DE2911541A1

DE2911541A1 - Verfahren und vorrichtung zum giessen von metallen

Info

Publication number: DE2911541A1
Application number: DE19792911541
Authority: DE
Inventors: Derek E Tyler; John C Yarwood; Ik Y Yun
Original assignee: Olin Corp
Current assignee: Olin Corp
Priority date: 1978-07-03
Filing date: 1979-03-23
Publication date: 1980-01-24
Also published as: IT1116454B; DE2911541C2; GB2024063B; SE7902470L; FR2430279B1; SE435816B; CA1123897A; GB2024063A; IT7948753A0; FR2430279A1

Description

"Verfahren und Vorrichtung zum Giessen von Metallen"

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum elektromagnetischen Giessen von Metallen und Legierungen, insbesondere von Schwermetallen und Legierungen wie beispielsweise Kupfer und Kupferlegierungen· Das elektromagnetische Gießverfahren ist seit Jahren zum kontinuierlichen und halbkontinuierlichen Gießen von Metallen und Legierungen bekannt. Das Verfahren wurde kommerziell zum Gießen von Aluminium und Aluminiumlegierungen angewandt.

Eine elektromagnetische Gießvorrichtung umfaßt eine dreiteilige Form, bestehend aus einem wassergekühlten Induktor, einem nicht-

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magnetischen Schirm und einer Leitung zum Aufbringen von Kühlwasser auf den Gußblock. Eine solche Vorrichtung ist in der US-Ps 3 467 166 erläutert worden. Ein Halten bzw. Umfassen des geschmolzenen Metalles wird ohne direkten Kontakt zwischen dem geschmolzenen Metall und einer Komponente der Form erzielt. Ein Erstarren des geschmolzenen Metalles wird durch direkte Anwendung von Wasser aus der Kühlleitung auf die Gußhaut bewirkt.

Die Kühlleitung kann das Wasser entgegen den Gußblock von oben, von innen oder von unten in Bezug auf den Induktor richten, wie dies in den US-PS 3 735 799 und 3 646 988 erläutert ist. Bei einigen bekannten Anordnungen ist der Induktor als Teil der Kühlleitung ausgebildet, so daß die Kühlleitung sowohl das Kühlen zum Erstarren des Gußstückes und zum Kühlen des Induktors bewirkt, wie dies in den US-PS 3 773 lol und 4 oo4 631 beschrieben ist. Der nichtmagnetische Schirm wird verwendet, um das Magnetfeld zum Aufnehmen des geschmolzenen Metalles zweckmässig auszubilden, wie dies in der US-PS 3 6o5 865 erläutert ist. In der US-PS 3 735 799 und 3 985 179 sind eine Vielzahl von Vorschlägen hinsichtlich nichtmagnetischer Schirme gemacht worden. Dabei wird in der US-Ps 3 985 179 die Verwendung eines geformten Induktors beschrieben, um das Feld zu formen. Ähnlich sind eine Vielzahl von Induktorausbildungen in den genannten Patentschriften und in der US-Ps 3 741 28o beschrieben.

Während in den obengenannten Patentschriften elektromagnetische Gießformen zum Gießen eines Stranges oder Blockes beschrieben

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sind, kann das Verfahren auch zum Gießen von mehr als einem Strang oder Block gleichzeitig angewandt werden, wie dies in der US-PS 3 7o2 155 erläutert ist. Zusätzlich ergibt sich eine weitere Beschreibung des elektromagnetischen Gießverfahrens aus den nachfolgenden Druckschriften: "Continuous Casting with Formation of Ingot by Electromagnetic Field", von P.P. Mochalov und Z.B. Getselev, Tsvetnye Met., August, 197o, 43, S. 62-63; "Formation of Ingot Surface During Continuous Casting" von G.A. Balakhontsev et al., Tsvetnye Met., August, 197ο, 43, S. 64-65; "Casting in an Electromagnetic Field" von Z.B. Getselev, J. Of Metals, Oktober, 1971, S. 38-59 und "Alusuisse Experience with Electromagnetic Moulds" von H.A. Meier, G.B. Leconte und A. M. Odok, Light Metals, 1977, S. 223-233.

In der US-PS 4 ol4 379 ist ein Steuersystem zum Steuern des Stromes beschrieben, der durch den Induktor in Ansprechen auf Abweichungen in den Abmessungen der Flüssigkeitszone (Schmelzmetallkopf) des Gußstückes von einem vorgeschriebenen Wert fließt.

