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Verfahren und Vorrichtung zum Gießen eines Metallgegen-
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stands in einer Kokille Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Gießen eines langgestreckten Metallgegenstands, d.h. eines
Strangs beispielsweise in Form eines Blocks, Barrens oder Knüppels, in einer Kokille,
die wenigstens so lang wie das Gußstück ist. Nach der Erfindung ist eine Steuerung
der Erstarrungsgeschwindigkeit des Gußstücks während des Gießens vorgesehen, um
bessere physikalische und morphologische Eigenschaften des Gußstücks zu erzielen,
insbesondere, aber nicht ausschließlich, beträchtlich verbesserte Oberflächeneigenschaften,
wie die Oberflächenglätte und Verteilung der Einschlüsse in der Schicht unter der
Oberfläche. Ferner wird für eine verbesserte Mikrostruktur im Inneren des Strangs
gesorgt.
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Beim Gießen von Metallgegenständen in Kokillen, deren Länge größer
oder kleiner als der Metallgegenstand selbst ist, d.h. beim kontinuierlichen oder
nichtkontinuierlichen Gießen, hat man bereits Versuche unternommen, die Erstarrungsgeschwindigkeit
des Metalls längs einer Fest-FlUssig-Trennfläche während des Gießens zu steuern,
d.h. innerhalb des Strangs
an der Grenzfläche zwischen der erstarrenden
Strangkruste und dem geschmolzenen Metall. Diese Versuche waren gekennzeichnet durch
die Verwendung von teuren und sperrigen Vorrichtungen, die dem grundsätzlichen Gießgerät
hinzugefügt werden mußten, um das Fließen des geschmolzenen Metalls an der Fest-Flüssig-Trennfläche
einzustellen, und zwar im Anschluß an das Einleiten des geschmolzenen Metalls in
die Kokille und unabhängig davon. Diese Zusatzvorrichtungen stellten Rührwerke für
das geschmolzene Metall oder Induktionsspulen. dar, die die Kokille oder den Strang
umgaben.
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Zu diesem Stand der Technik wird auf die US-PS 3 693 697 verwiesen.
Die Induktionsspulen bewegten magnetische Felder in dem geschmolzenen Metall, um
ein Fließen längs der Trennfläche ingang zu setzen. Auf diese Weise sollten säulenförmige
Denrite entfernt oder ihre Ausbildung verhindert werden. Weiterhin sollte die Verteilung
der chemisch gelösten Stoffe verbessert und die Schichtbildung von Einschlüssen
innerhalb des Hauptabschnitts des Strangs verhindert werden, und zwar unter Vermeidung
von Porosität in der Mitte des Guß stücks.
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Aus der US-PS 3 517 725 ist ein Verfahren zum kontinuierlichen Gießen
von Metall bekannt, bei dem ein Strang aus Stahl oder aus einem anderen Metall mit
Hilfe einer gekühlten Kokille gegossen wird, die einen geschlossenen Boden aufweist
und während des Gießens vom Schmelzenvorrat wegbewegt wird.
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In der mit dem geschlossenen Boden versehenen, gekühlten Kokille wird
eine Strangkruste ausgebildet, durch die geschmolzenes Metall in die sich vom Schmelzenvorrat
wegbewegende Kokille nachfließt. An dem vom Schmelzenvorrat entfernten Ende des
Strangs entsteht in der Kokille die äußere Strangkruste. An dem beim Schmelzenvorrat
befindlichen Strangende kann die Strangkruste wenigstens 40% der Querschnittsfläche
der Kokille einnehmen. Bei diesem bekannten
Verfahren wird infolge
des Spülvorganges längs der Fest-Flüssig-Trennfläche die Erstarrungsmikrostruktur
gegenüber der sich normalerweise einstellenden verändert. Es entsteht eine verbesserte
Mikrostruktur, obwohl die Kokille, die sich relativ zur Strangkruste bewegt, die
Neigung hat, am'Strang Oberflächenunregelmäßigkeiten hervorzurufen, wie es bei allen
kontinuierlichen Gießverfahren der Fall ist.
