DE2707774A1

DE2707774A1 - Verfahren und vorrichtung zum kontinuierlichen giessen einer metallschmelze in giessformen

Info

Publication number: DE2707774A1
Application number: DE19772707774
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr Feurer; Urs Schraner
Original assignee: Alusuisse Holdings AG
Current assignee: Alcan Holdings Switzerland AG
Priority date: 1976-02-24
Filing date: 1977-02-23
Publication date: 1977-09-01
Also published as: NO770606L; FR2342112A1; NL7700977A; BR7700951A

Description

Verfahren und Vorrichtung zum kontinuierlichen Gießen einer Metallschmelze in Gießformen

Beanspruchte Priorität: 23. Feb. 76 Schweiz, Nr. 2245/76

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum kontinuierlichen Gießen von Metallschmelzen in Gießformen, insbesondere von Schmelzen aas Aluminium- oder Aluminiumlegierungen zur Herstellung von Strangguß oder Bandguß, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bekannt sind beispielsweise ein Verfahren und eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Gießen der vorbeschriebenen Art, bei welchen eine Schmelze zunächst in einer Düse gerührt (agitiert) und darauf in einer in Strömungsrichtung der Schmelze nachfolgend angeordneten Form mit Hilfe eines Wärmeaustauschers gekühlt wird. - Siehe beispielsweise die GB-PS 705.762. Bekannt sind ferner die physikalischen Eigenschaften teilerstarrter Metallschmelzen, welche unter anderem eine höhere Viskosität als nicht teilerstarrte Schmelzen aufweisen.

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Die bisher bekannten Verfahren und Vorrichtungen zum kontinuierlichen Giessen von Metallschmelzen in Giessformen weisen mehrere Nachteile auf. Diese beziehen sich auf die bei der Massenfertigung erzielbare Qualität von Gusstücken, auf mehrere Schwierigkeiten beim Giessen sowie auch auf die verhältnismässig niedrige Absenkgeschwindigkeit der Schmelze
während des Giessvorganges.

Bei der Herstellung von Produkten mit Hilfe der herkömmlichen Giessverfahren muss beispielsweise beim Uebergang vom flüssigen zum festen Zustand die Ueberhitzungswärme - je
nach Verfahren bis zu 100° C Ueberhitzung über der Liquidustemperatur - und die gesarate Erstarrungwärme abgeführt werden, wodurch die maximal erzielbare Produktionsrate in unerwünschter Weise eng begrenzt ist.

Infolge der nach dem Giessvorgang eintretenden Erstarrungsschrumpfung der Schmelze ergeben sich bereits beim Giessvorgang, beispielsweise in bezug auf das Speisungsverhalten mehrere Nachteile. Auch besteht wegen der erst in der Form einsetzenden Erstarrungsschrumpfung eine verhältnismässig
grosse Neigung zur Rissbildung in der Form sowie auch im
Gusstück.

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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Giessen von Metallschmelzen vorzusehen, mit welchen die den vorbeschriebenen bekannten Verfahren und Vorrichtungen zum kontinuierlichen Giessen von Metallschmelzen anhaftenden Nachteile, insbesondere bei der Herstellung von Strang- oder Bandguss vermieden werden.

Erfindungsgemäss wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum kontinuierlichen Giessen von Metallschmelzen in Giessformen gelöst, bei welchem zunächst der durch eine Düse strömenden Schmelze im Bereich eines in derselben Düse betätigten Rührwerkzeuges ein Teil des Wärmeinhaltes entzogen und anschliessend die so behandelte Schmelze in eine Form weitergeleitet wird.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Ebene im Innenraum einer Düse ein Rührwerkzeug und an der Aussenseite derselben Düse ein Wärmeaustauscher angeordnet sind.

Weitere Ausführungsformen und Ausgestaltungsmöglichkeiten der Erfindung sind aus der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen. ^

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Die Zeichnung zeigt zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandesin vereinfachter Darstellungsweise, und zwar:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum kontinuierlichen Giessen einer Metallschmelze mit einer vertikal ausgerichteten Düse 4,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum kontinuierlichen Giessen einer Metallschmelze mit einer Düse, die in einem beliebigen Winkel zur Vertikalen geneigt, angeordnet sein kann und u.a. der Anwendung im Horizontal-Strangguss dient und

Fig. 3 eine Schemazeichnung, aus welcher eine an der Giessvorrichtung angeordnete Steuer- und Regeleinrichtung zum Steuern und Regeln der Temperatur

der Schmelze nach vorbestimmten Werten sowie eine Stellvorrichtung zum Einstellen der Oeffnungsweite eines in der Giessdüse befindlichen Ringspaltes zwecks Anpassung an die Strömungseigenschaften einer zur Anwendung gelangenden Metallschmelze zu ersehen ist.