Die Erfindung befaßt sich insbesondere mit einer Vorrichtung zum Aufbringen von Kühlwasser auf den Block zwecks Erstarrens. Es ist für elektromagnetisches Gießen bekannt, daß die Erstarrungsfront zwischen dem geschmolzenen Metall und dem erstarrenden Block an der Blockoberfläche innerhalb der zone hoher magnetischer Feldstärke gehalten werden soll. Die Erstarrungsfront sollte innerhalb des Indpktors liegen. Wenn die Erstarrungsfront sich oberhalb-des Jnduktors erstreckt, ist ein

Kaltfalten zu erwarten. Wenn andererseits sie unterhalb des Induktors zurückgeht, ist ein Ausfließen oder ein Dekantieren des flüssigen Metalles ähnlich zu erwarten.

Es ist beim Kokillengießen in Wasser gekühlter Form bekannt, eine Kühlmittelanordnung zu verwenden, wobei das Kühlwasser, das auf die Form und den Block aufgebracht wird, periodisch unterbrochen wird oder auf einer zyklischen Basis pulsierend ist. Durch Variieren des Verhältnisses von Wasser-"an" zu Wasser - *zu-Zeit kann eine gute Steuerung der Geschwindigkeit erzielt werden, mit welcher das Kühlmittel Hitze aus dem Block entfernt. Dieses pulsierende Kühlen ist in der US-PS 3 441 o79 und in einem Artikel "Direct Chili Casting Process for Aluminum Ingots A New Cooling Technique;, von N.B. Bryson, Canadian Metallurgical Quarterly, Vol. 7, No. 1, S. 55-59 beschrieben.

In der US-PS 3 467 166 ist die Kühlmittelaufbringleitung mit dem Schirmabschnitt der Form zugeordnet^und sie sind so angeordnet, daß sie sich in Bezug auf den Induktor gleichzeitig bewegen. Dies ist kein geeignetes System zum Einstellen der Wasserauftragebene, da die Bewegung der Kühlmittelleitung eine entsprechende Bewegung des Schirmes zur Folge hat, woraus sich eine unerwünschte Beeinflussung der Feldausbildung der Form ergibt und somit eine Modifikation des sich ergebenden Gußblockprofils. In der US-PS 3 646 988 ist eine bewegbare Leitung beschrieben, die unterhalb des Induktors angeordnet ist. Dieses

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System würde für hochleitende Legierungen geeignet sein, insbesondere bei Anwendung geringer Gießgeschwindigkeit. Jedoch schafft diese bekannte Vorrichtung eine minimale Trennung zwischen der Ebene der Wasseraufbringung und der Induktormittelebene, welche die Hälfte der Höhe des Induktors ist. Wenn diese Vorrichtung bei Kupferlegierungen massiger oder ziemlich geringer Leitfähigkeit angewendet würde, würde es zur zweckmässigen Lage der Ebene der Kühlmittelaufbringung erforderlich sein, eine unpraktisch geringe Induktorhöhe anzuwenden, wenn nicht maßgeblich geringe Gießgeschwindigkeiten angewandt würden.

Gemäß einem Verfahren und einer Vorrichtung der Erfindung wird die Lage der Erstarrungsfront an der Oberfläche des Blockes, welcher elektromagnetisch gegossen wird, eingestellt, indem die Kühlmittelaufbringung gesteuert wird, um die Geschwindigkeit zu variieren, mit welcher Hitze aus dem Block abgezogen wird. Dies wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung durch intermittierendes Ein- und Abschalten des Kühlmittelstromes ausgeführt, der auf die Oberfläche des Gußstückes aufgebracht wird. Gemäß einer anderen Ausführungsform wird die Kühlmittelzufuhr servogesteuert, um die Geschwindigkeit intermittierend zu ändern, um die Erstarrungsfront zweckmässig anzuordnen.