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Beim Gießen von Metall in einer gekühlten oder nichtgekuhlten Kokille
war es zumindest bei Kokillen, die wenigstens so lang wie der Strang waren, im Gegensatz
zu dem kontinuierlichen Gießverfahren nach der US-PS 3 517 725 üblich, die Metallschmelze
in die Kokille durch deren Boden einzuleiten-und den Metallspiegel innerhalb der
Kokille ansteigen zu lassen.
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Während solcher Gießvorgänge entsteht angrenzend an die Kokille eine
Strangkruste, und das geschmolzene Metall fließt innerhalb der Strangkruste vom
Boden der Kokille nach oben. Dabei nimmt jedoch die Strangkruste innerhalb der Kokille
während des Gießens bzw. während des-Füllens der Kokille eine Querschnittsfläche
ein, die beträchtlich kleiner als 40% der Querschnittsfläche der Kokille ist. Da
weiterhin der volumetrische Durchfluß in der Kokille relativ groß ist, tritt infolge
des relativ großen flüssigen Kerns an der Fest-Flüssig-Trennfläche ein Wasch- oder
Spüleffekt überhaupt nicht oder nur in einem geringen Maße auf. Falls nicht andertueitig
gesteuert, kann die Erstarrungsgeschwindigkeit nicht wirksam kontrolliert werden.
Beim Erstarren kommt es daher zu dem unerwünschten Wachstum von säulenförmigen Dendriten,
deren Folge örtliche Konzentrationen von gelösten Stoffen, Seigerungseinschlüsse
und Mittellinienporosität sind. All dies sind unerwünschte Eigenschaften in der
Mikrostruktur eines Strangs.
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Nach der Erfindung werden zahlreiche dieser vom Stand der Technik
auftretenden Schwierigkeiten überwunden.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, die Wirkung der die Erstarrung steuernden
Vorrichtungen wenigstens zum größten Teil durch Steuerung des Einleitvorganges des
geschmolzenen Metalls in die Kokille zu erreichen und auf diese Weise ohne die kostspieligen
und sperrigen Zusatzvorrichtungen auszukommen.
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Darüberhinaus soll ganz allgemein die Technik zum Gießen langgestreckter
Metallgegenstände verbessert werden, und zwar insbesondere für Metalle, deren Schmelzpunkt
in einem Bereich zwischen etwa 10880C bis 16430C liegt.
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Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gießen eines Metallgegenstands
in einer Kokille, die wenigstens so lang wie der Metallgegenstand ist, sind nach
der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß eine gekühlte Kokille langgestreckter
Form mit einem Bodenteil und einem Kopfteil verwendet wird, daß das geschmolzene
Metall von einem Schmelzenvorrat her über das Bodenteil der Kokille eingeleitet
wird, daß das Einleiten des geschmolzenen Metalls in die Kokille und das Kühlen
der Kokille so vorgenommen werden, daß eine erstarrende Strangkruste ausgebildet
wird, die während des Gießens wenigstens 40% der Querschnittsfläche der Kokille
einnimmt und die einen geschmolzenen Kern umgibt, und daß über diesen geschmolzenen
Kern geschmolzenes Metall vom Schmelzenvorrat zum Kopfteil der Kokille geleitet
wird.
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Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Fig.
1 eine teilweise geschnittene, halbwegs schematische Seitenansicht einer nach der
Erfindung ausgebildeten Vorrichtung während eines Gießvorganges,
Fig.
2 einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung längs der Linie 2-2 der
Fig. 1 und Fig. 3 eine graphische Darstellung, in der die Einfüllgeschwindigkeit
der Metallschmelze in Bezug auf Kokillen mit unterschiedlichen Querschnittsabmessungen
dargestellt ist.
