DE2909990A1

DE2909990A1 - Verfahren zum giessen von bloecken

Info

Publication number: DE2909990A1
Application number: DE19792909990
Authority: DE
Inventors: Ho Yu
Original assignee: Aluminum Company of America
Current assignee: Howmet Aerospace Inc
Priority date: 1978-03-13
Filing date: 1979-03-12
Publication date: 1979-10-04
Also published as: NO158568B; CA1135476A; JPS54155125A; IT1114570B; GB2016330B; US4166495A; GB2016330A; IT7948289A0; FR2419782A1; NO790676L; AU523852B2; AU4457479A; CH628260A5; BE905196Q; FR2419782B1; NO158568C; DE2909990C2; JPS5542903B2

Description

A 1754

Aluminum Company of America, Pittsburgh, Pennsylvania, V. St. A.

Verfahren zum Gießen von Blöcken

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gießen von Blöcken. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung das verzö- ' gerte Kühlen während der Anfangsstadien beim Stranggießen eines Aluminiumblocks, um die Schrumpfung zu optimieren und die Verformungen im Vorderende des Blocks zu gering wie möglich zu halten.

Beim Stranggießen von Leichtmetallblöcken in der Waagerechten oder Senkrechten hat man herkömmlicherweise die Schmelze in ein Ende einer offenen Form bzw. Kokille gegossen. Während des Gießens wird die Schmelzentemperatur vorzugsweise im wesentlichen konstant gehalten, um den

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Gießwirkungsgrad zu maximieren. Typischerweise ist die Kokille in der Axialrichtung verhältnismäßig kurz und hohl oder auf andere Weise so eingerichtet, daß sie ein flüssiges Kühlmittel wie bspw. Wasser unmittelbar an der Kokillenaußenseite aufnehmen kann. Kokillen werden vorzugsweise aus Aluminium hergestellt, können aber auch aus Kupfer oder Bronze bestehen; alle diese Werkstoffe haben eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Während des G^eßvorgangs wird das Kühlmittel in einer ausreichenden Menge auf die Kokille aufgebracht, um Wärme aus der Schmelze an der Kokillenwand herauszuziehen und die Schmelze in der Kokille mindestens teilweise zu verfestigen. Bei diesem Kühlen erstarren die Außenbereiche eines Blocks und nehmen eine ausreichende mechanische Festigkeit und Dicke an, um eine Schmelzphase oder einen allgemein keilförmigen Krater im Block zu stützen, während dieser vom Austrittsende der Kokille kontinuierlich vorgeschoben wird .

Beim Beginn des Vertikal-Gußvorgangs, wenn die Schmelze anfänglich in die Kokille eingeführt wird, ist das untere bzw. Austrittsende der Kokille von einer vertikal beweglichen Bodenplatte verschlossen. Der Block schiebt sich abwärts durch das Austrittsende der Kokille vor, wobei

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die Bodenplatte abwärts weggezogen wird. Die .bei aus dem Austrittsende der Kokille austretendem Block aus der Kokille austretende Metallmenge wird fortwährend durch Metall ergänzt, das in das obere bzw. Eintrittsende der Kokille eingegossen.wird. Die Metallhöhe, d.h. der axiale Abstand zwischen dem Meniskus der Schmelze zum Austrittsende der Kokille wird vorzugsweise während des Gießvorgangs konstant gehalten. Man kann auch Gleitmittel auf die Innenflächen der Kokille aufbringen, um die Reibung zwischen der Kokille und dem Block zu verringern und damit ein Aufreißen während des Austretens des Blocks aus der Kokille zu verhindern.

Es ist auch üblich, ein flüssiges Kühlmittel unmittelbar auf die Außenflächen des austretenden Blocks zu richten. Die Kühlmittelzufuhr auf den Block erfolgt dabei in ausreichender Menge, um den inneren geschmolzenen Kern des Blocks schließlich zu verfestigen.Die Querverfestigung des Blocks erfolgt fortschreitend derart, daß der Block in einer gewissen axialen Entfernung vom Austrittsende der Kokille vollständig verfestigt. Die Kühlmittelzufuhr, die direkt gegen den Block erfolgt, kann in die Kühlmittelversorgung der Kokille integriert oder von ihr getrennt sein.

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Beginnt ein Block, aus der Kokille auszutreten, wird die Außenfläche des Blocks direkt gekühlt, was auch als "direkte Abschreckung" ('direct chill¹) bezeichnet wird. Auch die Bodenplatte kühlt das Blockende axial. Das Wärmegefälle zwischen der Kokillenkühlung und der direkten Kühlung ist erheblich. Auch die Bodenplatte erzeugt ein erhebliches Wärmegefälle für die ersten Centimeter Blocklänge. Als Resultat unterliegt das stumpfe Ende des austretenden Blocks thermisch verursachten Spannungen und Verformungen. Die rasche Abkühlung des stumpfen Endes des Blocks verursacht Formänderungen des Blocks als Resultat der thermischen Kontraktion und Schrumpfung beim schnellen Erstarren. Die üblichsten Verformungen am stumpfen Ende des austretenden Blocks sind als Vorwölbung ("butt curl") und Schwellung ("butt swell") bekannt.

