DE2750861B2 - Verfahren zur Herstellung von Gußblöcken und Einrichtung zu dessen Durchführung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Metallurgie,

insbesondere auf Verfahren zur Herstellung von

Gußblöcken und Einrichtungen zu deren Durchführung. Die Erfindung kann besonders effektiv beim Gießen

von Metall in Kokillen, bei kontinuierlichem und diskontinuierlichem Strangguß, beim Elektroschlacke- und Vakuumbogenumschmelzen sowie bei anderen technologischen Prozessen zur Herstellung von Gußstücken verwendet werden.

Die Verbesserung des Metallgefüges von Gußstücken

und der Gußqualität hat eine aktuelle Bedeutung für die Gießerei. Gegenwärtig ist das Problem der Herstellung von Metall mit gleichmäßigem und feinkörnigem Gefüge, insbesondere bei der Produktion von mehrere Tonnen schweren Gußstücken noch nicht vollständig gelöst

Bekannt sind Verfahren zur äußeren Einwirkung auf erstarrende Schmelzen von Metallen und Legierungen mit Hilfe von elastischen Schwingungen, die durch Ultraschall, magnetisches Feld und niederfrequente Vibration erzeugt werden, sowie Einrichtungen zur Durchführung derselben.

Die größte Verbreitung davon hat das Verfahren der Einwirkung mittels Ultraschall auf die erstarrende Schmelze gefunden.

so Die Einrichtung zur Behandlung des flüssigen Metalls mit Hilfe von Ultraschallschwingungen enthält einen Ultraschallgenerator mit einem magnetostruktiven oder piezoelektrischen Wandler, einen Ultraschallstrahler sowie ein System zur Resonanzabstimmung der Eigenschwingungsfrequenz des zu behandelnden flüssigen Metalls und der erzwungenen Schwingungen des Ultraschallstrahlers.

Das flüssige Metall wird in eine Gießform, d. h. eine Kokille, gegossen und in die Metallschmelze durch eine

öffnung im Kokillenboden bzw. von oben durch eine öffnung in der Kokillenwärmhaube der Ultraschallstrahler eingeführt.

Beim Gießen des flüssigen Metalls in die Kokille wird der Ultraschallgenerator eingeschattet, und dem flüssi gen Metall werden Ultraschallschwingungen zugeführt, unter deren Einwirkung wachsende Dendrite zerstört werden und ein feinkörniges Metallgefüge des Gußstücks ausgebildet wird. Da das Schmelzenvolumen

beim Gießen und infolge dessen die Eigenfrequenz der behandelten Schmelze einer ständigen Änderung unterworfen ist, hält das Resonanzabstiminungssystem die erzwungene und die Eigenfrequenz des Ultraschallstrahlers und der Schmelze automatisch gleich. Ein wesentlicher Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß die bekannten Ultraschallausrüstungen zur Durchführung dieses Verfahrens eine geringe Leistung haben und größere Metallmassen nicht gleichzeitig behandeln lassen. Außeidem gestattet is die niedrige Haltbarkeit des Materials des Ultraschallstrahlers nicht, den Ultraschall zur Einwirkung auf Hochtemperaturlegierungen z. B. »Stahl« zu verwenden. Die hierbei notwendige Schaffung eines Resonanzsystems »Arbeitswerkzeug — zu behandelndes Metall« bei nichtkonstantem zu behandelndem Volumen und gleichermaßen nichtkonstanter Schmeizenmasse bereitet ebenfalls gewisse Schwierigkeiten.

Bekannt ist ferner ein Verfahren zur Herstellung von Gußblöcken und eine Einrichtung zur Durchführung desselben mit Hilfe niederfrequenter Vibrationen.

Die Einrichtung zur Behandlung flüssigen Metalls mit Hilfe von Vibration enthält eine Gießform, ^.ie an einem Vibrator angeordnet ist Als Vibrator werden elektromagnetische Systeme, Kurven- und Exzentergetriebe, Hydraulik- und Druckluftzylinder verwendet. Am häufigsten werden mechanische Vibratoren verwendet, die einen Elektromotor enthalten, der mit einem Getriebe und einer Welle verbunden ist, die in Lagerp gelagert und mit einem nicht ausbalancierten Schwungrad bzw. Exzenter versehen ist. Die Welle ist mittels einer Kupplung mit dem Getriebe verbunden. Die Gießform wird am Vibrator angeordnet und mit flüssigem Metall gefüllt. Der Elektromotor wird eingeschaltet, und die Gießform erhält Schwingungen in der vertikalen Ebene nach vorgegebenem Schwingungsgesetz mit erforderlicher Amplitude und Frequenz.

Jedoch können die hierbei entstehenden elastischen Schwingungen die wachsenden Metallkristalle nicht zerstören, weil die Wellenlänge der erzwungenen Schwingungen des Vibrators einige Dutzend Meter beträgt, während die Eigenfrequenz eines wachsenden Kristalls im Metall im Bereich von einigen kHz liegt, so daß keine Resonanz zu erzielen ist.