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In der Figur 1 ist ein Schmelzenvorratsbehälter 10 dargestellt, der
zweckmäßigerweise in Form einer Gießpfanne ausgebildet ist und beispielsweise eine
zu vergießende Stahlschmelze enthalten kann. Der Behälter 10 für den Schmelzenvorrat
weist eine Abdeckung 12 auf, die mit Hilfe von Klemmen 14 mit dem eigentlichen Behälter
gasdicht verbunden ist. In der Abdeckung 12 ist eine Gaseinlaßöffnung 16 vorgesehen,
über die ein, den Behälter unter Druck setzendes Gas, beispielsweise Stickstoff,
zugeführt werden kann. Die Abdeckung 12 trägt ein in den Behälter 10 ragendes und
in den Schmelzenvorrat eintauchendes, feuerfestes Rohr 18, dessen Einlaßende nahe
beim Boden des Behälters 10 angeordnet ist. Das Innere des Rohres 18 steht mit einem
Durchlaß 22 in Verbindung, der sich durch einen auf der Abdeckung 12 angebrachten,
feuerbeständigen Block 20 erstreckt. Ein Absperrorgan 23, das in der Zeichnung im
geöffneten Zustand dargestellt ist und beispielsweise in Form eines Schiebers oder
Ventils ausgebildet sein kann, dient zur Herstellung der Verbindung zwischen dem
Durchlaß 22 und einer feuer- und hitzebeständigen Düse 24. Die Düse 24 erstreckt
sich in das untere Ende einer Kokille, die eine langgestreckte Form hat und beispielsweise
eine kreisförmige Querschnittsfläche haben kann. Die Kokille 26 ist gegenüber der
Senkrechten geneigt.
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In der Praxis kann die Neigung beispielsweise 860 betragen.
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Im Prinzip kann die Kokille aber auch senkrecht angeordnet sein. Bei
einer vertikalen Anordnung der Kokille würde jedoch der hydrostatische Druck des
geschmolzenen Metalls Anlaß zu Schwierigkeiten geben, die die senkrechte Ausrichtung
der Kokille unpraktisch machen. So müßte man die Wandung der Kokille verhältnismäßig
dick ausbilden, und es wäre ein relativ hoher Druck erforderlich, um das geschmolzene
Metall nach oben in die senkrecht ausgerichtete Kokille zu drücken. Bei einer senkrecht
ausgerichteten Kokille würde aber andererseits das geschmolzene Metall eine relativ
kleine Meniskusfläche bzw. einen relativ kleinen Spiegel haben. Ein solcher kleiner
Spiegel ist aber erwünscht, was aus den folgenden Darlegungen hervorgeht. Eine waagrecht
angeordnete Kokille könnte nicht betrieben werden, da in diesem Fall der Spiegel
der Metallschmelze von dem einen Kokillenende zum anderen reichen würde. Das obere
Ende der Kokille 26 ist mit einer Kappe 28 versehen, die ein Lüftungsloch aufweist.
Aus dem Lüftungsloch können während des Gießvorganges Gase entweichen. Weiterhin
liefert das LUftungsloch durch den Austritt von Metall eine Anzeige dafür, wann
die Kokille mit Schmelze gefüllt ist. In der Fig. 1 ist die Kokille 26 in einem
Zustand dargestellt, bei dem ein Mittenabschnitt der Kokille weggeschmolzen ist.
Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß zu Beginn eines Gießvorganges die Kokille
von unten bis oben kontinuierlich vorhanden ist.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung handelt es
sich bei der Kokille 26 um eine Opferkokille, die im Anschluß an das Füllen oder
teilweise Füllen der Kokille mit geschmolzenem Metall wegschmilzt. Bevor Jedoch
die Kokille wegschmilzt, erstarrt die Metallschmelze an der gekühlten Wandung der
Kokille. Dies wird noch im einzelnen erläutert. Rund um den Umfang der Kokille 26
ist eine Vielzahl sich in Längsrichtung erstreckender
Rohre 27
angeordnet, die mit einem nichtdargestellten Kühlmittelvorrat in Verbindung stehen.