Als Vorwölbung wird dabei die Rundung am stumpfen unteren E_nde eines stranggegossenen Blocks bezeichnet, wie sie die Fig. 2 zeigt. Das Ausmaß der Wölbung wird bestimmt, indem man die vertikale Distanz zwischen dem unteren Tiefpunkt der Wölbung der Blockfläche und der oben liegenden Kante des beginnenden Blocks mißt, wie durch die Abmessung A in Fig. 2 gezeigt ist. Die Wölbung bzw. Rundung wird

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verursacht durch thermische Verformungen in der Blockmasse, die bei übermäßig schnellem Abkühlen des austretenden stumpfen Blockendes auftreten. Die Wölbung nimmt ab mit sich der Blockdicke nähernder Blockbreite; quadratische oder runde Blöcke zeigen daher keine starke Wölbung. Bei Blocken mit höheren Verhältnissen von Breite zu Dicke tritt aber eine zunehmende Wölbung auf.

Diese Art der Verformung ist unerwünscht hauptsächlich wegen der überflüssigen Schrottmenge,die vor dem Walzen vom Block entfernt werden muß. Ein weiteres Problem kann auftreten, wenn der Block beim Erstarren schneller einwärts schrumpft, als der Gießgeschwindigkeit entspricht. Wird der Block mit geringer Geschwindigkeit abwärts gegossen, kann es vorkommen, daß die verfestigte Außenschale des Blocks schneller zur Kokille hin aufsteigt. Ist dies längere Zeit der Fall, kann die Schmelze im Krater durch den aufsteigenden Boden hindurchschmelzen und so einen Durchbruch erzeugen. Wenn weiterhin der verfestigte Mantel über die Kokille/Metall-Schnittfläche hinaus angestJsjen ist, wird der Mantel dicker und schrumpft von der Kokille ab, so daß ein breiter Spalt zwischen der Kokille und dem Block zurückbleibt. Läuft dann der Block

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weiter nach unten, läuft die Schmelze über den verfestigten Rand und abwärts durch den Spalt zwischen der Kokille und dem Block aus der Kokille hinaus - ein Zustand, der üblicherweise als "yo-out" bezeichnet wird. Diese Schwierigkeiten wiegen besonders schwer, wenn man Blöcke mit einem hohen Verhältnis Breite zu Dicke gießt. Blöcke mit einer Breite von etwa I0I6 bis 1829 mm (4o bis 72 in.) und einer Dicke von von etwa 5o8 bis 660 mm (2o bis 26 in.) erfordern typischerweise zu Anfang des Stranggußvorgangs langsame Gießgeschwindigkeiten.

Es hat sich herausgestellt, daß man diese Vorgänge beeinflussen kann, indem man den Kühleffekt des direkt aufgebrachten Wassers ändert. Bspw. hat sich ergeben, daß das Vorwölben sich anscheinend reduzieren läßt, indem man den Kühleffekt für die ersten Centimeter des austretenden Blocks verlangsamt. Nach einem Versuch, die direkte Kühlung zum Reduzieren der Auswölbung zu verlangsamen, wie ihn die US-PS 3 441 o79 offenbart, läßt man das Kühlwasser zwischen voller Stärke und vollem Wegfall mit vorbestimmter Dauer periodisch pulsieren. Dieses pulsierende Wassersystem kann verhältnismäßig aufwendige Pumpen- und Ventilanlagen erfordern, um die Wasserströmung inter-

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mittierend ein- und abzuschalten. Auch andere Komplikationen können dabei auftreten - bspw. wenn man Wasserstcömungsraten von mehr als 1135 Litern (3oo gallons) pro Minute und Kokille in Betracht zieht. Dauert die Abschaltzeit in einem gepulsten Wassersystem zu lange, kann das Metall erneut schmelzen und u.U. durch die zuvor verfestigte Blockwand hindurchbrennen.

Die Schwellung ist eine unerwünschte Dickenzunahme des stumpfen Endes eines stranggegossenen Blocks; vergl. Fig. 3. Typischerweise sind Blockkokillen mit rechteckigem Querschnitt so ausgeführt, daß die längeren Seitenwände eine ausgeprägte konvexe Krümmung haben. Da die Schrumpfung beim Erstarren am stärksten nahe der Mitte der längeren Seitenwände ist, kompensiert die konvexe Krümmung, auf den Seitenwänden diese Schrumpfung. Die konvexe Krümmung ist nach der Verfestigung des Blocks praktisch verschwunden, so daß man im wesentlichen ebene·Blockseitenflächen auf dem endgültig abgekühlten Block erhält - mit Ausnahme des stumpfen Endes des Blocks. Da die Gxeßgeschwindxgkeit in der Anfangsphase des Stranggußvorgangs verhältnismäßig gering ist und das Blockende an einer Anlaufplatte ("starting block") liegt, nicht aber unmittelbar in Metall

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übergeht, ist die Abkühlgeschwindigkeit des Blocks anfangs wesentlich höher als unter stabilen Arbeitsbedingungen. Geringe Gießgeschwindigkeiten und ein schnelles Verfestigen am Anfang eines Gießvorgangs halten die Verfestigungsschrumpfung gering. Die längeren Seitenwände halten also die von der Kokille erteilte gekrümmte Konfiguration bei, bis die Kühlgeschwindigkeit sich stabilisier-fc - hat und die Gießgeschwindigkeit erhöht wird.

