DE2902473A1

DE2902473A1 - Verfahren zum elektromagnetischen giessen von kupfer und kupferlegierungen

Info

Publication number: DE2902473A1
Application number: DE19792902473
Authority: DE
Inventors: Michael J Pryor; Derek E Tyler; Joseph Winter
Original assignee: Olin Corp
Current assignee: Olin Corp
Priority date: 1978-02-13
Filing date: 1979-01-23
Publication date: 1979-08-16
Also published as: GB2014068A; IT1113478B; IT7947662A0; JPS54117325A; FR2416750A1

Description

"Verfahren zum elektromagnetischen Giessen von Kupfer und

Kupferlegierungen."

Ein Problem beim Giessen geschmolzener Metalle besteht in einer niedrigen Metal 1 ausbeute bei dem Gießverfahren, welche in Bezug steht mit Oberflächenmängeln, Heißrissen, Bruchstellen, Schlackeneinschlüssen und anderen Unzulänglichkeiten, welche eine Folge des Gießens und Erstarrens von geschmolzenem Metall in einer fixierten Metallform sind. Diese Probleme benachteiligen insbesondere eine Gießerei, wenn das Metall aus einem halbkontinuierlichen oder direkten kontinuierlichen Kokillengießverfahren wie Stranggießen erhalten wi rd.

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In der Vergangenheit wurden verschiedene Verfahren zum Steuern des Wärmeüberganges durch die Forniwände und der Schmierung der Formwände eingesetzt;, um ein derartiges Platzen bzw. Zerreissen der Gußoberfläche auf ein Minimum herabzusetzen Derartige Verfahren bieten indessen höchstens eine Teillösung dieser Probleme und erfordern eine genaue Steuerung des Gießprozesses .

Ein Verfahren zum Steuern des Gießprozesses, auf welches viele Gießereien aufmerksam geworden sind, war die Verwendung eines induzierten elektromagnetischen Feldes anstatt einer Form mit bestimmten Wänden, um das geschmolzene Metall zu begrenzen und zu formen, wenn es gegossen wird. Dieses Verfahren verwendet ein starkes elektromagnetisches Feld, um die metallostatischen Kräfte auszugleichen, die von dem Kopf bzw. der Säule des geschmolzenen Metalles bewirkt werden. Es war im allgemeinen notwendig, relativ geringe Druckköpfe in dem geschmolzenen Metall zu verwenden₅ um die Energieanforderungen des elektromagnetischen Feldes auf ein Minimum herabzusetzen, welches bei einem derartigen Verfahren verwendet wird. Dies ist nur in solchen Situationen wirksam, wenn Metalle geringer Dichte und hoher Oberflächenspannung verwendet werden. Demzufolge hat ein solches Verfahren Eingang in die Aluminiumindustrie gefunden. Zusätzlich sollte die Steuerung des Metallkopfes bzw. der Säule bei einem solchen Verfahren ausreichend genau sein» um Schwankungen der metal 1ostatisehen. Kräfte herabzusetzen und Schwingungen der Hochgeschwindigkeitsströme

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des geschmolzenen Metalles innerhalb des Gußstückes zu vermeiden.

Es sind verschiedene Verfahren zum Anwenden elektromagnetischer Felder zum Gießen geschmolzener Metalle und zum Steuern der Form des sich ergebenden Blockes bekannt. Beispielsweise sind in den US-PS 3 467 166, 3 476 17o, 3 6o5 865, 3 646 988 und 3 985 179 verschiedene Gießverfahren mit elektromagnetischem Feld zum Steuern der Form von Gußblöcken bekannt.

Ein Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung zum Herabsetzen der Notwendigkeit einer genauen Steuerung der Metallkopfänderungen in Gießverfahren unter Verwendung elektromagnetischer Felder.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Gießverfahren unter Verwendung eines elektromagnetischen Feldes, das besonders für Kupfer und Kupferlegierungen anwendbar ist.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein elektromagnetisches Feld-Gießverfahren, welches nicht ausgeglichene Kräfte innerhalb des zu gießenden geschmolzenen Metalles auf ein Minimum herabsetzt.

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Eiη weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein verbessertes Gießverfahren mittels eines elektromagnetischen Feldes, welches die Wirkungen unerwünschter Geschwindigkeitsschwankungen in dem geschmolzenen Metallstroin dämpft, der in dem Gießverfahren verwendet wird.