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Gemäss den in den Fig. 1 und 2 gezeigten beiden Ausführungsbeispielen besteht die Vorrichtung zum kontinuielichen Giessen einer Metallschmelze - in Strömungsrichtung der Schmelze gesehen - aus einer Rinne 1, die innen mit feuerfestem Material 2 ausgekleidet ist, einer am Boden 3 der Rinne 1 befestigten, sich nach unten konisch verjüngenden Düse 4 mit einem Wärmeaustauscher 5 sowie einer sich an die Düse 4 anschliessenden Giessform 6, beispielsweise einer Kokille.

An der Wand 7 der Rinne 1 ist eine Rührvorrichtung 8 mit Hilfe von Stellschrauben 9 höhenverstell- und feststellbar befestigt. Die Rührvorrichtung 8 weist einen Antriebsmotor 10 auf, der über eine Welle 11 mit einem Rührwerkzeug 12 in Antriebsverbindung steht.

Das Rührwerkzeug 12 ist kegelförmig ausgebildet und konzentrisch in dem konisch ausgebildeten Hohlraum 13 der Düse 4 angeordnet. Zwischen der Wand 14 der Düse 4 und dem kegelförmigen Rührwerkzeug 12 befindet sich ein ringförmiger Spalt 15, dessen Breite durch Anheben oder Senken der Rührvorrichtung oder des Rührwerkzeuges 12 mit Hilfe der Stellschrauben 9 veränderbar ist.

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Der im gleichen Höhenbereich wie das Rührwerkzeug 12 an der Düse 4 angeordnete Wärmeaustauscher 5 besteht' aus einem die Düse 4 in einem Abstand umgebenden Mantel 16, durch welchen eine ringförmige Kammer 17 zwischen der Wand 14 der Düse 4 und dem dieselbe umgebenden Mantel 16 gebildet wird, die der Aufnahme eines flüssigen Kühlmittels, beispielsweise Wasser dient. Die Kammer 17 weist eine Zuflussleitung 18 und eine Abflussleitung 19 auf, durch welche das Kühlmittel mit Hilfe einer nicht näher dargestellten, mengenregulierbaren Pumpe der Kammer 17 zugeführt und nach dem Durchlaufen derselben wieder nach aussen abgeführt wird.

Am unteren Ende der Giessform 6 sind Spritzdüsen 21 angeordnet, die in einer nicht näher dargestellten Weise mit einer Wasserleitung verbunden sind und mit deren Hilfe der aus der Düse 4 austretende Strang der teilerstarrten Schmelze 20 durch Wasserstrahlen gekühlt wird.

Die in der Fig. 3 gezeigte Steuer- und Regeleinrichtung zum Steuern und Regeln der Temperatur der aus der Düse 4 austretenden Schmelze 20 besteht aus einem im näheren Bereich der Düsenöffnung 22 angeordneten Temperaturfühler 23, der über ein Steuerorgan 24, einen Regler 25 und einem

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elektromagnetisch betätigten, an der Zuflussleitung 18 des Wärmeaustauschers 5 angeordneten Reduzierventil 26 in Wirkverbindung steht. An der Zuflussleitung 18 kann ausserdem ein Durchflussmengenmesser 35 angeordnet sein, wenn dieses erwünscht ist.

Die in der Fig. 3 gezeigte Stelleinrichtung 27 zum Einstellen der Oeffnungsweite des in der Giessdüse 4 zwischen dem Rührwerkzeug 12 und der Innenwand der Düse 4 befindlichen Ringspaltes 15 stellt eine Variante zur in den Fig. und 2 gezeigten Höhenverstelleinrichtung 9 des Rührwerkzeuges 12 dar.

Die Stelleinrichtung 27 besteht aus einer mit einer Handkurbel 28 drehbaren Gewindespindel 29, die in einer nicht näher dargestellten, an sich bekannten Weise mit an einem Ausleger 30 des Rührwerkzeuges 8 angeordneten Zähnen im Eingriff stehen, wodurch der an einer Säule 31 hin- und herbeweglich geführte Ausleger 30 und somit das Rührwerkzeug 12 in Längsrichtung der Düse 4 entsprechend den Strömungseigenschaften der zur Anwendung gelangenden Art, bzw. Zusammensetzung einer Schmelze zur Einstellung der gewünschten Spaltbreite 15 bewegt werden kann. An dem Ausleger 30 ist

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ein Zeiger 32 befestigt, mit welchem die getätigte Höhenverstellung an einer Skala 33 ablesbar ist. Weiterhin ist ein Anzeigeinstrument 34 zum Ablesen der Oeffnungsweite des Ringspaltes 15 vorgesehen.