Die Endschwellung ist ein Problem, da sie die normale Handhabung des Produkts während der Produktion stört. Abgesehen von Schwierigkeiten beim Stapeln müssen Blöcke mit Endschwellung vor dem Walzen zusätzlich behandelt werden. Es ist üblich, die gesamten Walzflächen bei den meisten Blöcken zu schälen. Da die Schneidfähigkeit der meisten Schälvorrichtungen begrenzt ist, müssen Verformungen wie Schwellungen vor dem Schälen vom Block entfernt werden. Mit diesen zusätzlichen Maßnahmen wird überschüssiges Metall vom Block entfernt; sie verlängern die für das Schälen angesetzte Zeit, so daß die Blockkosten steigen.

Die US-PS 3 933 192 offenbart ein Verfahren zur Herstellung stranggegossener Blöcke ohne Endschwellung. Bei diesem

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Verfahren schiebt man einen Block durdh eine Kokille mit im wesentlichen ebenen Seitenwänden vor; wenn dann die Gießgeschwindigkeit über die niedrige Anfangsgeschwindigkeit hinaus erhöht wird, biegt man die Seitenwände der Kokille auswärts. Auf diese Weise passen die Seitenflächen des Blockendes sich den im wesentlichen ebenen Seitenflächen der Kokille an_t während die Seitenflächen des Rests des Blocks, der durch eine ausgebogene Kokille gegossen wird, beim Verfestigen schrumpfen und beim endgültigen Abkühlen ebenfalls eben werden.

Obgleich sie besonders geeignet für den Vertikalstrangguß ist, läßt die vorliegende Erfindung sich auch für den Waagerechtstrangguß einsetzen. Ein typisches Problem beim waagerechten Stranggießen mit direkter Abschreckung ("HDC continuous casting") ist, daß plötzlich nicht mehr genug Schmelze vorhanden ist. Wenn das der Fall ist, muß die Gießgeschwindigkeit intermittierend zurückgenommen werden. Währenddessen müssen aber der Schmelzkrater und die Höhe gleich groß gehalten werden. Da die verringerte Gießgeschwindigkeit allein eine erhöhte Erstarrungsgeschwindigkeit ergibt, muß etwas hinsichtlich der Kühlung getan werden, um die Schrumpfung zu verstärken, da sonst

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der Block auf den Walzflächen eine konvexe Krümmung annimmt. Es hat sich herausgestellt, daß man über die Dauer verringerter Gießgeschwindigkeiten gleichmäßige Konturen der Blockflächen aufrechterhalten kann, indem man die Kühlwirkung des flüssigen Kühlmittels beim Waagerecht-Stranggießen gleichmäßig verlangsamt.

Es ist also ein wirtschaftliches und wirkungsvolles Verfahren erwünscht, mit dem sich die Kühlwirkung des flüssigen Kühlmittels insbesondere beim Stranggießen gleichmäßig verlangsamen läßt, so daß Oberflächenverformungen sich vermeiden lassen, die sonst auf den Oberflächen und insbesondere am Ende eines stranggegossenen Blocks auftreten.

Die Erfindung schafft dementsprechend ein Verfahren zum Stranggießen von Metallblöcken, bei dem man einer Kokille kontinuierlich an ihrem Eingangsende geschmolzenes Metall zuführt und an ihrem Austrittsende den erstarrten oder teilweise erstarrten Block anzieht sowie Wärme vom am Austrittsende der Kokille austretenden Block abzieht, indem man ein flüssiges Kühlmittel auf die Blockoberfläche richtet, Nach diesem Verfahren (a) verlangsamt man den

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Wärmeabzug vom Block durch das flüssige Kühlmittel über einen Teil der Blocklänge, indem man ein Gas in das flüssige Kühlmittel einmischt und das das Gas führende flüssige Kühlmittel in einer im wesentlichen kontinuierlichen flüssigen Phase auf den Blockteil aufbringt, während er aus der Kokille austritt, und (b) beschleunigt danach den Wärmeabzug für einen nachfolgenden Blockabschnitt, während dieser aus der Kokille austritt, indem man die Gasmenge reduziert, die man dem auf den nachfolgenden Blockabschnitt gerichteten flüssigen Kühlmittel zumischt.

Unter den Vorteilen der vorliegenden Erfindung ist der, daß sie ein Verfahren schafft, um Verformungen an den Enden stranggegossener Blöcke minimal zu halten.

Es ist also ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß sie gestattet, Wölbungen und Schwellungen am Ende eines stranggegossenen Blocks minimal zu halten.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß sie ein sehr wirtschaftliches Verfahren schafft, um die direkte Kühlung in den kritischen Anfangsstadien des Stranggußvorgangs zu verlangsamen.