Die vorliegende Erfindung umfaßt ein Verfahren zum elektromagnetischen Gießen von Kupfer und Kupferlegierungen, wobei ein Behälter mit offenem Ende in dem Gießverfahren verwendet wird, wobei dieser Behälter vor der elektromagnetischen Induktionsstation angeordnet ist. Der Behälter (der auch als "Wärmehaube" (hot top) bekannt ist) schafft eine Einrichtung zum Reduzieren strikter Metal 1 kopfsteuerung als auch eine Einrichtung zum Steuern der Verteilung des Schmelzmetal1 stromes . Der Behälter ist normalerweise mit offenen Enden versehen, er kann jedoch eine teilweise geschlossene Bodenplatte mit Öffnungen aufweisen, die vorgesehen sind, um einen ruhigen Metallstrom aus der Form in den Bereich zu gewährleisten, der von dem induzierten elektromagnetischen Feld umgeben ist.

Weitere Gegenstände und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Erläuterung der Erfindung an Ausführungsbeispielen an Hand der beigefügten Zeichnung.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer bekannten

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Methode, wobei die Verwendung eines Wasserspri tzsys teins in Kombination mit einem Elektrofeldinduktor gezeigt ist, um einen erstarrten Block zu schaffen,

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht des elektromagnetischen Gießverfahrens gemäss Erfindung, wobei ein Behälter mit offenen Enden verwendet wird, der vor dem elektromagnetischen Induktor angeordnet ist,

Fig. 3 eine der Fig. 2 ähnliche Schnittansicht, wobei die Anordnung einer mit öffnungen versehenen Bodenplatte an einem Ende des Behälters dargestellt ist,

Fig. 4 eine Schnittansicht ähnlich Fig. 2 und 3, wobei ein poröser Keramikfilter verwendet wird, der an einem Ende des Behälters angeordnet ist.

Die obigen Gegenstände und Vorteile werden erfindungsgemäss erzielt durch die Verwendung eines Behälters mit offenen Enden in dem Gießverfahren vor der elektromagnetischen Induktionsstation Dieser Behälter sollte physikalisch und chemisch bei den Temperaturen stabil sein, bei welchen das geschmolzene Metall vergossen wird. Vorzugsweise wird für beste Ergebnisse ein mit einem feuerfesten Material ausgekleideter Behälter verwendet.

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Der Behälter sollte annähernd die gleichen Querschnittsabmessungen wie der zu gießende Block aufweisen. Dieser Behälter ist normalerweise mit offenem Ende vorgesehen, aber er kann teilweise an dem unteren Ende verschlossen sein, um einen ruhigen Metallfluß aus dem Behälter in den Bereich zu gewährleisten, der innerhalb des induzierten elektromagnetischen Feldes angeordnet ist. Das teilweise geschlossene Ende des Behälters kann von einer Bodenplatte gebildet sein, die aus dem gleichen Material wie der Behälter zusammengesetzt ist und Öffnungen aufweist, die so bemessen sind, daß der ruhige Metallfluß gewährleistet ist. Ein Vorschlag besteht darin, einen offenporigen Keramikschaumfilter als teilweise geschlossene Bodenplatte in dem Behälter zu verwenden. Dieser Keramikschaumfilter führt eine Doppel funktion der Gewährleistung eines ruhigen Metal 1fließens und des Entfernons unerwünschter Partikel aus dem Schmelzmetal1 strom aus.

Das Niveau des geschmolzenen Metalles innerhalb des Behälters sollte zwischen ungefähr 12,7 und 152,4 mm (1/2" - 6") liegen. Diese Tiefe des geschmolzenen Metalles wird vorzugsweise am unteren Ende dieses Bereiches liegen, und zwar ohne jede Art einer Beschränkung am unteren Ende des Behälters. Wenn das untere Ende des Behälters teilweise von einer mit Öffnung versehenen Platte oder einem Filter verschlossen ist, sollte das Niveau des geschmolzenen Metalles innerhalb des Behälters vorzugsweise an dem oberen Ende des Tiefenbereiches liegen. Der Behälter sollte zwischen 12,7 und 153 mm (1/2" - 6") lang sein.