Gemäß einer weiteren Vorrichtung und einem weiteren Verfahren der Erfindung werden die obenerwähnten Nachteile überbrückt dureh Vorsehen einer Wasserkühleinrichtung, die einstellbar angeordnet werden kann, um die Erstarrungsfront an der Oberfläche des Guß-

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Stückes zu steuern, ohne sonst das Halteverfahren durch Modifikation des Magnetfeldes zu beeinflussen. Die Wasserkühleinrichtung gemäss Erfindung ist angeordnet, um den Wasserstrom auf die Oberfläche des Blockes aus einer Leitung zu richten, die im wesentlichen oberhalb des Induktors angeordnet ist und sich zwischen dem Induktor und dem nichtmagnetischen Schirm erstreckt. Die Leitung kann in einer Richtung axial zur Gießrichtung bewegt werden, um die Lage der Wasserauftreff-ebene einzustellen.

Demgemäß ist ein Gegenstand der Erfindung ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zum elektromagnetischen Gießen von Metallen und Legierungen.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern der Lage der Erstarrungsfront.

Diese und weitere Gegenstände ergeben sich aus der nachfolgenden Erläuterung der Erfindung an Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnung.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 schematisch eine elektromagnetische Gießvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine andere Ausführungsform einer elektromagnetischen

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Gießvorrichtung gemäss Erfindung.

In Fig. 1 ist eine elektromagnetische Gießvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt.

Die elektromagnetische Gießform Io umfaßt einen Induktor 11, der wassergekühlt ist, eine Kühlmittelleitung 12 zum Aufbringen von Kühlwasser auf die Umfangsflache 13 des gegossenen Metalles C und einen nichtmagnetischen Schirm 14. Geschmolzenes Metall wird kontinuierlich in die Form Io in normaler Weise eingeführt, wobei ein Trichter 15 und ein Abfallrohr 16 und eine herkömmliche Schmelzmetallkopfsteuerung verwendet werden.

Der Induktor 11 wird von einem Wechselstrom aus einer geeigneten Energiequelle (nicht gezeigt) erregt.

Der Wechselstrom in dem Induktor 11 schafft ein Magnetfeld, das mit dem Schmelzmetallkopf 19 zusammenwirkt, um daran Wirbelströme zu erzeugen. Diese Wirbelströme wirken ihrerseits mit dem Magnetfeld zusammen und erzeugen Kräfte, die einen Magnetdruck auf den Schmelzmetallkopf 19 ausüben, um ihn zu umgeben, so daß er in einen gewünschten Blockquerschnitt erstarrt.

Ein Luftspalt ist während des Gießens zwischen dem Schmelzmetallkopf 19 und dem Induktor 11 vorhanden. Der Kopf 19 wird zu der gleichen Form wie der Induktor 11 geformt oder gegossen, so daß der gewünschte Blockquerschnitt geschaffen wird. Der

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Induktor kann jede gewünschte Form einschließlich kreisförmig oder rechteckig wie erforderlich aufweisen, um den gewünschten Querschnitt des Gußstückes C zu erhalten.

Der Zweck des nichtmagnetischen Schirmes 14 besteht in der Feinabstimmung und dem Ausgleich des magnetischen Druckes mit dem hydrostatischen Druck des Schmelzmetallkopfes 19. Der nichtmagnetische Schirm 14 kann ein separates Element umfassen, wie dies gezeigt ist, oder er kann ein Teil der Leitung 12 zum Aufbringen des Kühlmittels sein, wenn dies gewünscht ist.

Anfänglich wird ein herkömmlicher Stempel 21 und ein Unterblock 22 in der magnetischen Haltezone der Form Io gehalten, um zu erlauben, daß das geschmolzene Metall in die Form zu Beginn des Gießvorganges gegossen wird. Der Stempel 21 und der Unterblock 22 werden dann gleichmässig mit einer gewünschten Gießgeschwindigkeit zurückgezogen.

Das Erstarren des geschmolzenen Metalles, das magnetisch in der Form Io gehalten wird, wird durch direktes Aufbringen von Wasser aus der Kühlleitung 12 auf die Blockoberfläche 13 erzielt. Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform wird das Wasser auf die Blockoberfläche 13 innerhalb der Grenzen des Induktors 11 aufgebracht. Das Wasser kann auf die Gußstückoberfläche 13 von oberhalb, innerhalb oder unterhalb des Induktors 11 aufgebracht werden, wie dies gewünscht ist.