Die bekannten Einrichtungen zur Einwirkung auf flüssige Metalle mit Hilfe von elastischen Schwingungen können die Schwingungsfrequenz sowie Schwingungsamplitude diskret (niederfrequente Vibration) oder stetig, allerdings nur in einem sehr schmalen Frequenzbereich (Ultraschallgeneratoren) ändern, was ein erheblicher Nachteil isL Daher konnten die vorstehend beschriebenen Verfahren zur Herstellung von Gußblökken mit feinkörnigem gleichmäßigem Gefüge keine breite industrielle Anwendung, insbesondere bei der Produktion von mehrere Tonnen schweren Gußblöcken finden.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Beseitigung der vorstehend erwähnten Nachteile.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von Gußblöcken und eine Einrichtung zu dessen Durchführung zu schaffen, die die auf die Schmelze einwirkenden elastischen Schwingungen in einem breiten Frequenzbereich mit hoher Intensität erzeugen und den Transkri- es stallisationsproieB <m Metall unterbinden lassen.

Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist dabei die Ausbildung eines feinkörnigen Metallgefüges in der zentralen Zone des Gußblocks, d.h. die Störung des Transkristallisationsprozesses im Metall. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Beschleunigung des Kristallisationsprozesses im Metall zur Erhöhung der Arbeitsleistung der Ausrüstung.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einem Verfahren zur Herstellung von Gußblöcken bei dem man auf die erstarrende Metallschmelze mit elastischen Schwingungen einwirkt, erfindungsgemäß die in die Schmelze eingeführten elastischen Schwingungen in Form von Impulsen bestehen, die bei einer Hochspannungsfunkenentladung in Flüssigkeit während eines Zeitraumes bis zum Beginn der Volumenkristallisation der Schmelze erzeugt werden, wobei die Impulsfolgefrequenz und die Impulsenergie so hoch sind, daß sie den Transkristallisationsprozeß im Metall unterbinden.

Dieses Verfahren gewährleistet eine kraftvolle Einwirkung mittels elastischer Schwingungen auf große Metallmassen (bis Hunderten von Tonnen).

Das Verfahren ermöglicht es, den Kristallisationsprozeß in einem breiten Bereich ν .-.λ technischen und

cFicrgcuSCucn 1 aPatTiCtCrn ZU StCUCFi..

Die Erfindung erlaubt es, Metall mit gleichmäßigem und feinkörnigem Gefüge zu erhalten, die Steifheit der zentralen Zone des Gußblocks zu erhöhen und die Ausbeute an Metall zu steigern, die Formierungsgeschwindigkeit des Gußblocks und folglich die Arbeitsleistung der Ausrüstung zu erhöhen.

Außerdem gewährleistet das vorgeschlagene Verfahren eine Erhöhung der Plastizität des gegossenen Metalls, was den Deformationsgrad bei der nachfolgenden Druckumformung des Metalls erhöhen läßt.

Zweckmäßigerweise liegt die Impulsfolgefrequenz bei der Funkenentladung in einem Bereich von 0,3 bis 5,0 Hz mit einer spezifischen Impulsenergie von 0,5 bis 1,5 kj je Tonne flüssigen Metalls und besitzt eine Einwirkungsdauer, die '/j der vollständigen Kristallisationsdauer des Metalls im Gußblock entspricht.

Dies optimiert den Herstellungsprozeß d :s Gußblocks und läßt den Gesamtaufwand an Energie zur Erzielung des vorgesehenen technologischen Effektes v.-.rringern.

Die Funkenentladung wird zweckmäßig in einer Flüssigkeit mit einem spezifischen Widerstand von über 0,50 Ohm/m durchgeführt. Hierbei wird ein hoher Wirkungsgrad der Hochspannungsentladung gewährleistet.

Bei Benutzung einer Flüssigkeit mit einem geringeren spezifischen Widerstand läßt sich keine konzentrierte Energieentwicklung in der Entladungskammer erreichen.

In der Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die eine Gießform und eine Quelle von elastischen Schwingungen enthält, die in die Metallschmelze eingeführt werden, ist erfindungsgemäß die Quelle der elastischen Schwingungen in Gestalt mindestens einer Entladungskammer, die mit einer Flüssigkeit mit einem spezifischen Widerstand von über 0,5 Ohm/m gefüllt und mit Elektroden versehen ist, sowie eines Generato;s von Impulsströrr.en ausgeführt, der mit den Elektroden zur Formierung von Impulsen durch eine Hochspannungsfunkenentladung in der Flüssigkeit verbünden ist, wobei die Entladungskammer bezüglich der Gießform auf solche Weise angeordnet ist, das die in ihr entstehenden Entladungen elastische Schwingungen in der Schmelze erzeugen, die sich in der Gießform befindet. In der Einrichtung werden Bedingungen zur maximalen Konzentration der eingeführten Energie je

VoliJinencinheit der Schmelze geschaffen.

Die Erfindung gestaltet es, auf große Massen flüssiger Schmelze eines beliebigen Metalls gleichzeitig durch niederfrequente Vibration, Ultraschall und Stoßwellen einzuwirken. Die Generatoren der elastischen Schwingungen sind einfach im Aufbau, fertigungsgerecht und lassen sich in den technologischen Prozeß mit der bestehenden Ausrüstung mühelos eingliedern. Hierbei entfällt die sonst notwendige Schaffung eines Resonanzsystems »Arbeitswerkzeug — zu behandelndes Metall«.