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Es ist darüberhinaus ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß das Kühlmittel fortwährend in gleicher Menge auf die Oberfläche eines vorl-aufenden Blocks aufgebracht wird, ohne daß im Kühlvorgang eine Unterbrechung auftritt, die zu einem Durchbrennen einer zuvor bereits erstarrten Blockwand führen könnte.

Die vorliegende Erfindung sorgt weiterhin dafür, daß das Kühlmittel gleichmäßig auf die Oberflächen eines vorlaufenden Blocks aufgebracht wird, und zwar unabhängig davon, ob der Kühleffekt verlangsamt wird oder nicht.

Die Erfindung soll nun unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben werden.

Fig. 1 ist ein teilgeschnittener Seitenriß einer typischen Einheit, wie man sie zum Stranggießen von Blöcken einsetzt;

Fig. 2 ist ein Vertikalschnitt durch das stumpfe Ende eines stranggegpssenen rechteckigen Blocks und zeigt eine Verformung an demselben in Form eines Vorwölbung der Stirnfläche;

Fig. 3 ist ein Vertikalschnitt durch das stumpfe Ende eines stranggegossenen rechteckigen Blocks und

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zeigt eine Verformung an diesem in Form einer Schwellung;

Fig. 4 ist ein teilgeschnittener Seitenriß einer Einheit, wie sie zum Stranggießen von Blöcken nach der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;

Fig. 5 ist eine vergrößerte Schnittdarstellung eines Teils der in Fig. 4 gezeigten Einheit.

Der hier benutzte Ausdruck "Stranggießen" soll die fortschreitende ununterbrochene Bildung eines Gußmetallblocks in einer beiderseitig offenen Kokille bezeichnen. Der Gießvorgang kann beliebig lange dauern, sofern man den Gußstrang in Abschnitte geeignerter Länge an einem von der Kokille entfernten Ort zerteilt. Alternativ kann man den Gießvorgang für die Herstellung jedes einzelnen Blocks einleiten und beenden. Beim letzteren Verfahren spricht man üblicherweise vom "halbkontinuierlichen Gießen" ('semicontinuous casting·); es soll hier vom Ausdruck "Stranggießen" umfaßt werden..

Die Fig. 1 der Zeichnung zeigt nun eine typische Anordnung zum Stranggießen von Blöcken. Diese Anordnung weist ein Gießrohr Io für die Metallschmelze 12 sowie eine Ko-

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kille 14 auf, die allgemein die Querabmessungen des gegossenen Blocks 16 bestimmt. Weiterhin weist die Vorrichtung eine vertikale bewegliche Bodenplatte 18 auf, die die Kokille am Anfang des Gießvorgangs unten abschließt, und mit ihrer Abwärtsbewegung die Geschwindigkeit bestimmt, mit der der Block 16 unten aus der Kokille 14 austritt.

Zum Verständnis des Stranggießvorgangs sollen einige Definitionen an den Anfang gestellt werden. Die "Höhe" ist die Strecke, die der Blockmantel in der Kokille 14 zurücklegt, bevor er am Boden 2o der Kokille 14 austritt. Dabei wird die Höhe vom Meniskus der Schmelze in der Kokille 14 zum Boden bzw. Ende 2o der Kokille gemessen; in der Fig. 1 ist die Höhe mit der Abmessung "h" bezeichnet. "Krater" ist der Ausdruck, der das Schmelzbad in einer allgemein V-förmigen Gestalt zwischen dem Meniskus des Schmelzenspiegels in der Kokille 14 bis zu einem Ort definiert, der in einigem Abstand vom Austrittsende 2o der Kokille 14 mittig im Block 16 liegt. Obgleich das Krater-Querschnittsprofil oft als durchgezogene Linie gezeichnet wird, die die Schmelze vom erstarrten Metall trennt, ist für den Fachmann einzusehen, daß eine Über-

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gangszone 22 vorliegt, in der das Metall noch nicht vollständig erstarrt, aber auch nicht mehr vollständig flüssig ist; diese Zone trennt die Schmelz- von der festen Phase. Für Aluminiumblöcke wie die der Legierung Nr. 3oo3 der Aluminum Association liegt diese Zone dort, wo das Metall eine Temperatur von etwa 643°C (119o°F) bis etwa 656°C (121o°F) hat; für die Legierung Nr. 3oo4 liegt dieser Bereich zwischen Metalltemperaturen von etwa 629 C (1165°F) und etwa 656°C (121o°F).

In einem typischen Stranggießverfahren kann die Schmelze an die Stranggußeinheit unmittelbar von einem Ofen oder von einem Schmelztiegel überführt werden. Die Schmelze wird durch ein Gießrohr Io oder dergl. in eine Kokille 14 gegossen, die unten mit einer Platte 18 abgeschlossen ist. Strömungssteuernde Einrichtungen (nicht gezeigt)
können vorgesehen werden, un/Turbulenzen usw. gering zu halten und so eine gleichmäßige Verteilung des Metalls zu gewährleisten.