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Das erfindungsgemässe Verfahren ist besonders anwendbar bei kontinuierlichen und halbkontinuierlichen Gießverfahren. Diese Verfahren benutzen das, was im allgemeinen als direktes Kokillengießen oder DC-Gießen (Stranggießen) bekannt ist. Mit anderen Worten erstarrt der geschmolzene Metallstrom kontinuierlich, nachdem er in den Behälter gegossen ist, und der Block wird mit derselben Geschwindigkeit abgezogen wie das geschmolzene Metall dem Behälter zugegeben wird. Mit diesem Verfahren kann ein Block gebildet werden, dessen Längsabmessung lediglich durch den in dem Gießbereich verfügbaren Raum und durch die gewünschte Länge zwecks weiterer Bearbeitung begrenzt ist. Dieses direkte Vergießen bzw. Stranggießen schafft eine gleichmässige Kornstruktur in dem Block, der durch dieses Verfahren gebildet wird, indem solche Parameter wie Gießgeschwindigkeit, die Größe und Kühlwirksamkeit des Behälters sorgfältig gesteuert werden. Das erfindungsgemässe Verfahren, bei welchem ein elektromagnetisches Feld verwendet wird, um das gegossene geschmolzene Metall zu begrenzen und zu formen, schafft gegenüber der Verwendung typische Gießformen und bei bekannten Verfahren eingesetztem elektromagnetischen Gießen eine wesentliche Verbesserung. Bei Gußblöcken, die mit Hilfe solcher Verfahren produziert wurden, auftauchende Probleme, wie beispielsweise Heißrisse, Sprünge und andere Unzulänglichkeiten und Fehler werden mit dem erfindungsgemässen Verfahren reduziert oder eliminiert.

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Mit der vorliegenden Erfindung werden auch die Steuerprobleme bei der Verwendung des induzierten elektromagnetischen Feldes durch Verwendung eines Behälters reduziert, der bei dem Verfahren vor der elektromagnetischen Feldstation angeordnet ist. Die Tiefe des geschmolzenen Metalles in einem solchen Behälter erhöht die metal 1ostatisehen Kräfte in dem geschmolzenen Metall und die Verwendung einer teilweise geschlossenen Bodenplatte im Behälter gewährleistet einen ruhigen Metallfluß in dem gesamten Strom des geschmolzenen Metalles in dem Gießverfahren. Der Behälter verbraucht bzw. verteilt ebenfalls größtenteils nachteilige dynamische Kräfte innerhalb des geschmolzenen Metalles auf Grund der Verteilung des geschmolzenen Metalles. Die Tiefe des geschmolzenen Metalles in einem solchen Behälter schafft ebenfalls eine größere Toleranz bei Schwankungen des metallischen Kopfes und des Druckes in dem Strom des geschmolzenen Metalles, ohne die Balance der metal 1ostatischen elektromagnetischen Kraft außer Gleichgewicht zu bringen. Demzufolge wird die Steuerung bzw. Kontrolle der Verteilung des geschmolzenen Metalles verringert und im Vergleich mit bekannten Verfahren leichter durchgeführt, bei welchen ein elektromagnetisches Feld verwendet wird.

Das in dem erfindungsgemässen Verfahren eingesetzte geschmolzene Metall beginnt vorzugsweise mit der Abkühlstufe, wenn es dem induzierten elektromagnetischen Feld ausgesetzt wird.

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In Fig. 1 ist diese bekannte Ausführung gezeigt. Wie aus Fig. ersichtlich ist, richtet die Kühlmittel1 eitung einen Strom von Kühlmittel, das von dem nichtmagnetisehen Schirm gerade oberhalb des Stromes auf die Oberfläche des austretenden Blockes abgelenkt wird. Der Elektromagnetfel dinduktor ist etwas unterhalb der Kühlmittel1 eitung angeordnet und richtet die Oberfläche des austretenden Blockes weg von den Formwänden (nicht gezeigt), um ein Zerreißen der Blockoberfläche zu verhindern.

In Fig. 2 ist schematisch das erfindungsgemässe Verfahren gezeigt. Ein Behälter Io ist gerade vor der Induktionsstation 11 in dem Gießverfahren angeordnet. Ein Kühlstrahl 12 aus einer Wasserleitung 13 wird von einem nichtmagnetischen Schirm 14 abgelenkt, um durch das elektromagnetische Kraftfeld zu fallen und zu helfen, daß die Wände eines austretenden Blockes 15 erstarren. Dieser austretende Block weist ein Ende auf, das an einem Untersatz 16 befestigt ist, welcher seinerseits an einer herkömmlichen Zieheinrichtung (nicht gezeigt) befestigt ist, um den Block aus der elektromagnetischen Station zu ziehen. In Fig. 3 ist der erfindungsgemäss eingesetzte Behälter mit einer mit öffnungen versehenen Bodenplatte 17 versehen, um einen ruhigen Fluß des zu vergießenden geschmolzenen Metalles zu ge-' währleisten. In Fig. 4 ist eine ähnliche elektromagnetische Gießstation gezeigt, wobei ein offenporiger Keramikschaumfilter 18 als Teilschließeinrichtung für ein Ende des Behälters verwendet wird, um nicht nur den ruhigen Fluß des geschmolzenen Metalles zu gewährleisten, sondern auch Verunreinigungen von dem

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-15-Metal1 zu entfernen.