In einer nicht näher dargestellten Weise können der Innenraum der Düse 4 sowie das Rührwerkzeug 12 auch zylindrisch ausgebildet sein, wenn zum Giessen nur eine bestimmte Metallschmelze zur Anwendung gelangt und somit eine Aenderung der Oeffnungsweite des Ringspaltes 15 nicht erforderlich ist.

Gemäss dem Verfahren der Erfindung wird der Metallschmelze 20 kurz vor dem Einfliessen in die Form kontinuierlich ein Teil der Wärme mit Hilfe des Wärmeaustauschers 5 derart entzogen, dass die Schmelze mit kontrolliertem Wärmeinhalt und mit geregelter Geschwindigkeit der·Giessform 6 zugeführt werden kann.

Die in einem flüssigen Zustand befindliche Metallschmelze beispielsweise aus einer Legierung AlSi5 - wird von der Rinne 1 in die konisch ausgebildete Düse 4 geleitet, in

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welcher das Rührwerkzeug 12 gleichzeitig in einem Bereich von 100 - 5000 Umdrehungen pro Minute rotiert.

Die Schmelze fliesst während des Rührvorganges durch den ringförmigen Spalt 15, durch dessen veränderliche Weite die Durchflussgeschwindigkeit der Schmelze in der gewünschten Weise bestimmt werden kann. Beim DurchfHessen der Schmelze 20 durch den Spalt 15 wird derselben ein Teil des Wärmeinhaltes durch die Wand 13 der Düse 4 mit Hilfe des Wärmeaustauschers 5 entzogen. Die am unteren Ende der Düse 4 austretende Metallschmelze besitzt nun eine tiefere Temperatur, bzw. einen geringeren Wärmeinhalt als zuvor in der Rinne 1.

Die für den Giessvorgang erforderliche Betriebstemperatur der Schmelze im Bereich des Ringspaltes 15 wird selbsttätig mit Hilfe der Steuer- und Regeleinrichtung 23, 24, 25 und 26 kontrolliert. Die Kühlwirkung des Wärmeaustauschers 5 sowie die entsprechend den zur Anwendung gelangenden Metallschmelzen mit Hilfe der veränderbaren Weiten des Ringspaltes 15 zu beeinflussenden Durchflussgeschwindigkeiten können derart aufeinander abgestimmt werden, dass die Schmelze mit einer von dem Wärmeinhalt abhängigen, vorbestimmten Geschwindigkeit in die Giessform 6, beispielsweise eine Stranggiess-

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kokille oder eine andere.beliebige Giessform oder Giessmaschine fliesst, in welcher diese durch weitere Abkühlung vollständig zu einem festen Gussprodukt erstarrt. Die Schmelze kann bereits im Ringspalt 15 in den teilerstarrten Zustand kommen.

In einer an sich bekannten, nicht näher dargestellten Weise ist es auch möglich/ am Umfang der Düse 4 in einer gleichen Ebene mit dem Wärmeaustauscher Induktionsspulen zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes anzuordnen, um mit Hilfe des Feldes die Schmelz zu rühren.

Bezüglich der vorerwähnten Abhängigkeit der Durchflussgeschwindigkeit der Schmelze von dem Wärmeinhalt derselben ist in diesem Zusammenhang besonders auf die physikalischen Eigenschaften einer Metallschmelze hinzuweisen, welche sich durch eine Verminderung des Wärmeinhaltes ergeben.

Die Verminderung des Wärmeinhaltes bewirkt in bekannter Weise einmal nur eine Erstarrungsschrumpfung und andererseits eine zunehmende Viskosität teilerstarrter Schmelzen, wodurch die Absenkgeschwindigkeit beim Giessen in vorteilhafter Weise märklich erhöht werden kann. Ausserdem ist besonders darauf hinzuweisen, dass durch die Verminderung des Wärmeinhaltes vor dem Ausfliessen der Schmelze aus der

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Düse 4 eine Verbesserung des Warmrissverhaltens am erkalteten Gusstück erzielt wird.