Die Impulsfolgefrequenz und die Impulsenergie lassen sich leicht regeln und variieren in einem breiten Bereich.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante kann eine Quelle von elastischen Schwingungen vorgesehen sein, die in Gestalt von zwei Entladungskammern ausgeführt ist, die eine gegenüber der anderen unmittelbar an den Seitenflächen der Gießform angeordnet sind. Dies erlaubt es. den Eflekt der Druckerhöhung in der Schmelze an der front der zusammenlaufenden Wellen auszunutzen.

Die Elektroden in der Entladtingskammer können unter einem Winkel von 35 bis 75~ zur Längsachse der Gießform angebracht sein. Diese Anbringung der Elektroden erlaubt es, die Schmelze als akustischen Wellenleiter von elastischen Schwingungen zu benutzen, die auf die gesamte Kristallisationsfront des Metalls im Gußblock einwirken.

Eine weitere Rrfindungsvarianle besteht darin, daß die Elektroden der Entladungskammer mit einem Spalt bezüglich des Gußblocks auf solche Weise angeordnet sind, daß der Schnittpunkt ihrer Längsachsen in der Zone der festen — flüssigen Phasengrenze des Gußblocks liegt.

Dies erhöht die Lebensdauer der Elektroden und gewährleistet die Einwirkung der elastischen Schwingungen unmittelbar auf die Kristallisationsfront.

Die Elektroden in den Entladungskammern können in einer Ebene angeordnet sein, die zur Längsachse der Gießform senkrecht ist, wobei an den Anordnungsstellen der Entladungskammern die Gießform an der Außenseite mit Angüssen versehen ist. von denen jeder als Wand der Entladungskammer und Elektrode negativer Polarität dient.

Diese Anordnung der Elektroden gestattet es, die der Entladung zugeführte Energie am rationellsten auszunutzen und die Zuverlässigkeit des Elektrodensystems zu erhöhen.

Zum Eingießen des Metalls in die Gießform kann im Innenraum der Entladungskammer ein Trichter angeordnet sein. Dies erlaubt es. Metall nach verschiedenen Verfahren der Gußherstellung zu vergießen.

Bei Benutzung des Trichters sind zweckmäßigerweise die Wände der Entladungskammer, die zur Längsachse der Gießform senkrecht sind, aus einem elastischen Material ausgeführt.

Hierdurch wird die Übertragung der Vorderfront der Impulse von elastischen Schwingungen ohne Verzerrungen gewährleistet Zweckmäßig ist die Entladungskammer bezüglich der Gießform auf solche Weise angeordnet, daß sie teilweise in die Metallschmelze getaucht ist, die sich in der Gießform befindet

Diese Anordnung der Entladungskammer gewährleistet eine Erhöhung des Energieübertragungsfaktors in die Schmelze- Bei dieser Konstruktion läßt sich eine Überhitzung des Metalls in der Gießform schnell beseitigen, was zur Erhöhung der Formierungsgeschwindigkeit des Gußstücks führt und die Ausbildung eines feinkörnigen Gußblockgefüges erleichtert.

Außerdem gestattet es diese Lage der Enlladungs-

kammer, die Tiefe der flüssigen Phase im Gußblock zu verringern, was die Kapitalaufwendungen für den Bau von Anlagen zum Stranggießen von Halbzeugen vermindert.

Weitere vorteilhafte Besonderheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung von Ausführungsbeispielen

in mit Bezug auf die Zeichnungen; in den Zeichnungen zeigt

[ig I Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung im Längsschnitt; Cig. 2 Ausführungsvariante der Einrichtung im

fs Längsschnitt;

E i g. 3 Anordnungsvariante der Elektroden in der Entladungskammer der Einrichtung im Längsschnitt;

I" i g. 4 Ausführungsvariante der Einriehuiiis' im Längsschnitt;

E i g. 5 Entladungskammer mit einem Trichter zum Eingießen des Metalls in die Gießform im Längsschnitt; Fig. 6 Anordnungsvariante der Entladungskammer bezuglich der Gießform im Längsschnitt; l^rig. 7 Anordnungsvariante der Entladungskammer

2t bezüglich der Gießform im Längsschnitt;

pig. 8 Variante der Einrichtung mit mehreren Kokillen in Seitenansicht.

Dit einrichtung 1 (Fig. 1) enthält eine Gießform — eine Kokille 2, die an einer Entladungskammer 3

ίο angeordnet ist, und einen Generator 4 von Impulsströmen. Die Kokilie 2 weist in ihrem Bodenteil eine Öffnung 5 zur zwangsweisen Entfernung eines Gußblocks 6 auf, die von einem Stopfen verdeckt ist. Oben ist an der Kokille 2 mittels Klammern 7 eine Kokillenwärmhaube 8 befestigt. Die Innenfläche der Haube 8 ist mit einem feuerfesten Futter 9 versehen. Die Kristallisationstemperatur einer Schmelze 10. die in die Kokille 2 eingegossen ist. wird mit Hilfe von Thermoelementen 11 kontrolliert. Auf die Oberfläche der Schmelze 10 wird eine feuerfeste Masse 12 geschüttet, die beispielsweise ein Gemisch von Perlit-Graphitpulver darstellt.