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Die Erstarrungsfront 25 des Gußstückes umfaßt die Grenze zwischen dem Schmelzmetallkopf 19 und dem erstarrten Gußstück C. Es ist höchst wünschenswert, die Erstarrungsfront 25 an der Oberfläche 13 des Gußstückes C an oder in enger Nähe zu der Ebene maximaler magnetischer Flußdichte zu halten, die im allgemeinen die Ebene umfaßt, die durch die elektrische Mittellinie 26 des Induktors verläuft. Auf diese Weise wirkt magnetischer Druck maximalem hydrostatischem Druck des Schmelzmetallkopfes 19 entgegen. Hieraus ergibt sich eine höchst wirksame Anwendung von Energie,und die Möglichkeit von Kaltfalten oder Auslaufen wird reduziert.

Die Lage der Erstarrungsfront 25 an der Blockoberfläche 13 ergibt sich aus einer Balance des Wärmeeingangs von dem überhitzten flüssigen Metall 19 und dem Widerstandserhitzen seitens der induzierten Ströme in der Blockoberflächenschicht, wobei sich die longitudinale Hitzeextraktion aus der Kühlwasseranwendung ergibt. Die Lage der Front 25 kann durch Bezug auf ihre Höhe "d" oberhalb · der Lage der Kühlmittelaufbringebene 27 charakterisiert werden. Somit kann die Ebene 27 der Kühlwasseraufbringung bezogen werden auf die elektrische Mittellinie 26 des Induktors. Dieser Abstand d hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab. "d" nimmt ab mit Zunahme: latenter Erstarrungswärme der Legierung, welche gegossen wird, der spezifischen Wärme der Legierung, dem spezifischen Widerstand der Legierung, der Höhe des Schmelzmetallkopfes, der Induktorhöhe, der Schmelzüberhitzung, der Induktorstromamplitude, der Induktorstromfrequenz, der Gießgeschwindigkeit und mit abnehmender Legierungsleitfähigkeit und umgekehrt.

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Für eine gegebene Legierung sind die physikalischen Eigenschaften, latente Erstarrungswärme, spezifische Wärme, Wärmeleitfähigkeit und spezifischer Widerstand mehr oder weniger fixiert. Bei einem normalen elektromagnetischen Gießvorgang wird die Stromfrequenz des Induktors 11 innerhalb von Grenzen, die geometrische Anordnung des Induktors 11 und seine Höhe, die Höhe des Schmelzmetallkopfes 19 und die Stromamplitude des Induktors 11 festgelegt. Daraus ergibt sich, daß die einzig verbleibende Hauptsteuervariable, welche die Lage der Erstarrungsfront 25 an der Oberfläche 13 des Blockes Io beeinflußt, die Gießgeschwindigkeit ist. Demzufolge ist es notwendig, die Gießgeschwindigkeit einzustellen, um die Lage der Erstarrungsfront 25 auf die günstige Lage entsprechend der Ebene durch die Mittellinie 26 des Induktors 11
einzustellen. Jedoch begrenzen in der Praxis andere Faktoren wie beispielsweise Risse und Ausbildung unerwünschter grober Mikrostrukturen den Bereich von Gießgeschwindigkeiten, die angewandt werden können.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Problem des Haltens
der Erstarrungsfront in ihrer gewünschten Lage gelöst durch
Steuern der Geschwindigkeit, mit welcher Hitze von dem erstarrenden Gußstück abgezogen wird und/oder durch Einstellen der Ebene der Wasseraufbringung in Bezug .auf den Induktor. Hierdurch wird ein Einstellen der Lage der Erstarrungsfront 25 unabhängig von
der Gießqeschwindigkeit und den Legierungseigenschaften ermöglicht.

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In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist ein Solenoidventil 3o in das Einlaßrohr 31 zu der Kühlmittelleitung 12 eingesetzt. Das Solenoidventil 3o ist mit einem einstellbaren Zeitgeber 32 verbunden, welcher es intermittierend betätigt. Der Zeitgeber und das Solenoidventil 3o können ähnlich der Anordnung sein, wie sie in der US-Ps 3 441 o79 erläutert ist. Der Zeitgeber 32 und das Solenoidventil 3o gestatten eine diskontinuierliche Anwendung des Kühlmittels auf die Gußstückoberfläche 13, welche intermittierend hohe und reduzierte Wärmeübergangsniveaus schafft, die zu einer Gesamtreduzierung der Durchschnittsgeschwindigkeit der Wärmeentfernung aus dem erstarrenden Gußstück C führt, im Vergleich zu einem kontinuierlichen Strom. Dies hat die Wirkung einer Verzögerung des Erstarrungsbeginnes im Vergleich mit kontinuierlicher Anwendung eines Kühlmittels, somit wird die Lage der Erstarrungsfront 25 abgesenkt. Jede Änderung der Strömungsgeschwindigkeit der kontinuierlichen Wasseraufbringung beeinflußt die Lage der Erstarrungsfront 25 ohne Beeinflussung des elektromagnetischen Feldes.

