und/oder durch Zufuhr von Wärme zu der Oberfläche, beispielsweise mit Hilfe einer elektrischen Strahlungsheizung, aufrechterhalten wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Gießblockes gegen Oxidation und Decarbonisierung mittels eines Inertgases, beispielsweise Argon oder Stickstoff, geschützt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzgas mit reduzierenden Gasen, beispielsweise Wasserstoff, zur weiteren Reduzierung der

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Neigung einer Oxidbildung auf der Oberfläche des Gießblockes gemischt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießform während des Gießens längs relativ zu der Gießpfanne verschoben wird, um zu vermeiden, daß der Gießblock an der Gießform haftet.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5₅ dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmezufuhr zu der oberen Oberfläche des Gießblockes vor der vollständigen Erstarrung des Gießblockes abgebrochen wird, wodurch die Erstarrung beschleunigt und die Struktur im ErstarrungsZentrum feiner gemacht wird. ^c

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen Breite und Tiefe des Gießblockes zwischen 1:1 und 10:1, vorzugsweise zwischen 1,25:1 und 2,5:1 liegt.

8. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine längliche horizontale oben offene Gießform mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt und mit einem Verhältnis von Breite zu Tiefe zwischen 1:1 und 10:1 und durch Mittel zur Aufrechterhaltung der oberen Oberfläche des Gießblockes auf einer so hohen Temperatur, daß diese zwar fest wird, jedoch genügend formänderungsfähig bzw. plastisch bleibt, damit sie nach unten sinken kann, wenn die Erstarrung in dem Inneren des Blockes fortschreitet, und durch Mittel zur Verschiebung der Gießform relativ zu der Gießpfanne während des Abgießens,um ein Anhaften des Gießblockes an der Gießform zu vermeiden.

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9. ,Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine elektrische-Strahlungsheizung mit Reflektor, welche oberhalb der Gießform zur Aufrechterhaltung der gewünschten Temperatur an der oberen Oberfläche des Gießblockes liegt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch Mittel zum Zuführen eines Schutzgases zu der oberen Oberfläche des Gießblockes.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen Breite und Höhe der Gießform zwischen 1,25:1 und 2,5:1 liegt.

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