Die Kokille wird extern gekühlt - gewöhnlich mit einem flüssigen Kühlmittel wie Wasser. Indem man die Kokille aus einem Werkstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit - wie

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Aluminium oder Kupfer - aufbaut, gewährleistet man, daß die Temperatur des Kühlmittels so wirkungsvoll wie möglich durch die innere Kokillenwand 24 auf das Metall übergeht, damit dieses erstarrt.

Das für die direkte Kühlung in der Stranggießeinheit in Fig. 1 gezeigten verwendete Kühlmittel - typischerweise Wasser - wird der gleichen Quelle entnommen wie das Kühlwasser für die Kokille 14» Es ist einzusehen, daß man eine flexiblere Kühleinheit erhält, wenn man die Wasserversorgung für die Kokille von der für den Block trennt. In der in Fig. 1 gezeigten Vertikal-Gießeinheit wird Wasser 15 unter Druck in den hohlen-Kanal 26 in der Kokille in einer Menge von etwa 757 bis 1325 Litern (2oo bis gallons) pro Minute gepumpt. S_olange die Wässertemperatur niedriger als etwa 3Z°C (9o°F) und höher als etwa 0°C (32°F) ist, wird der Kühlwirkungsgrad nicht wesentlich beeinträchtigt. Das Wasser füllt den Kanal 26 und tritt durch eine Vielzahl von Öffnungen 28 aus, die um die Kokille 14 herum auf Abstand liegen und durch die untere innere Kante der Kokille 14 hindurch verlaufen. Die Öffnungen 28 sind so angeordnet und beabstandet, daß das durch sie hindurchströmende Kühlwasser auf die Außenflächen des

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Blocks 16 gerichtet wird und dabei eine gleichmäßige Wasserdecke 3o um den austretenden Blockteil herum ausbildet.

Zu Beginn eines Gießvorgangs, während Schmelze in die geschlossene wassergekühlte Kokille 14 gegossen wird, fällt die Metalltemperatur schnell auf einen Wert nicht weit über dem Liquiduspunkt. Hat der Umfangsbereich des Strangs sich ausreicnend verfestigt, zieht man die Platte 18 nach unten ab. Der Fachmann weiß, daß die stärkste Kühlung dabei durch direkte Kühlung außerhalb der Kokille stattfindet. Die Berührung des Kühlmittels mit dem Strang muß bei der direkten Kühlung einwandfrei sein, um Gleichmäßigkeit zu gewährleisten. Damit diese Berührung einwandfrei ist, müssen die Richtung, die Geschwindigkeit und der Druck des Kühlmittels verhältnismäßig konstant sein. Bei ungleichmäßiger Berührung wird die Wärmeströmung ungleichmäßig j dann kann die Strangqualität leiden. Leichtmetalle wie Aluminium, Magnesium und ν insbesondere die Legierungen der Tausender,-, Dreitausender- und der Fünftausender-Serie der Aluminum Association haben sich als für das Verfahren der vorliegenden Erfindung besonders geeignet herausgestellt.

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Zu Beginn des StranggußVorgangs wird die Platte 18 langsam gesenkt. Anfangsgießgeschwindigkeiten von etwa 38 bis 64 mm (etwa 1,5 bis 2,5 in.) pro Minute sind üblich. Nachdem etwa 5o bis 125 mm (2 bis 5 in.) des Strangs aus der Kokille ausgetreten sind, kann die Gießgeschwindigkeit erhöht werden; dann sind Gießgeschwxndigkeiten von 5o bis 15o mm (2,ο bis 6,ο in.) pro Minute üblich.

Die Metallhöhe wird beim Stranggießen so konstant wie möglich gehalten. Eine Höhe von 32 bis 45 mm (etwa 1,25 bis 1,75 in.) wird als niedrig angesehen, während eine Höhe von etwa 64 bis 89 mm (2,5 bis 3,5 in.) als normal gilt. Eine variable Höhe, die normal anfängt und nach dem Anlauf niedrig gehalten wird, kann für bestimmte Stränge bevorzugt werden, die ein hohes Verhältnis von Breite zu Dicke haben; derartige Stränge laufen nur mit Schwierigkeiten an. Vom Gesichtspunkt der Wirtschaftlichkeit und der erhöhten Produktionsraten ist bevorzugt, mit einer geringen Höhe anzufangen und zu arbeiten.

Die Fig. 4 zeigt die Verbesserung nach der vorliegenden Erfindung. Wie dort gezeigt, wird ein lösliches Gas in das Kühlmittel unter Druck eingemischt und in ihm gelöst, bevor das Kühlmittel der Kokille 14 und der Außenfläche des Strangs 16 zugeführt wird.

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Die von der vorliegenden Erfindung umfaßten Gase sind alle die, die im Kühlmittel löslich sind. Ist das Kühlmittel Wasser, sind die Gase bspw. Kohlendioxid, Luft, Stickstoff und Ofengas. Die Gase müssen wasserlöslich sein; zusätzlich dazu müssen sie außer Lösung gehen, wenn der Druck abfällt. Weiterhin kann ein Temperaturanstieg im Kühlwasser den Effekt haben, Gas aus der Lösung zu entlassen. Ein für die vorliegende Erfindung bevorzugtes Gas ist Kohlendioxid; es ist verfügbar, verhältnismäßig billig und ist in Wasser bei niedrigem Druck von etwa 1 bis 4 bar sehr leicht löslich. Andere verwendbare Gase sind u.a. Luft, Stickstoff und bestimmte Prozessabgase.