Das Kühlmittel, bei dem es sich beispielsweise um Wasser handeln kann, wird während
eines Gießvorganges gegen das Äußere der Kokille gespritzt. Zu diesem Zweck sind
an den Rohren 27 Ventile oder Düsen 30 angebracht. Die Düsen 30 können von Thermopaaren
32 gesteuert werden, die in Achsrichtung beabstandet an der Seitenwand der Kokille
angebracht sind. Die Thermopaare 32, die die ansteigende Temperatur in der Kokille
erfassen, sind mit einer nichtdargestellten Spruh- oder Düsensteuereinrichtung verbunden,
die während des gesamten Füllvorganges einer Kokille das Kühlmittel gegen den unteren
Endabschnitt der Kokille spritzt und den Vorschub einer Kühifront längs eines axialen
Abschnitts der Kokille vor und hinter dem Spiegel 33 der Metallschmelze innerhalb
der Kokille während des Füllens vorsieht, wohingegen ein Stück hinter dem fortschreitenden
Spiegel auf einer in der Fig. 1 mit 35 bezeichneten Strecke das Anspritzen der Kokille
mit dem Kühlmittel eingestellt wird, so daß im Bereich der Strecke 35 die Kokille
von der Strangkruste wegschmilzt.
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Die Kokille 26 ist aus einem Metall hergestellt, das sich durch eine
hohe Wärmeleitfähigkeit in einem Bereich von etwa 0,20 cal/cm 0C sec. bis 0,65 cal/cm
0C ' sec. auszeichnet und einen Schmelzpunkt in einem Bereich von etwa 476 bis 7540C
hat. Die Kokille kann eine Wandstärke in einem Bereich von etwa 1,27 mm bis 12,70
mm haben. Die Kokillenlänge kann etwa 7,62 m bis 60,96 m betragen. Eine derartige
Kokille kann man verwenden, um einen Strang aus einem Metall zu gießen, das einen
Schmelzpunkt in einem Bereich von etwa 10880C bis 16430C ha-t und eine maximale
Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,25 cal/cm- 0C sec. aui weist. Die beschriebene Kokille
stellt lediglich die gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform dar. Zur Verwendung
mit
der erläuterten Gießtechnik sind auch andere Arten von Kokillen
geeignet, die vom Boden her gefüllt werden.
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Die Kokille 26 wird von säulenartigen Stützen 34 getragen, die in
Axialrichtung der Kokille beabstandet sind. Im einzelnen wird dazu auf die Darstellung
nach den Fig. 1 und 2 verwiesen. Das Oberteil einer solchen Stütze 74 ist in der
Fig. 2 im einzelnen dargestellt. Die Kokille 26 steht mit der Stützanordnung mehr
oder weniger nur in einem linienförmigen Kontakt, so daß das Kühlmittel im wesentlichen
die gesamte Oberfläche der Kokille bedecken kann.
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Auf diese Weise soll ein vorzeitiges Schmelzen der Kokille verhindert
werden. Auf dem oberen Ende der säulenförmigen Stütze 34 befindet sich ein hohler,
an den Enden offener Metallkasten 36, der aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit
besteht und einen V-förmigen Einschnitt 38 aufweist. Der Einschnitt 38 nimmt die
Kokille 26 in der gezeigten Weise auf.
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Die Stützen 34 tragen ein Sammelbecken 40, das sich unterhalb der
Kokille 26 erstreckt und dazu dient, das gegen die Kokille 26 gespritzte Kühlmittel
aufzufangen. Weiterhin nimmt das Sammelbecken 40 die beim Wegschmelzen der Kokille
26 auftretende Metallschmelze auf. Das Sammelbecken 40 ist mit einer Schutz- oder
Ablenkwand 42 ausgerüstet, die das Kühlmittel und das geschmolzene Metall der Kokille
abfängt.
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Das Sammelbecken 40 kann mit einem geeigneten, nichtdargestellten
Abfluß ausgerüstet sein. Es kann in periodischen Abständen von dem anfallenden Metall
gesäubert werden. Das von der Kokille herabfallende Metall befindet sich in geschmolzenem
Zustand und erstarrt, sobald es in Berührung mit dem im Sammelbecken befindlichen
Wasser kommt.