Die Entladungskammer 3 weist eine zylindrische Form auf und ist im oberen Teil mit einer Membran 13 versehen. An der Membran 13 ist eine Zwischenlage 14 vorhanden, die aus einem Metall mit niedriger Schmelztemperatur, beispielsweise Blei, ausgeführt ist. Die Zwischenlage 14 dient als akustischer Wellenleiter für die Stoßwellen aus der Entladungskammer 3 in den Körper der Kokille 2 und in die Schmelze 10. Die Entladungskammer 3 ist aus Stahl gefertigt. Zwischen der Kammer 3 und der Membran 13 ist eine abdichtende Zwischenlage 15 angebracht, die beispielsweise aus geglühtem Kupferblech ausgeführt ist und zur Abdich tung der Entladungskammer 3 dient Die Entladungs kammer 3 ist mit Stutzen 16 zum Durchpumpen einer Kühlflüssigkeit 17 mit einem spezifischen Widerstand von über 0,50 Ohm/m durch dieselbe, beispielsweise Wasser, versehen. Die Stutzen 16 sind im Boden und oberen Teil der Entladungskammer '3 angeordnet derart, daß während des Betriebes ständiges Füllen der Entladungskammer 3 mit Kühlwasser gesichert ist Die Temperatur der Flüssigkeit 17 in der Entladungskammer 3 soll die Siedetemperatur derselben nicht übersteigea

In der Kammer 3 sind Elektroden 18, 19 jeweils positiver bzw. negativer Polarität angeordnet Hierbei sind die Elektroden 18 teilweise in den Innenraum der

Kammer 3 durch deren Seitenwand 20 eingeführt, während die Elektrode 19 in Gestalt eines massiven Stabes ausgeführt ist, der mit der Membran 13 starr verbunden und im Innenraum der Kammer 3 längs der zentralen vertikalen Achse derselben angeordnet ist

jede Elektrode 18, 19, ist mit dem Generator 4 über einen Entladekrcis verbunden, der eine Batterie vjn Kondensatoren 21 sowie eine Kommutiereinrichtung in Gestalt einer Entladestrecke 22 enthält.

Die Längsachsen der Elektroden 18 sind auf die Oberfläche der Elektrode 19 gerichtet.

Die Entladiingskammer 3 ist außenseits mit einer Schallisolierungsschicht 23 bedeckt, die beispielsweise aus Porolen ausgeführt ist.

Die Entladungskammer3 ist ferner mit Anschlägen 24 versehen, die an ihrem Deckel — der Membran 13 mit Hilfe von Schrauben 25 befestigt sind und zur Zentrierung der Kokille 2 bezüglich der Entladungskammer 3 sowie zur Verhinderung einer Verschiebung der Kokille 2 während der Arbeit der Entladungskammer 3 dienen. Zur Luftentfernung aus der Kammer 3 während der Arbeit steht der Innenraum der Entladungskammer 3 über einen Stutzen 26, der an der Membran 13 befestigt ist, mit der Atmosphäre in Verbindung. Auf zweckmäßige Weise gewährleisten die Parameter des Generators 4 für Impulsströme eine Impulsenergie von 0,5 bis 1,5 kj je Tonne flüssigen Metalls und eine Impulsfolgefrequenz von 03 bis 5 Hz bei ununterbrochener Arbeit desselben unter Gießereibedingungen während einer Zeitspanne, die 'Λ der jo vollständigen Kristallisationszeit des Metalls im Gußblock beträgt.

In den erwähnten Grenzen der Arbeitsparameter der Einrichtung werden optimale Arbeitsbedingungen beim Gießen von Metallen verschiedener Marken erreicht.

Vor dem Beginn des Metalleingießens wird zuerst die Innenfläche der Kokille 2 gereinigt. Dann wird die Kokille 2 bis auf eine Temperatur von 400 bis 480⁰C erwärmt und eine Schmierschicht aufgetragen, die die Innenfläche der Kokille vor Oxidation bei der Berührung mit dem flüssigen Metall bewahrt Die Kokillenwärmhaube 8 wird gleichfalls zuerst bis auf eine Temperatur von 400 bis 480⁰C erwärmt und dann auf die Kokille 2 aufgesetzt, wonach deren Lage mittels der Klammern 7 fixiert wird. Die zusammengebaute und auf diese Weise vorbereitete Kokille 2 wird an der Entladungskammer 3 zentriert bezüglich der Membran 13 mit Hilfe von den Anschlägen 24 angeotdnet

An die Kammer 3 wird ein System (in Figur nicht abgebildet) zur Zuführung der Kühlflüssigkeit 17 angeschlossen, die durch die Stutzen 16 umläuft

Die Einrichtung arbeitet in folgender Weise, Mit dem Beginn des Eingießens des flüssigen Metalls in die Kokille 2 werden vom Generator 4 für Impulsströme den Elektroden 18,19 positiver und negativer Polarität Hochspannungsimpulse in der Größenordnung von 50 kW mit einer Entladungsfolgefrequenz von 03 bis 5 Hz und einer spezifischen Impulsenergie von 0,5 bis 13 kj je Tonne der Schmelze 10 zugeführt In der Arbeitsflüssigkeit 17 der Entladungskammer 3 findet zwischen den Elektroden 18,19 eine Funkenentladung statt Die hierbei entstehenden Stoßwellen und Kavitation, Impulsströme und akustische Schwingungen der Flüssigkeit erzeugen in die Schmelze 10 eintretende elastischen Schwingungen hoher intensität, äss durch den Körper der Elektrode 19 negativer Polarität, die Membran 13, die Zwischenlage 14, die Kokille 2, den Körper des Gußblocks 6 in die erstarrende Schmelze 10 übertragen werden.