Die Zeichnung zeigt lediglich zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäss ausgebildeten Giessvorrichtung. Im Sinne des Erfindungsgedankens sind jedoch beispielsweise auch mehrere Ausführungsformen der Düse, des Rührwerkzeuges und des Wärmeaustauschers möglich/ ohne dass hierbei vom Erfindungsgedanken abgewichen wird.

Aus dem erfindungsgemässen Verfahren sowie aus der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens resultieren mehrere Vorteile im Vergleich zu den bisher bekannten Verfahren und Vorrichtungen bezüglich des Giessens, der bis zu 100 % gesteigerten Absenkgeschwindigkeit und den Eigenschaften des hergestellten Gusstückes.

Die erniedrigte Erstarrungsschrumpfung hat die Verbesserung einzelner giesstechnischer Eigenschaften zur Folge, aus denen unter anderem ein günstigeres Speisungsverhalten sowie eine Verminderung der Warmrissneigung resultiert. Dieses kann sich neben den speziellen Stranggussproblemen auch beim Formguss vorteilhaft auswirken. Beim Strangguss sind bei-

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spielsweise Verbesserungen bezüglich Kornseigerung, Blockseigerung, Gefügehomogenität, etc. zu erwarten. Die Entstehung von Schwebekristallen könnte beispielsweise dadurch umgangen werden, dass ihr Auftreten so sehr vervielfacht wird - durch Giessen im teilerstarrten Zustand - dass wiederum ein homogenes Gefüge über dem gesamten Querschnitt entsteht. Zudem ergibt sich durch die vorerstarrten Teilchen je nach ihrer Feinheit und Anzahl eine entsprechende Kornfeinung der Gussprodukte, ohne dass eine spezielle Schmelzbehandlung oder das Vorliegen besonderer Legierungselemente erforderlich ist.

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Claims

Ansprüche

1. Verfahren zum kontinuierlichen Gießen einer Metallschmelze

in Gießformen, insbesondere von Schmelzen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen zur Herstellung von Strangguß oder Bandguß, dadurch gekennzeichnet , daß zunächst der durch eine Düse (4) strömenden Schmelze im Bereich eines in derselben Düse betätigten Rührwerkzeuges (12) ein Teil des Wärmeinhaltes entzogen und anschließend die so behandelte Schmelze (20) in eine Form (6) weitergeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußmenge der Schmelze durch die Düse (4) mit Hilfe eines in Längsrichtung zur Düse verstellbaren Rührwerkzeuges (12) geregelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Schmelze selbsttätig derart gesteuert und geregelt wird, daß sich die aus der Düse (4) austretende Schmelze (20) im teilerstarrt^en Zustand befindet.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit - in Strömungsrichtung der Schmelze gesehen - einem mit feuerfestem Material ausgekleideten Behälter, einer am Boden des Behälters befestigten Düse, so-

. wie einem Wärmeaustauscher und einem Rührwerkzeug, dadurch

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ORIGINAL INSPECTED

gekennzeichnet , daß auf einer Ebene im Innenraum (13) der Düse (4) .ein Rührwerkzeug (12) einer Rührvorrichtung (8) und an der Außenseite derselben Düse (4) ein Wärmeaustauscher (5) angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der mit feuerfestem Material (2) ausgekleidete Behälter in der Form einer Rinne (1) ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum (13) der Düse (4) sich nach unten konisch verjüngend ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Rührwerkzeug (12) konisch ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Rührwerkzeug (12) in einer derartigen Höhenlage konzentrisch zur Symmetrieachse des Innenraums (13) der Düse (4) angeordnet ist, daß ein ringförmiger Spalt (15) zwischen der Wand (14) der Düse (4) und dem Rührwerkzeug (12) verbleibt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Rührvorrichtung (8) höhenverstell- und feststellbar an der Gießvorrichtung befestigt ist.

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10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4, 5, 8, 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum der Düse und das Rührwerkzeug zylindrisch ausgebildet sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießvorrichtung eine Steuer- und Regeleinrichtung (23, 24, 25 und 26) aufweist, mit welcher die Temperatur in der Düse (4) auf einer vorbestimmten Höhe gehalten wird.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß am· Ausgang einer Stranggußform (6) Spritzdüsen (21) angeordnet sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (4) und das Rührwerkzeug (12) gemeinsam in einer Schräglage angeordnet sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4, 5, 6, 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß am Umfang der Düse (4) im Bereich des Wärmeaustauschers (5) als Rührwerkzeug dienende Induktionsspulen angeordnet sind.