Bei der Vorrichtung Io wird das Kühlmittel direkt auf die Oberfläche 13 des Gußstückes C gerichtet, das Gußstück kommt nie in den Kontakt mit dem Induktor 11 oder der Kühlmittelaufbringleitung 12. Demzufolge kann man durch Steuern der Perioden der Kühlmittelaufbringimpulse und der Dauer der Perioden zwischen Kühlmittelaufbringimpulsen wirksam die Geschwindigkeit der Wärmeabführung aus dem erstarrenden Gußstück regeln.

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Der Zeitgeber 32 umfaßt einen einstellbaren Zeitgeber herkömmlicher Ausbildung, der über Drähte 33 das elektrisch betätigbare Solenoidventil 3o in der Eingangsleitung 31 zu der Kühlmittelleitung 12 betätigen kann. Der Zeitgeber steuert nacheinander und wiederholend die Periode, in der das Ventil 3o offen ist und die Periode zwischen den Ventilöffnungen, wenn es geschlossen ist, um einen intermittierenden Betrieb des Ventiles zu schaffen, um so zu verursachen, daß das auf die Oberfläche 13 aufgebrachte Kühlmittel pulsierend ist. Die entsprechenden Perioden, wenn das Ventil geöffnet oder geschlossen ist, können gewünschtenfalls eingestellt werden, um die gewünschte Wärmeabzugsgeschwindigkeit zu erhalten, welche die Erstarrungsfront 25 in dem erstarrenden Gußstück C zweckmässig anordnet.

Alternativ kann gewünschtenfalls anstatt der Verwendung einer Ventilanordnung 3o nach der Ausführungsform Fig. 1 eine Anordnung verwendet werden, wobei der pulsierende Kühlmittelstrom durch intermittierendes Anwenden von zwei unterschiedlichen Kühlmittelstromhöhen geschaffen wird·. Unter Bezugnahme auf Fig. 2 kann dieses leicht durch Verwendung eines Servo-gesteuerten Ventiles 4o in der Eingangsleitung 41 der Leitung 42 und eines herkömmlichen Servoverstärkers und Reglers 43 durchgeführt werden, um die Betätigung des Ventiles 4o über seinen Betätigungsbereich zwischen vollständig geöffneten und vollständig geschlossenen Lagen einstellbar zu steuern. Normalerweise erfolgen solche Steuerungen für pulsierendes Kühlen zwischen Ventillagen, die zwischen der voll geöffneten und voll geschlossenen Lage liegen.

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Der Servoverstärker und Regler 43 betätigen das Ventil 4o, um einen pulsierenden Ausgang zwischen zwei verschiedenen Niveaus an Kühlmittelströmung zu schaffen. Das Ventil 4o kann schnell zwischen seinen entsprechenden Lagen hohen und niedrigen Kühlmittelstromes geschaltet werden. Die entsprechenden Perioden schneller und langsamer Strömung können gewünschtenfalls eingestellt werden, indem der Servoverstärker 43 eingestellt wird, um die gewünschte Wärmeübergangsgeschwindigkeit zu schaffen und die Erstarrungsfront 25 geeignet anzuordnen.

Demzufolge ist gemäß Erfindung eine Einrichtung zum Steuern der Lage der Erstarrungsfront 25 während des elektromagnetischen Gießens vorgesehen, welche das Einstellen der Kühlmittelaufbringeinrichtung 12 oder 42 umfaßt, um erhöhte oder reduzierte Wärmeabzugsgeschwindigkeiten aus dem Gußstück C zu schaffen, um die axiale Lage der Erstarrungsfront entsprechend anzuheben oder abzulenken. Dies wird durch eine Anzahl von Mitteln durchgeführt, die das intermittierende pulsierende Aufbringen von Kühlmittel umfassen, oder die Strömungsgeschwindigkeit des pulsierenden Kühlmittels wird intermittierend geändert.