Die Stoßwellen entstehen infolge einer direkten Druckeinwirkung des Plasmas im Entladungskanal, wobei der Druck des auf die Oberfläche der Elektrode 19 negativer Polarität gelangten Plasmas mehrere zehntausend Atmosphären beträgt, sowie beim Durchschlag des Elektrodenzwischenraumes durch den Plasmakanal, der sich in der Arbeitsflüssigkeit 17 ausdehnt. Hierbei wird, wenn die Stoßwelle aus dem Entladungskanal ihre Energie zur Erzeugung der Störwelle im Wellenleitersystem Elektrode — Schmelze verbraucht, die Energie der Stoßwellen, die in der Flüssigkeit 17 entstehen, in der Regel zur Erzeugung von Kavitation verbraucht. Die vorhandene freie Oberfläche im geschlossenen Flüssigkeitsvolumen begünstigt aber die Verstärkung der Kavitationsvorgänge in der Entladungskammer 3 und die Resonanzerzeugung im System Entladungskammer 3 — Kokille 2. Während der Arbeit werden die bei der tntladung entstehenden Wasserdämpfe aus der Kammer 3 durch den Stutzen 26 ständig abgeführt. Das Plasma aus dem Entladungskanal, die Stoßwellen und die Kavitation erzeugen einen breiten Bereich von elastischen Ultraschallfrequerizschwingungen, unter deren Einwirkung die in der Schmelze wachsenden Metallkristalle in kleinere zerstört werden. Der in der Arbeitsflüssigkeit 17 entstehende hohe Druck bewirkt eine Pulsation in derselben, begünstigt die Entstehung von niederfrequenten elastischen Schwingungen mit hohen Beschleunigungen, unter deren Einwirkung die Front der wachsenden Metallkristalle an der Grenze der festen und der flüssigen Phase im Gußblock zerstört wird und die Bruchstücke der Kristalle in den Bodenteil des Gußblocks 6 absinken. Bei ihrem Abschmelzen tragen die Kristallbruchstücke zur Senkung der Temperatur der Schmelze 10 bei und dienen als Kristallisationsheime zum Wachstum neuer Kristalle, was zur Formierung eines feinkörnigen Gefüges des gegossenen Metalls dank der Volumenkristallisation der Schmelze 10 beiträgt. Die elastischen Schwingungen des siel formierenden Gußblocks tragen zur Vergrößerung der Kontaktdauer der Oberfläche des Gußblocks 6 mit der Oberfläche der Gießform 2 bei, was die Wärmeabführung vom Gußblock 6 erhöht, während die Schwingungen bei Kokille 2 ihre Abkühlungsbedingungen durch die Umgebungsluft verbessern, was im Endergebnis zur Verringerung der Formierungszeit des Gußblocks um 30 bis 45% und mehr führt. Hierbei werden die Bedingungen für die Gasentwicklung verbessert, die Ausbreitungstiefe der Lunkerstellen vermindert, was die .Ausbeute erhöht. Der Gußblock muß während eines Zeitraumes vom Beginn des Eingießens des flüssigen Metalls in die Kokille 2 bis zum Beginn des Prozesses der Volumenkristallisation bearbeitet werden, wobei die Energie zur Störung des Transkristallisationsprozesses ausreichen soll. Nach der erforderlichen Behandlungszeit der Schmelze 10 wird der Generator 4 für Impulsströme abgeschaltet, und die Kokille 2 mit dem Gußblock 6 wird von der Entladungskammer 3 zum weiteren Abkühlen derselben abgenommen.

Nach der Beendigung des Formierungsprozesses des Gußblocks wird die Kokillenwärmhaube 8 abgenommen, und der Gußblock 6 wird aus der Kokille 2 für die weitere Verwendung desselben entfernt

in Fig.2 ist eine Ausführungsvariante der Einrichtung dargestellt m der die Quelle der elastischen Schwingungen mit zwei Entladungskammern 3 versehen ist, die einander gegenüberliegend an den

Seitenwänden 27, 28 der Gießform — einer Kühlkokille 29 angeordnet sind.

Die Kammern 3 sind im oberen Teil der Kühlkokille 29 in der Zone des Kristallisationsbeginns der Schmelze 10 angeordnet. In den Wänden 27,28 der Kühlkokille 29 sind Kanäle 30 zum Umlauf einer Kühlflüssigkeit 31, beispielsweise Wasser, ausgeführt. Jede Kammer 3 besitzt ihren eigenen Entladekreis für die Elektroden 18, 19, der mit dem gemeinsamen Generator 4 für die Impulsströme verbunden ist, wobei als Elektrode negativer Polarität die Wand 27 der Kühlkokille 29 dient.

Die Innenräume der Entladungskammern 3 der Kühlkokille sind nicht mit den Kanälen 30 der Kiihlkokille 29 verbunden, damit die Abkühlungsbedingungen des Gußblocks 6 nicht gestört werden. Jedoch kann die Kühlflüssigkeit 31, die in die Kanäle 30 fließt, auch als Arbeitsflüssigkeit 17 der Entladungskammer 3 benutzt werden In den Enlladungskammern 3 sind Elektroden 18 in linearer Anordnung angebracht, d. h. die Funkenentladung erfolgt zwischen der Spitze der Elektrode 18 positiver Polarität und der Wand 17 der Kühlkokille 29.