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Die Fig. 1 zeigt die dargestellte Vorrichtung während eines Gießvorganges,
d.h. während des Einfüllens der Metallschmelze in die Kokille 26 und vor der Beendigung
dieses Einfüllvorganges. Vor Beginn des Gießens und während des Zusammenbaus der
Kokille 26 mit der Gießdüse 24 wird eine Menge eines typischen Gießpulvers in den
unteren Abschnitt der Kokille gegeben, und zwar im allgemeinen in einem Kunststoffbehälter,
der beim Zusammentreffen mit Metallschmelze verbrennt, so daß das darin enthaltene
Pulver gegenüber der Metallschmelze freiliegt. Das Pulver verflüssigt sich an der
Grenzfläche mit dem Metall und schwimmt dann infolge seiner geringeren Dichte auf
dem Metallspiegel, wie es an der Stelle 44 in der Fig. 1 dargestellt ist. Die Wirkung
des Pulvers geht aus der nachfolgenden Darstellung hervor. Zum Einleiten des Gießvorganges
wird unter Druck stehendes Gas über die Gaseinlaßöffnung 16 in den Schmelzenvorratsbehälter
10 eingelassen. Die Folge davon ist, daß geschmolzenes Metall in das Einlaßende
des Rohres 18 fließt und über das Rohr 18 und den Block 20 bei geöffnetem Absperrorgan
23 durch die Düse 24 in den Boden oder unteren Teil der Kokille 26 gelangt. Die
Füllgeschwindigkeit der Kokille wird von dem ansteigenden Gasdruck im Schmelzenvorratsbehälter
10 gesteuert. Während der Füllstand in der Kokille zunimmt, erstarrt das geschmolzene
Metall, das mit der gekühlten Kokille in Berührung kommt, zu einer Kruste 46, die
wenigstens 40% der Querschnittsfläche der Kokille einnimmt und einen Kern 48 aus
fließender Metallschmelze umgibt. Der Eintritt des geschmolzenen Metalls in die
Kokille erfolgt in einer solchen Weise, daß der flüssige Kern 48 die teilweise durch
die Kruste 46 gebildete Fest-Flüssig-Trennfläche in einer solchen Weise durchspült,
daß während des Füllens der Kokille das säulenförmige dendritische Wachstum verhindert
wird. Man nimmt an, daß die Spülwirkung des geschmolzenen Kerns zu
einem
wenigstens partiellen gleichgerichteten dendritischen Wachstum führt, und andere
Mikrostrukturen möglich sind.
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Die Spülwirkung des flüssigen Kerns verhindert die Ausbildung einer
sogenannten breiigen Zone zwischen dem wirklich flüssigen Kern und der erstarrenden
Kruste 46. Auf diese Weise wird der gewünschte Wärmegradient zum geeigneten Erstarren
des Strangs gefördert. Ein derartiger Wärmegradient existiert sowohl in der Längsrichtung
als auch in der Querrichtung in Bezug auf die Achse des Strangs. Der axiale Gradient
ist in dem bei der Düse befindlichen Ende des Strangs am größten. Gelöste Stoffe
haben die Neigung, gleichmäßig durch den Strang gehend dispergiert zu werden. Ein
Teil der Einschlüsse wird von dem Gießpulver 44 eingefangen, wenn das flüssige Metall
beim Füllen der Kokille über oder durch das Gießpulver flutet. Seine æhemische und
physikalische Wirkung während des Gießvorganges kann man der US-PS 3 693 697 entnehmen.
Die oben erwähnten Einschlüsse, die vor der Erstarrung gebildet werden, sind hauptsächlich
Oxide, die bei hohen Temperaturen stabil sind. Während der Erstarrung gebildete
Einschlüsse sind meistens Sulfide, Telluride, Arsenide, Nitride und einige Oxide.