Ein weiterer Vorteil, welcher mit der Erfindung erzielbar ist, ist die Begrenzung einer schützenden kohlenstoffhaltigen Abdeckung bzw. überzüge aus geschmolzener Salzschmelze sowie nachteiliger Oberflächenoxyde auf die Oberfläche des geschmolzenen Metalles innerhalb des Vorinduktionsbehälters. Das Material dieser Schmelzabdeckungen wird somit daran gehindert, von der sich bildenden Blockhaut mitgerissen zu werden, so daß sich verbesserte Blockoberflächen ergeben. Das Material der Schmelzabdeckung, insbesondere, wenn es ein solches Material wie Grafit ist, wird ebenfalls daran gehindert, mit dem elektromagnetischen Feld zusammenzuwirken. Es sei hervorgehoben, daß bekannte elektromagnetische Gießverfahren entweder die Verwendung einer gasförmigen Abdeckung für das geschmolzene Teil oder überhaupt keine Abdeckung erfordern, was jedoch erhebliche Oxydationsprobleme mit sich bringt.

Eine andere bevorzugte Ausführungsform gemäss Erfindung ist die Einverleibung eines inerten Gasfilmes zwischen der Vorinduktionsbehälterwand und der Oberfläche des geschmolzenen Metal 1 stromes, um weiterhin die Metalloberfläche zu schützen. Dieser inerte Gasfilm kann umfangsmässig auf die Vorinduktionsbehälterwände unter Verwendung des Ablenkschirmes der Kühlmittel1 eitung wirken. Eine solche kombinierte Verwendung reduziert die Kosten einer derartigen Inertgas-Einrichtung.

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Die vorliegende Erfindung verwendet einen elektrischen Wechselstrom, der ein elektromagnetisches Wechselfeld um den Strom des geschmolzenen Metalles in dem Gießverfahren induziert. Dieses elektromagnetische Feld induziert seinerseits einen Wechselstrom, der mit dem Magnetfeld des Induktors zusammenwirkt, um eine elektromagnetische Kraft zu schaffen, um die metallostatischen Kräfte auszugleichen, welche innerhalb des Stromes des geschmolzenen Metalles vorhanden sind. Der Ausgleich dieser Kräfte steuert die abschließende Form des Blockes.

Das erfindungsgemässe Verfahren umfaßt die Verwendung eines "Untersatzes", wie er in Fig. 2-4 mit 16 gezeigt und im allgemeinen eine Metallplatte ist, die an dem erstarrenden Bodenabschnitt des geschmolzenen Metal 1 stromes befestigt ist, wenn letzterer sich durch die Gießstation bewegt. Dieser Untersatz wird innerhalb des elektromagnetischen Feldes zu Beginn des Gießverfahrens angeordnet. Der Untersatz ist seinerseits an einer Zieheinrichtung befestigt, so daß er mit daran befestigtem erstarrendem Block von dem Auslaßende der Gießvorrichtung fortgezogen werden kann. Dieser Untersatz wird selbstverständlich später entfernt, bevor der Block bearbeitet wird.

Es sei hervorgehoben, daß die Erfindung nicht auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern es sind viele Änderungen und Modifikationen möglich, ohne sich jedoch dabei vom Kern der Erfindung zu entfernen.

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Claims

unsere Akte: 0 449/Ro/He OLIN CORPORATION, 427 North Shamrock Street, East Alton, Illinois 62o24/U.S.A. Patentansprüche

1. Verfahren zum Gießen von Kupfer und Kupferlegierungen, wobei geschmolzenes Metall einer elektromagnetischen Giesstation zugeführt wird, um einen Kopf aus geschmolzenem Metall zu bilden, wobei ein erstarrter Block von einem Ende dieser Station abgezogen wird und flüssiges Kühlmittel auf die erstarrte Oberfläche des austretenden Blockes gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Behälter mit offenem Ende und mit einer Tiefe vorgesehen wird_s so daß die Tiefe des geschmolzenen Metalles in dem Behälter geringer als der Gußkopf ist, daß der erstarrende Block an einem Ort gebildet wird, der im Abstand von dem Auslaßende des Behälters liegt, indem ein elektrisches