Die K_ohlendioxidaufnahme wird in Volumeneinheiten gemessen. Bei Atmosphärendruck und einer Temperatur von 16 C (6o°F) nimmt ein gegebenes Wasservolumen ein gleiches Volumen Kohlendioxid auf. Die Löslichkeit des Kohlendioxids in Wasser ist dem Druck direkt proportional, nimmt aber mit steigender Temperatur ab.

Nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird Gas in Strangkühlwasser unter Druck gelöst. Das Lösen kann in einer Absorptions- bzw. Mischvorrichtung 32 wie bspw. einer Pumpe oder einem statischen Mischer stattfinden.

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Das Gas wird im Strangkühlwasser gelöst, bevor man dieses auf die Strangaußenflächen gibt. In einem System mit einer einzigen Wasserversorgung, wie dem in Fig. 4 gezeigten, ist es praktisch, das Gas im Wasser zu lösen, bevor das Wasser der Kokille zugeführt wird.

Wie bereits erwähnt, tritt das gelöste Gas aus der Lösung aus, wenn der Druck abfällt. Wie in der Fig. 5 gezeigt, die einen vergrößerten Ausschnitt V der Fig. 4 darstellt, haftet ein Teil des freigesetzten Gases an der Außenfläche des austretenden Strangs 16 und bildet dort eine gleichmäßige wirkungsvolle Isolierschicht 34, die den Wärmeübergang verlangsamt, den das Kühlmittel sonst bewirkt. Es hat sich herausgestellt, daß die Verwendung einer ausreichenden Menge gelösten Kohlendioxids im Kühlwasser zur Bildung einer kontinuierlichen Gasdecke auf der Strangfläche zur Bildung einer Isolierschicht führt, die die normalen Wärmeübergangsrate auf etwa ein Zehntel verringern kann. Beim Einsatz des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung während der Anfangsstadien eines Vertikal-Stranggießvorgangs erreicht man also eine Verringerung der Wölbung und - zu einem gewissen Grad - der Schwellung am Strangende.

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Um die Strangschwellung wesentlich zu verringern, kann man eine isolierende Zwischenlage 36 - typischerweise eine Keramikfaserdecke oder dergl. - als Abdeckung von vorzugsweise mindestens 5o bis 60 % der Stirnfläche 38 des Strängendes verwenden, um die Wärmeverluste durch die Platte 18 zu verringern. Es ist einzusehen, daß diese Zwischenlage nicht in Berührung mit der Stirnfläche 38 des Strangs bleibt und nicht einwandfrei arbeiten kann, wenn die Wölbung der Stirnfläche zu stark ist. Das gelöste Gas zum Abschwächen der Wölbung ergänzt daher die Verwendung einer isolierenden Zwischenlage 36 zum Abschwächen der Schwellung.

Es ist für den Fachmann einzusehen, daß die in der vergrößerten Querschnittsdarstellung der Fig. 5 gezeigte isolierende Zwischenschicht 34 sich fortwährend selbst erneuert. Die der Strangoberfläche zugeführte Wassermenge ist zu groß, um erwarten zu können, daß die Isolierschicht von der Strömung unbeeinflußt bleibt. Es muß daher damit gerechnet werden, daß die isolierende Gasschicht 34 fortwährend abgebaut wird, aber im wesentlichen sofort von dem in zuströmenden Wasser enthaltenen und freigesetzten Gas ersetzt wird. Die Gasteilchen fol-

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gen dabei dem Weg des geringsten Widerstandes, so daß ein größerer Teil der Gasteilchen automatisch aus dem System ausgewaschen wird. Gasteilchen neigen aber dazu, an einer Oberfläche zu haften; aus diesem Grund liegt immer eine gleichmäßige Schicht 34 aus Gasteilchen auf der Strangoberfläche, so lange Gas im Kühlmittel gelöst wird.

Wenn man die Verformungen des Strangendes gering halten will, muß man die Kühlwirkung des direkten aufgebrachten Kühlmittels während der Anfangsstadien des Stranggießvorgangs verlangsamen. Dies läßt sich erreichen, indem

man bspw. o,oo46 bis o,ol42 m/s (Io - 3o SCFM) Kohlendioxid im Kühlwasser löst. Gewöhnlich ist die isolierende Gasschicht 34 nicht mehr erforderlich, nach dem etwa 5o bis loo mm (2 bis 4 in.) Stranglänge aus der Kokille ausgetreten sind. Um die Isolierschicht 34 zum Verschwinden zu bringen, braucht man nur die Gasströmung zu sperren. Vorzugsweise erfolgt dieses Absperren allmählich, damit der Wärmeübergang zum Kühlmittel allmählich steigt und damit ein Ungleichgewicht im Kühlsystem insgesamt vermieden

wxrd. Eine typische Gaszufuhrrate von o,olo4 m/s (22 SCFM) Kohlendioxid . in etwa 946 Litern (25o gallons) Wasser pro Minute wird vorzugsweise über einen Zeitraum von etwa

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zwei Minuten auf null zurückgenommen. Nach weniger als etwa 25o mm (Io in.) Austrittslänge des Strangs, d.h.
im Anfangsstadium des Gießvorgangs, wird dann im wesentlichen kein Gas mehr im Kühlmittel gelöst.