Die Anwendung zweier Entladungskammern 3, die einander gegenüberliegend an den Seitenflächen der Kühlkokille 29 angeordnet sind, ermöglicht die Ausnutzung des Kollisionseffektes von gegenläufigen Stoßwellen. Die hierbei entstehende dritte Welle besitzt höhere Parameter als die Primärwellen, was den Ausnutzungsgrad der Energie erhöht, die in die Schmelze 10 (F i g. 2) eingeführt wird. Derselbe Effekt wird durch Anwendung von Elektroden erreicht, die unter einem bestimmten Winkel zum Gußblock 6 in der Abkühlungszone desselben angebracht sind.

In Fig. 3 ist ein Beispiel der Anordnung der Elektroden unter einem Winkel zur Längsachse der Kühlkokille 29 dargestellt, die mit der zum Gußblock 6 erstarrenden Schmelze 10 gefüllt ist. Unter der Kühlkokille 29 ist die Entladungskammer 3 mit den Elektroden 18, 19 angeordnet, die an den Generator 4 der Impulsströme angeschlossen sind.

Das eine Richtwirkung aufweisende Elektrodensystem dieser Einrichtung unterscheidet sich vom linearen Elektrodensystem, das in F i g. 2 dargestellt ist, dadurch, daß die Elektrode 19 negativer Polarität koaxial zur Elektrode positiver Polarität ausgeführt ist und ein robustes zylinderförmiges Gehäuse darstellt, das von der Elektrode 18 isoliert ist, die längs der Längsachse desselben liegt.

Die Elektroden 18,19 sind in der Entladungskammer 3 unter einem Winkel λ = 20 bis 75° bezüglich der Längsachse des Gußblocks 6 angeordnet. Der Neigungswinkel λ der Elektroden ist von den geometrischen Abmessungen, der Form des zu gießenden Gußblocks 6 und der chemischen Zusammensetzung desselben abhängig.

Zwischen den Elektroden 18, 19 findet unter der Einwirkung der ponderomotorischen Kraft eine Beschleunigung des Plasmas aus dem Entladungskanal sowie die Bildung flacher Kompressionswellen statt, die in der Zone der Grenze zwischen der festen und flüssigen Phase des Gußblocks 6 kollidieren und die Front der wachsenden Metallkristalle zerstören.

Die Elektroden 18,19 sind in der Entladungskammer 3 mit einem Spalt zum Körper des Gußblooks 6 angeordnet, wobei der Schnittpunkt A ihrer Längsachsen in der Zone der Grenze zwischen der fasten und flüssigen Phase des Gußblocks 6 liegt Die elastischen Schwingungen, die durch den Körper des Gußblocks 6 in die erstar: ?nde Schmelze 10 eingeführt werden, zerstören die Front der wachsenden Metallkristalle. Hierbei wird, da die elastischen Schwingungen in die Kristallisationszone des Gußblocks lokal eingeführt werden, der Wirkungsgrad derselben beträchtlich erhöht.

In Fig.4 ist eine Konstruktionsvariante der Einrichtung 1 dargestellt, in der die zwei Entladungskammern 3

ίο in einer horizontalen Ebene angeordnet sind, die zur Längsachse der Kokille 2 senkrecht ist. An den Befestigungsstellen der Entladungskammern ist die Kokille 2 außenseits mit Angüssen 32 versehen. Die Innenfläche der Entladungskammer 3 besitzt eine parabolische Form. Längs der Längsachse ist in die Kammer 3 die Elektrode 18 positiver Polarität eingebaut.

Die Kammer 3 ist am Anguß 32 mit Hilfe von Befestigungselementen 33 befestigt. Der Anguß 32 dient gleichzeitig auch als Elektrode negativer Polarität. Als Angüsse können bei massiven Kokillen Montagezapfen benutzt werden, die an der Außenfläche der Kokille 2 vorhanden sind. Die Anwendung der Angüsse 32 an der Seitenfläche der Kokille 2 ermöglicht ihre Benutzung als Elemente der Entladungskammer, d. h., als eine ihrer Wänden, und als Elektrode negativer Polarität. Die Angüsse 32 werden ferner als Konstruktionselement zur Befestigung der Entladungskammer an der Kokille benutzt Die vorhandenen Angüsse tragen zur Verringerung von Temperaturspannungen bei, die bei der Abkühlung des nach dem Metalleingießen erwärmten Kokillenkörpers entstehen, und dienen ferner als Wellenleiter für die elastischen Schwingungen, die in der Entladungskammer 3 entstehen.

Hierbei breiten sich die entstehenden Stoßwellen in die Schmelze unter minimalen Energieverlusten aus, wobei die Front der wachsenden Kristalle an der Innenfläche der Kokille und an den Seitenwänden des sich formierenden Gußblocks zerstört wird.