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Wechsel stronifel d um das geschmolzene Metall aufrechterhalten wird, welches aus dem Behälter austritt, um das Metall von einem seitlicher) Fl i e β e η während des Erstarrens des Blockes zurückzuhalten und die Notwendigkeit einer genauen Steuerung der Metal 1 kopfSchwankungen auf ein Minimum herabzusetzen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslaßende des Behälters teilweise verschlossen ist, um einen ruhigen Metallfluß aus dem Auslaßende des Behälters zu gewährleisten.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter teilweise an dem Auslaßende mit einem offenporigen Keramikschaumfilter verschlossen ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslaßende des Behälters mit einem Untersatz geschlossen wird und daß dieser Untersatz von dem Auslaßende weg bewegt wird, um den Gußblock abzuziehen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom des flüssigen Kühlmittels von einem Schirm abgelenkt wird, welcher oberhalb des Stromes und vor der elektrischen Wechselstromeinrichtung angeordnet ist.

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6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß umfangsmässig zwischen der Behälterwand und der sich abkühlenden Oberfläche des geschmolzenen Metalles ein inerter Gasfilm geschaffen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß

der inerte Gasfilm durch die Verwendung des den Kühl mittelstrom ablenkenden Schirmes aufgebracht wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche. 1-7 , dadurch gekennzeichnet;, daß die Tiefe des geschmolzenen Metalles innerhalb des Gießbehälters in dem Bereich von 12,7 bis 153 mm liegt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche l-8₃ dadurch gekennzeichnet,, daß auf der Oberfläche des geschmolzenen Metalles eine schützende kohlenstoffhaltige Abdeckung oder eine solche aus geschmolzener Salzschmelze angeordnet wird, und daß der Behälter wirkt, um diese Schmelzabdeckung und schädliche Oberflächenoxyde auf die Oberfläche des geschmolzenen Metalles innerhalb des Behälters zu beschränken.

10. Vorrichtung zum Gießen von geschmolzenem Kupfer und Kupferlegierungen in B.löcke, mit einer Einrichtung zum Liefern eines Stromes von geschmolzenem Metall zu der Oberseite des zu formenden Blockes, wobei eine elektromagnetische Induktionseinrichtung unterhalb., jedoch in der Nähe dieser ZuI i eferungs-

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einrichtung angeordnet ist, um eine Kraft zu liefern, um dieses geschmolzene Metall an der Oberseite des Blockes zu halten, wobei die Induktionseinrichtung in Abstand von der Oberfläche des Blockes angeordnet ist, welcher zu gießen ist, mit einer Einrichtung zum Richten eines Kühlmittels auf die Oberfläche des aus dem elektromagnetischen Feld, welches von der Induktionseinrichtung gebildet wird, austretenden Blockes und mit einer Abzieheinrichtung, die an dem erstarrten Ende des Blockes befestigt ist, um den Block von dem elektromagnetischen Feld abzuziehen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Behältereinrichtung mit offenen Enden in der Nähe der Induktionseinrichtung angeordnet ist und eine Tiefe aufweist, so daß die Tiefe des geschmolzenen Metalles geringer als der Schmeizmetal1 kopf ist, um ein seitliches Fließen des geschmolzenen Metalles zu behindern, bevor es von dem elektromagnetischen Feld geformt ist, das von der Induktionseinrichtung erzeugt ist, und um die Notwendigkeit einer genauen Kontrolle der Gießkopfschwankungen auf ein Minimum herabzusetzen.

11. Vorrichtung nach Anspruch lo, dadurch gekennzeichnet, daß die Behältereinrichtung mit offenem Ende mit einem feuerfesten Material ausgekleidet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche Io - 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Behältereinrichtung mit offenem Ende eine Wand aufweist, welche eine axial vertikaie' Gießzone begrenzt.

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13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche Iu - 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende der Behältereinrichtung in der Nähe der Induktionseinrichtung teilweise von einer mit 'Öffnungen versehenen Platte verschlossen ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche Io - 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende der Behältereinrichtung teilweise mit einem offenporigen Keramikschaumfilter verschlossen ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche Io - 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Behältereinrichtung mit offenem Ende in dem Bereich von 12 - 153 mm liegt.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche Io - 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Liefern einer kohlenstoffhaltigen oder geschmolzenen Salzschmelzabdeckung auf die Oberfläche des geschmolzenen Metalles innerhalb der Behälterei nrichtung vorgesehen ist, wobei die Behältereinrichtung wirkt, um diese Schmelzabdeckung und schädliche Oberflächenoxyde auf die Oberfläche des geschmolzenen Metalles zu beschränken.

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