Der Druck, die Richtung und die Geschwindigkeit der
Strömung des flüssigen Kühlmittels bleiben während des Gießvorgangs unverändert. Das Kühlwasser, ob es gelöstes Gas enthält oder nicht, wird gleichmäßig auf die Außenflächen des Strangs gegeben, ohne die Gestalt der Wasserdecke 3o auf dem Strang 16 zu ändern. Diese Gleichmäßigkeit ist nicht nur sehr wirtschaftlich," sondern
fördert auch gleichmäßige thermische Erstarrungsmuster und verbessert so die Stranggüte.

Die Erfindung soll mit den folgenden Beispielen weiter erläutert werden.

Beispiel 1

Ein Strang wurde in einer vertikalen rechteckigen wassergekühlten Aluminiumkokille mit einer Breite von
1498,6 mm (59 in.) und einer Dicke von 5o8,o mm (2o in.) hergestellt. Wasser mit einer Temperatur von etwa 7 Io C (45 - 5o F) wurde der Kokille und dem abwärtsvor-

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laufenden Strang in äner Menge von etwa 946 Litern (25o gallons) pro Minute während des gesamten Gießvorgangs zugeführt. Der Werkstoff war die Legierung 3oo3 (Aluminum Association). Die Schmelze wurde der Kokille mit einer Temperatur von etwa 7o4°C (l3oo°F) zugeführt und während des G^eßvorgangs eine niedrige Höhe von etwa 38 mm (1,5 in.) aufrechterhalten. Die Gießgeschwindigkeit betrug anfangs etwa 51 mm (2 in.) pro Minute bzw. für einen Strang dieser Größe 7258 kg (16ooo lbs.). Kohlenstoffdioxid wurde im Kühlwasser mit o,olo4 m /s (22 SCFM) gelöst; nach dem Austreten des Strangendes aus der Kokille in einer Länge von etwa 9o mm (3,5 in.) bzw. nach etwa zwei Minuten wurde die Kohlendioxidzufuhr über weitere zwei Minuten allmählich verringert. Nachdem der Strang etwa 19o mm weit (7,5 in.) aus der Kokille vorstand, entheilt das Kühlwasser im wesentlichen kein Kohlendioxid mehr. Die Arbeitsgießgeschwindigkeit wurde allmählich auf etwa 127 mm (5 in.) pro Minute bzw. etwa 14.515 kg (32.000 lbs.) pro Stunde erhöht. Wo die direkte Wasserkühlung des Strangs nicht verlangsamt wurde, hat man auf einem solchen Strang eine Vorwölbung der Stirnfläche von bis zu 114,3 ram (4,5 in.) gemessen. Im vorliegenden Beispiel betrug die Vorwölbung jedoch nur Io,o5 ram (ο,75 in.).

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Beispiel 2

Es wurde/iie gleiche Verfahrensweise wie im Bsp. 1 durchgeführt; die Kokille hatte aber eine Breite von 1676,4 mm (66 in.) und eine Dicke von 5o8 mm (2o in·). Stränge mit einem derart hohen Breite/Dicke-Verhältnis ließen sich ohne eine Verlangsamung der direkten Kühlung wegen der extrem starken Vorwölbung nicht mehr gießen. Im vorliegenden Beispiel ergab die verlangsamte Kühlung nach der vorliegenden Erfindung eine Vorwölbung von weniger als 51 mm (2 in.).

Beispiel 3

Es wurde das Verfahren des Bsp. 2 durchgeführt. Zusätzlich wurde eine isolierende Zwischenlage aus Keramikfaserma— terial auf der die Strangstirnfläche berührenden Platte angeordnet, um die Wärmeverluste über die Platte zu verringern. Diese Zwischenlage deckte etwa 6o % der Stirnfläche des gegossenen Strangs ab. Die Schwellung des Strangendes wurde auf diese Weise auf 6,35 bis 12,7 mm (o,25 bis o,5o in.) verringert. Ohne die isolierende Zwischenlage wurde an einem 5o8,o χ 1676,4 mm (2o χ 6o in.) großen Strang aus Al-Legierung 3oo3 eine Schwellung bis zu 38 mm (1,5 in.) gemessen.

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Zur Erläuterung wurden oben die bevorzugten Ausführungsformen der vorlxegenden Erfindung beschrieben. Es ist
für den Fachmann jedoch einzusehen, daß sich an den Einzelheiten zahlreiche Änderungen durchführen lassen, ohne die Erfindung zu verlassen. Bspw. tritt auch beim waagerechten Stranggießen nach der vorlxegenden Erfindung eine isolierende Gasschicht zwischen dem flüssigen Kühlmittel und der Außenfläche des Strangs auf, wie sie für einen
vertikal gegossenen Strang in Fig. 5 dargestellt ist.