In Fig.5 ist die Entladungskammer 3 mit einem in deren Innenraum angeordneten Trichter 34 zum Eingießen des Metalls in die Kokille 2 dargestellt, wobei die Längsachsen des Trichters 34 und der Entladungskammer 3 zusammenfallen. Dieses Schema kann auch beim Gießen des Metalls in die Kühlkokille, Erd- und Sandformen sowie in anderen Fallen verwendet werden. Die Entladungskammer 3 ist mit Hilfe von Anschlägen 35 an einer Gießpfanne 36 aufgehängt. Die Gießpfanne 36 besitzt ein feuerfestes Futter 37. Im unteren Teil der Gießpfanne 36 ist ein Stopfenausguß 38 angeordnet der von einem Stopfen 39 geschlossen ist.

Der Trichter 34 ist im unteren Teil mit einem Stopfenausguß 40 versehen, der konstruktiv dem Stopfenausguß 38 ähnlich ist

Die Elektroden 18 positiver Polarität, die mit dem Generator 4 der Impulsströme verbunden sind, sind auf die Außenfläche der Seitenwand des Trichters 34 gerichtet die gleichzeitig die Elektrode negativer Polarität darstellt Die Wände 41, 42 der Entladungskammer 3, die zur Längsachse der Kokille 2 senkrecht sind, sind in Gestalt von stählernen Membranen ausgeführt und lassen dem Trichter 34 bei der Erzeugung von elastischen Schwingungen in der Kammer 3 Schwingungen in vertikaler Ebene ausführen, was zur Entfernung von Gasen aus dem flüssigen Metal! beiträgt

Eine eigenartige Besonderheit bei der Verwendung der Entladungskammer 3 mit dem Gieß? rieht er 34

bes'eht darin, daß das an der Innenfläche des Trichters 34 erstarrende Metall unter der Einwirkung der Entladungsenergie ständig zerstört wird und die Kristallbrüchstücke vom SchmeSzenstrom in die Kokille 2 fortgetragen werden. Hierbei wird die Überhitzung des Metalls beseitigt, und die Kristallbruchstücke werden zu Kristallisationskeimen. Zur Vermeidung des Einfrierens des flüssigen Metalls im Trichter 34 muß die Wärmeabführung aus der Schmelze 10 genau bestimmt sein, weil die Wärmeabführung nur zur Beseitigung der |₀ Metallerhitzung ausreichend sein soll.

In F i g. 6 ist eine Variante der Einrichtung dargestellt, in der die Entladungskammer 3 in der Gießform auf solche Weise angeordnet ist, daß sie in die Metallschmelze 10 teilweise getaucht ist, wobei sie mit einer \-j Vorrichtung (nicht abgebildet) zur Verschiebung derselben bezüglich der Gießform versehen ist. Die Elektrode 18 positiver Polarität ist zum Durchlauf der Kühlflüssigkeit 17 in die Kammer 3 hohl ausgeführt und mit einem dtiSwcCnScSbu^cH ringförmigen Endsiüük 4j vci seilen, da sie dem erosiven Verschleiß unterworfen ist. Die Elektrode negativer Polarität ist in Gestalt eines zylinderförmigen Rohres 44 ausgeführt. Die Längsachsen der Elektroden 18, 44 fallen zusammen. Ein ringförmiger Spalt 44' zwischen dem Endstück 43 und der Elektrode 44 stellt die Arbeitsstrecke für die Funkenentladung dar. Während der Arbeit der Einrichtung (Fig.6) bildet sich an der Außenfläche der Kammer 3 eine Metallkruste 45, die unter der Einwirkung der Stoßwellen und der elastischen Schwingungen zerstört wird, während die Kristallbruchstücke 45' zu Kristallisationskeimen werden. Hierbei wird eine beträchtliche Wärmemenge vom flüssigen Metall abgeführt, was zur Verminderung der die flüssige Phase enthaltenden Vertiefung, beispielsweise beim js Stranggießen, führt.

In F i g. 7 ist eine Variante der Einrichtung 1 mit der Entladungskammer 3 dargestellt, die an einen Keimbildner 46 für die Kühlkokille 29 angrenzt. Die Kammer 3 ist mit der Stange 47 einer Vorrichtung zur Entfernung des Gußblocks 6 aus der Kühlkokille 29 (in Fig. nicht abgebildet) verbunden. Diese Konstruktion der Einrichtung 1 wird bei Elektroschlacke-, Vakuumbogen- und Elektronenstrahlumschmelzen, beim diskontinuie, liehen Stranggießen von Gußblöcken und in anderen Prozessen verwendet. Der Keimbildner 46 weist einen Vorsprung 48 auf, der zur Seite der Entladungskammer 3 gerichtet ist und als Elektrode negativer Polarität dient, während die Elektroden 18 positiv τ Polarität in der Kammer 3 angeordnet und auf die Oberfläche des Vorsprungs 48 des Keimbildners -J6 gerichtet sind.