Die üblichen Einschlüsse in Stahl sind Verbindungen aus verschiedenartigen gelösten
Stoffen oder Reduktionsmitteln, die in Stahl verwendet werden und sich mit Sauerstoff,
Schwefel und weniger häufig mit Stickstoff verbinden. Die oben erwähnten gelösten
Stoffe, beispielsweise in Stahl, sind andere Elemente als Eisen, beispielsweise
Legierungselemente. Das Druckgießen des Strangs wird beendet, wenn die Kokille 26
bis zu ihrem oberen Ende gefüllt ist. Zum Beendigen des Füllens der Kokille wird
das Absperrorgan 23 geschlossen,und die noch im Betrieb befindlichen Kühlmitteldüsen
werden abgestellt. Nachdem alle Kühlmitteldüsen abgestellt sind, steigt in den verbleibenden
Abschnitten
der Kokille die Temperatur an. Auf diese Weise werden die restlichen Teile der Kokille
weggeschmolzen, so daß lediglich der Strang verbleibt, der dann wie zuvor die Kokille
von den säulenförmigen Stützen 34 getragen wird.
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Allerdings wird derjenige Abschnitt der Kokille 26, in dem sich die
Kappe 28 befindet, nicht abgeschmolzen. Das auf diese Weise gewonnene Metallgußstück
weist unter anderem bessere Oberflächeneigenschaften auf. Sofern es erwünscht ist,
kann man von einem einzigen Vorratsbehälter aus gleichzeitig mehrere Kokillen mit
Metallschmelze füllen. Obwohl das erfindungsgemäße Gießverfahren unter Anwendung
des Druckgießens von geschmolzenem Metall erläutert wurde, kann man die Kokille
26 auch unter Anwendung der Vakuumgießtechnik füllen. Somit kann man die Kokille
vom Boden her auch unter Anwendung anderer Gießverfahren füllen.
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Das zu vergießende Metall ist rostfreier oder legierter Stahl nach
der amerikanischen Norm AISI-304 mit einer Zusammensetzung von maximal 0,08% C,
maximal 2,0% Mn, maximal 1,0% Si, 18 bis 20% Cr, 8,0 bis 11% Ni, maximal 0,040%
P, maximal 0,030% S und Rest Fe. Die Soliduslinie beträgt 1 4270C und die Liquiduslinie
1 51O0C. Die Wärmeleitfähigkeit ist 0,039 cal/cm . 0C ' sec. bei i000C. Der Werkstoff
der Kokille ist eine Aluminium-2024-Legierung mit einer Zusammensetzung aus 4,5%
Cu, 1,596 Mg, 6% Mn und Rest Al. Die Soliduslinie beträgt 5020C, und die Liquiduslinie
liegt bei 6380C. Die Wärmeleitfähigkeit ist 0,45 cal/cm 0C sec. bei 250 Die Kokille
ist 30,48 m lang. Sie hat eine Wandstärke von 4,75 mm. Der Innenquerschnitt beträgt
100 mm 100 mm. Die Kokillenfüllgeschwindigkeit beim Druckgießen beträgt 4,834 kg/cm2
. min. (483,4 kg/min). Der flüssige Kern hat einen Durchmesser von etwa 50,8 mm.
Die Fließgeschwindigkeit des
flüssigen Kerns beträgt etwa 31,39
m/min.
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In der Fig. 3 ist eine Grafik dargestellt, die verschiedene Metalleinfüllgeschwindigkeiten
unter Bezugnahme auf Kokillen mit unterschiedlichen Querschnittsflächen zeigt.
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Daraus kann man entnehmen, daß eine Kokille mit einer Querschnittsfläche
von 25,81 cm2 mit einer Geschwindigkeit zwischen etwa 2,39 und 23,9 kg/cm2 ' min.
mit Metallschmelze gefüllt werden soll. Weiterhin zeigt die Grafik, daß eine Kokille
mit einer Querschnittsfläche Von 967,74 cm2 mit der Metallschmelze mit einer Einfüllgeschwindigkeit
zwischen etwa 0,239 bis 4,78 kg/cm2 min. gefüllt werden soll, woraus man eine nichtlineare
Beziehung erkennt. Kokillen, deren Querschnittsflächen zwischen den genannten Querschnittsabmessungen
liegen, werden mit Geschwindigkeiten gefüllt, die zwischen den genannten liegen.
Dazu wird auf die Grafik verwiesen.
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Die Erfindung ist auf die hier erläuterte Gießtechnik nicht beschränkt.
Im Rahmen der erfindungsgemäßen Lehre sind verschiedenartige Modifikationen und
Abwandlungen denkbar.
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