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Claims

1BERLIN33 8MÜNCHEN80 Auguste-Viktoria-Straße 63 n DI1OPUI/C i DADTMCD PienzenauerstraBe Pat.-Anw.D^np.Ruschke Df.. RUSCHKE & PARTNER. ". pat..Adw.DipI..lng. Pat.-Anw.Dipl.-rng. PATFNTA N WÄLTF Hans E. Rus&ke SrSSS—»»«« β ERU N ΛΓο H C H I N 1"J- «·"*'"».« Telegramm-Adresse: . Telegramm-Adresse: Quadratur Berlin Quadratur München TELEX: 183786 TELEX : 5 22767 2309990 A 1754 Patentansprüche

1. Verfahren zum Stranggießen von Metallblöcken, nach dem einer Kokille kontinuierlich an ihrem Eintrittsende eine Metallschmelze zugeführt wird und an ihrem Austrittsende ein erstarrter bzw. teilweise erstarrter Block abgezogen wird, wobei Wärme vom aus dem Kokille austretenden Strang abgeführt wird, indem man ein flüssiges Kühlmittel auf die Strangoberfläche richtet, dadurch gekennzeichnet, daß man ·

(a) die Geschwindigkeit, mit der Wärme durch das flüssige Kühlmittel vom Strang abgeführt wird, über einen Teil der Blocklänge verlangsamt, indem man ein Gas in das flüssige Kühlmittel einmischt und das das Gas führende flüssige Kühlmittel in einer im wesentlichen kontinuierlichen flüssigen Phase auf diesen Teil der Blocklänge aufbringt, während er aus der Kokille austritt, und

(b) danach die Wärmeabführgeschwindigkeit für einen nachfolgenden Teil der Blocklänge erhöht, während dieser aus

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der Kokille austritt, indem man die Menge des in das auf den nachfolgenden Teil der Blocklänge gerichtete flüssige Kühlmittel eingemischten Gases verringert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch qekennzeichnet, daß es sich bei dem flüssigen Kühlmittel um Wasser handelt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch qekennzeichnet, daß es sich bei dem Metall um Aluminium, Magnesium oder deren Legierungen handelt.

4. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Gas in dem flüssigen Kühlmittel löst, bevor man dieses auf den Strang richtet, und daß das gelöste Gas die Lösung verläßt, wenn es auf den Strang gerichtet wird, um die Wärmeabfuhr durch das Kühlmittel zu verlangsamen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch qekennzeichnet, daß man das Gas unter Druck in dem flüssigen Kühlmittel löst und daß es die Lösung verläßt, wenn das Kühlmittel auf den Strang gerichtet wird und der Druck sinkt.

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6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Gas um ein lösliches Gas handelt, und jedes Gas sein kann, das unter Druck in dem flüssigen Kühlmittel löslich ist und bei einem Druckabfall aus der Lö·^ sung austritt.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die das unter Druck gelöste Gas enthaltende Flüssigkeit dazu verwendet wird, die Kokille zu kühlen, bevor man sie auf den Strang richtet.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas im wesentlichen in Lösung bleibt, während das Kühlmittel die Kokille kühlt.

9. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas mindestens eines der Gase Kohlendioxid, Luft und Stickstoff und vorzugsweise Kohlendioxid ist.

10. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 5o % des in das Kühlmittel eingemischten Gases sich im Kühlmittel lösen.

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11. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch qekennzeichnet, daß das Gas während der verlangsamten Wärmeabfuhr eine isolierende Gasschicht zwischen dem flüssigen Kühlmittel und dem Strang bildet.

12.Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch qekennzeichnet, daß die Verlangsamung der Wärmeabfuhr in Zuordnung zum Beginn des Gießvorgangs und dem Abzug des Strangs aus der Kokille erfolgt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch qekennzeichnet, daß man das Abziehen des Strangs einleitet, indem man von der Kokille einen Verschluß entfernt, der vorübergehend am austretenden Strang anlag, und daß der Wärmeabgang durch die Stirnfläche des Strangs durch eine isolierende Zwischenlage zwischen dem Verschluß und der Strangstirnfläche reduziert wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch qekennzeichnet,

daß die isolierende Zwischenlage mindestens 5o % der Stirnfläche bedeckt.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch qekenn*· zeichnet, daß die isolierende Zwischenlage aus Keramikfasermaterial besteht.

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16. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch qekennzeichnet, daß der Strang ein Breite/Dicke-Verhältnis
größer als eins hat.

17. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch qekennzeichnet, daß man den Strang während der verlangsamten Wärmeabfuhr langsamer und während: der schnelleren
Wärmeabfuhr schneller abzieht.

18. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch qekennzeichnet, daß der Zustrom des flüssigen Kühlmittels
während der Periode der verlangsamten und der Periode der
schnelleren Wärmeabfuhr im wesentlichen gleich bleibt.

19. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch qekennzeichnet, daß man in der Kokille während des gesamten Gießvorgangs eine verhältnismäßig konstante und verhältnismäßig geringe Metallhöhe von etwa 31,8 bis 44,5 ram (1,25
bis 1,75 in.) aufrechterhält.

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