Eine Besonderheit dieser Variante der Einrichtung besteht darin, daß der sich formierende Gußblock 6 als Wellenleiter zum Durchtritt der elastischen Schwingungen aus der Entladungskammer 3 in die flüssige Schmelze 10 verwendet wird, die sich im oberen Teil des Gußblocks 6 befindet. Hierbei erhält der Gußblock 6 Schwingungen in vertikaler Ebene. Die Ausnutzung der vertikalen Schwingungen des sich formierenden Guß blocks 6 führt zur Verringerung der Reibung zwischen der Oberfläche des Gußblocks 6 und der Kühlkokille 29. was die Lebensdauer der Einrichtung erhöht und die zum Herausziehen des Gußbiocks 6 aus der Kuhikokiiic 29 erforderliche Kraft vermindert. Zur Erhöhung der Arbeitsproduktivität beim Gießen von mehreren Gußblöcken wird eine Reihe von Kokillen 2 (Fig. 8) angewandt, die auf einer Plattform 49 aufgestellt sind. die sich über Gleise 50 bewegt. Zwischen den Gleisen 50 ist an der Kolbenstange 51 eines Kraftzylinders 52 die Entladungskammer 3 angebracht. Die Entladungskammer 3 ist mit Elektroden 18 positiver Polarität versehen, die unter einem Winkel zur Vertikalen angeordnet und auf einen Vorsprung 53 des Deckels 54 der Kammer 3 gerichtet sind. Der Vorsprung 53 dient als Elektrode positiver Polarität. Beim Fahren der Plattform 49 zur Bühne für das Metallgießen in die Kokillen 2 wird die Entladungskammer 3 an die Kolbenstange 51 zur Plattform 49 bis zum Anschlag gegen den Boden derselben herausgeschoben. Beim Eingießen des Metalls in die Kokille 2 wird der Generator 4 für Impulsströme eingeschaltet.

Unter der Einwirkung der Impulsentladung entstehen in der Entladungskamrr..:r 3 elastische Schwingungen. die über die Plattform 49 gleichzeitig auf die ganze Schmelze in den Kokillen 2 einwirken.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Gußblöcken, bei dem man auf die erstarrende Metallschmelze mit elastischen Schwingungen einwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Schmelze eingeführten elastischen Schwingungen in Gestalt von Impulsen bestehen, die bei einer Hochspannungsfunkenentladung in einer Flüssigkeit erzeugt und während einer Zeitspanne bis zum Beginn der Volumenkristallisation der Schmelze eingeführt werden, wobei die Voiumenkristallisation der Schmelze eingeführt werden, wobd die Impulsfolgefrequenz und die Impulsenergie so groß sind, daß sie den Transkristallisationsprozeß des Metalls unterbinden.

2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsfolgefrequenz der Funkenentladung im Bereich von 0,3 bis 5,0 Hz mit einer spezifischen Impulsenergie von 0,5 bis 1,5 kj je Tonne flüssigen Metalls liegt und die Einwirkungsdauer ¹Aj der vollständigen Kristallisationszeit des Metalls im Gußblock beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Funkenentladung in einer Flüssigkeit mit einem spezifischen Widerstand von über 0,5 Ohm/m erfolgt.

4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, die eine Gießform und eine Quelle elastischer Schwingungen enthält, die in die Metallschmelze eingeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß d\\. Quelle elastischer Schwingungen in Gestalt mindestens einer En'^lidungskammer(3), die mit einer Flüssigkeit Ί7) mit einem spezifischen Widerstand von über 0,5 Ohr /m gefüllt und mit Elektroden (18, 19) versehen ist, sowie eines Generators (4) für Impulsströme ausgeführt ist, der mit den Elektroden (18, 19) zur Formierung der Impulse durch die Hochspannungsfunkenentladung in der Flüssigkeit (17) verbunden ist, wobei die Entladungskammer (3) bezüglich der Gießform (2) auf solche Weise angeordnet ist, daß die in ihr entstehenden Entladungen elastische Schwingungen in der Schmelze (10) hervorrufen, die sich in der Gießform (2) befindet.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle der elastischen Schwingungen in Gestalt von zwei Entladungskammern (3) ausgeführt ist, die einander gegenüberliegend unmittelbar an den Seitenflächen der Gießform (2) angebracht sind.

6. Einrichtung nach Ansprüchen 4, 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (18, 19) in der Entladungskammer (3) unter einem Winkel von 35 bis 75° zur Längsachse der Gießform (2) angeordnet sind.

7. Einrichtung nach Ansprüchen 4, 5, 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (18, 19) der Entladungskammer (3) mit einem Spalt bezüglich des Gußblocks (6) derart angeordnet sind, daß der Schnittpunkt ihrer Längsachsen in der Grenzenzone der festen und flüssigen Phasen des Gußblocks (6) liegt.

8. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (18, 19) in den Entladungskammern (3) in einer Ebene angeordnet sind, die zur Längsachse der Gießform (2) senkrecht ist, wobei an den Anordnungsstellen der Entladungs-

kammern (3) die Gießform (2) außenseitig mit Angüssen (32) versehen ist, von denen jeder gleichzeitig als Wand der Entladungskammer (3) und Elektrode negativer Polarität dient.

9. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungskammer (3) mit einem Trichter (34) zum Eingießen des Metalls in die Gießform (2) versehen ist, die im Innenraum der Entladungskammer (3) angeordnet ist

10. Einrichtung nach Anspruch 9. dadurch gekennzeichnet, daß die Wände (41, 42) der Entladungskammer (3), die zur Längsachse der Gießform (2) senkrecht sind, aus einem elastischen Material ausgeführt sind.

11. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungskammer (3) bezüglich der Gießform (2) auf solche Weise angeordnet ist. daß sie in die Metallschmelze (10) teilweise getaucht ist, die sich in der Gießform (2) befindet