Die tatsächliche Einstellung der entsprechenden Perioden der An-/Ausstellung des Ventiles 3o oder der Perioden hohen oder geringen Stromes des Ventils 4o erfolgt normalerweise vor dem Gießbeginn. Jedoch kann das Einstellen gewünschtenfalls während des Gießens erfolgen, um eine falsche Lage der Erstarrungsfront 25 zu korrigieren..

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Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist es auch möglich, in Verbindung mit oder anstelle des Steuersystems 3o oder 4o für die Lage der Erstarrungsfront 25 nach der ersten Ausführungsform ein Steuersystem 5o für die Lage der Erstarrungsfront gemäß einer anderen Ausführungsform zu verwenden, wie dies nachfolgend beschrieben wird. Die Verwendung beider Systeme in Verbindung schaffen einen breiteren Einstellbereich und eine Erhöhung der Einstellempfindlichkeit.

Gemäß der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist die Kühlmittelleitung 42 oberhalb des Induktors angeordnet und umfaßt wenigstens einen Abgabedurchgang 51, um das Kühlmittel gegen die Oberfläche 13 des Blockes oder des Gußstückes C zu richten. Der Abgabedurchgang 51 kann einen Schlitz oder eine Vielzahl von Löcher umfassen, um das Kühlmittel gegen die Oberfläche 13 des Gußstückes C um den gesamten Umfang dieser Oberfläche zu richten.

Um eine Einrichtung zusätzlich oder anstelle der Impulskühlung zum Steuern der Erstarrungsfront 25 an der Oberfläche 13 des Blockes C ohne Beeinflussen des Haltens des geschmolzenen Metalles durch Modifikation des Magnetfeldes zu schaffen, ist die Kühlmittelleitung 42 mit dem Abgabedurchgang 51 axial zum Gußstück C bewegbar angeordnet. Die Kühlmittelleitung 42, der Induktor 11 und der nichtmagnetische Schirm 14 sind alle koaxial um die Längsachse 52 des Gußstückes C angeordnet. Bei der gezeigten bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Kühlmittelleitung 42 einen erstreckten Abschnitt 53, welcher an seinem

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freien Ende den Abgabedurchgang 51 einschließt. Der erstreckte Abschnitt 53 der Kühlmittelleitung 42 ist zwischen dem nichtmagnetischen Schirm 14 und dem Induktor 11 in der Richtung bewegbar, welche von der Achse des Gußstückes C bestimmt ist.

Der Induktor 11 und der nichtmagnetische Schirm 14 sind durch herkömmliche Mittel (nicht gezeigt) gestützt. Die Kühlmittelleitung 42 ist zwecks Bewegung unabhängig von dem Induktor 11 und dem nichtmagnetischen Schirm 14 gestützt, so daß die Lage des Abgabedurchganges 51 axial zum Gußstück eingestellt werden kann, ohne gleichzeitige Bewegung des nichtmagnetischen Schirmes 14 oder des Induktors 11. Dies ist ein beträchtlicher Unterschied von den bekannten Anordnungen, bei denen der nichtmagnetische Schirm 14 von der Kühlmittelleitung 12 getragen ist und beide gleichzeitig axial bewegbar sind.

Durch Bewegen des Abgabedurchganges 51 der Kühlmittelleitung, unabhängig von dem nichtmagnetischen Schirm 14 gemäss Erfindung, ist es möglich, die Lage der Erstarrungsfront 25 einzustellen, ohne das magnetische Begrenzungsfeld zu modifizieren. Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist der Abgabedurchgang 51 axial zwischen dem nichtmagnetischen Schirm 14 und dem Induktor 11 bewegbar angeordnet, wie dies durch die gestrichelte Linie 62 angedeutet ist.

Ein anderes Merkmal dieser Ausführungsform besteht darin, daß die Kühlmittelleitung oder wenigstens der Teil der Leitung, wel-

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eher in das magnetische Feld eintritt, aus einem Material hergestellt ist, welches das Magnetfeld nicht ändert. Vorzugsweise ist er aus einem nichtleitenden Material wie beispielsweise Kunststoff- oder Harzmaterialien einschließlich Phenolen gebildet

Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform umfaßt die Kühlmittelleitung 42 drei Kammern 54, 55 und 56. Das Kühlmittel tritt in die Leitung 42 in die erste Kammer 54 ein. Ein Schlitz oder eine Vielzahl von Öffnungen 57 in der Wand 58 zwischen der ersten Kammer 54 und der zweiten Kammer 55 dient dazu, um die Gleichförmigkeit der Verteilung des Kühlmittels in der Leitung 42 zu erhöhen. Ähnlich erhöhen die Schlitze oder Öffnungen 59 zwischen der zweiten Kammer 55 und der dritten Kammer 56 die Gleichförmigkeit der Verteilung des Kühlmittels in der Leitung 42. Das Kühlmittel wird aus der sich axial erstreckenden dritten Kammer 56 durch den Abgabedurchgang 51 abgegeben. Die Leitung 42, welche die dritte Kammer 56 umfaßt, ist längs sich vertikal erstreckender Schienen 6o bewegbar angeordnet, so daß der Abschnitt 53 der Leitung zwischen dem Induktor 11 und dem Schirm 14 längs des in gestrichelten Linien gezeigten Weges 62 bewegt werden kann.

Eine axiale Einstellung der Lage des Abgabedurchganges 51 wird mit Hilfe von Kurbelrädern 63 geschaffen, die an Spindeln 64 angeordnet sind. Die Spindeln sind drehbar in der Leitung 42 an einem Ende befestigt und in Schraubeingriff mit Stützblöcken 65 gehalten, die an den Schienen 6o angeordnet sind. Auf diese Weise wird durch Drehen der Kurbelräder 63 in einer Richtung oder de anderen die Leitung 42 und der Abgabedurchgang 51 axial

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aufwärts oder abwärts bewegt.

Das Kühlmittel wird gegen die Oberfläche des Gußstückes in der Richtung abgegeben, die durch Pfeile 66 angezeigt ist, um die Ebene des Kühlmittelaufbringens zu bestimmen. Durch Bewegen des Abgabedurchganges 51 aufwärts oder abwärts in der beschriebenen Weise wird ebenfalls die Ebene 27 der Kühlmittelaufbringung abwärts oder aufwärts in Bezug auf die Mittellinie 26 des Induktors 11 bewegt, um somit den Abstand "d" zu verändern.

Kupferlegierungsstränge werden typischerweise mit Querschnitten von 15,2 χ 76 cm mit Geschwindigkeiten von 12,7 bis 2o,3 cm/Min, gegossen. In diesem begrenzten Geschwindigkeitsbereich wurden die bevorzugten und die am meisten bevorzugten Wasseraufbringzonen für drei gemeinsame Kupferlegierungen wie folgt errechnet:

Tabelle I Errechnete Kühlwasseraufbringzone

Legierung
C 11000
C 2 6000
C 51000

Bevorzugt - 12 , 7 mm ;

0 —; + 9,5 mm ■

Am meisten bevorzugt

- 50,8 mm - 19 mm > - 50,8 mm

- 31,7 ram -6,3 mm —> - 2 5,4 mm

- 19 mm + 3,2 mm —$> - 12,7 mm

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Die in Tabelle I wiedergegebenen Messungen gelten für den Abstand von der Mittellinie des Induktors zu der Ebene des Kühlmittelauf br ingens. Die Werte sind negativ oder positiv in Abhängigkeit davon, ob die Ebene des Kuhlmittelaufbringens oberhalb oder unterhalb der Mittellinie des Induktors liegt.

Während es gemäß dieser Ausführungsform bevorzugt ist, die gesamte Leitung 42 aus einem nichtleitenden Material herzustellen, kann man gewünschtenfalls lediglich den Teil der Leitung 42, der mit dem Magnetfeld zusammenwirkt, aus dem nichtleitenden Material herstellen, während andere Materialien wie beispielsweise Metalle für den verbleibenden Abschnitt der Leitung 42 verwendet werden. Beispielsweise braucht gewünschtenfalls nur die Kammer aus einem nichtleitenden Material zu bestehen, wogegen die Kammern 54 und 55 aus jedem gewünschten Material hergestellt werden können. Die Kammer 56 wird dann auf herkömmliche Weise mit den Kammern 54 und 55 verbunden. Demzufolge ist es gemäß Erfindung nur notwendig, daß der Abschnitt der Kühlmittelaufbringeinrichtung, der mit dem Magnetfeld zusammenwirkt, aus einem nichtleitenden Material hergestellt wird.

Das Verfahren zum kontinuierlichen oder halbkontinuierlichen Vergießen von Metallen und Legierungen gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung umfaßt das axiale Einstellen der Lage der Leitung 42 und insbesondere des darin vorgesehenen Abgabedurchganges 51 vor Gießbeginn, um die Erstarrungsfront 25 in einer zweckmässigen Axiallage für die zu vergießende Legierung an-

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zuordnen. Es ist bevorzugt, daß diese Einstellung vor Beginn des Gießens erfolgt. Jedoch kann die Einstellung während des Gießens verfeinert werden. Der Abgabedurchgang 51 muß unabhängig vom Induktor 11 und Schirm 14 bewegt werden, so daß seine Lageänderung nicht das Magnetfeld oder das Halteverfahren beeinflußt.

Es ergibt sich aus der Beschreibung, daß im Vergleich mit dem Kühlen mit einem kontinuierlichen vollen Strom ein pulsierendes Kühlen lediglich wirksam ist, um die Erstarrungsfront 25 abzusenken. Jedoch sollte es in Übereinstimmung mit der Erfindung, wenn mit.Impulskühlen innerhalb der Bereiche der Perioden der kuhlmittelanwendung oder Nichtanwendung oder der Perioden hoher oder geringer Strömung gearbeitet wird, es möglich sein, die Erstarrungsfront über einen Bereich anzuheben oder abzusenken, wobei die höchste Lage diejenige umfaßt, welche der nichtpulsierenden Anwendung des Kühlmittels entspricht. Die Ausführungsform nach Fig. 2 ist demzufolge besonders geeignet, um den Einstellbereich zu erhöhen, während pulsierende Kühlmittelanwendung erfolgt. Wenn es notwendig ist, die Erstarrungsfront oberhalb einer Maximalebene, erzielbar durch Einstellung der pulsierenden Kühlu-ng anzuheben, kann dies durch Anheben der Lage durchgeführt werden, in welcher das Kühlmittel auf die Gußstückoberfläche aufgebracht wird.

In Bezug auf die Ausführungsform, bei welcher das pulsierende Kühlmittel Perioden hoher und niedriger Kühlmittelströmung umfaßt, ist es bevorzugt, daß die untere Strömungsgeschwindigkeit so

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ausgewählt wird, daß ein Dampffilm erzeugt wird, welcher die Wirkung einer merklichen Reduzierung der Wärmeübergangsgeschwindigkeit hat. Diese Ausführungsform der Erfindung ist besonders bevorzugt, weil sie weniger abrupte Änderungen des Wärmeüberganges an der Blockoberfläche auf Grund der Dampffilmausbildung schafft. Bei solchem hohen/niedrigen pulsierenden Strom erfolgt ein Wärmeübergang bei den hohen Strömungsperioden durch Nuklearsieden (nucleant boiling), wogegen bei Perioden geringer Strömung der Wärmeübergang durch Filmsieden erfolgt. Hierdurch werden bemerkenswerte Unterschiede beim Wärmeübergang zwischen Impulsen hoher Strömung und geringer Strömung geschaffen, so daß eine Änderung der Geschwindigkeit des Wärmeabzuges erlaubt wird, wie dies oben beschrieben ist, um die Lage der Erstarrungsfront 25 zu steuern.

Die tatsächlichen Strömungsgeschwindigkeiten des Kühlmittels bei jeder der Ausführungsformen mit pulsierender Kühlung können gewünschtenfalls eingestellt werden. Sie sind eine Funktion einer Vielzahl von Variablen einschließlich'der Legierungszusammensetzung, latenter Wärme.der Erstarrung der gegossenen Legierung, der spezifischen Wärme der Legierung, der Schmelzüberhitzung, Gießgeschwindigkeit usw.

Das Verfahren und die Vorrichtung gemäss Erfindung sind besonders geeignet für das kontinuierliche und halbkontinuierliche· Gießen von Metallen und Legierungen. In Bezug auf die Details der Vorrichtung und des Verfahrens von elektromagnetischem Giessen wird auf die obengenannten Vorveröffentlichungen Bezug genommen.

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Während die Erfindung in Verbindung mit Kupfer und Kupferlegierungen beschrieben worden ist, sei hervorgehoben, daß das Verfahren und die Vorrichtung auch für einen weiten Bereich von Metallen und Legierungen einschließlich Nickel und Nickellegierungen, Stahl und Stahllegierungen, Aluminium und Aluminiumlegierungen u.dgl. angewandt werden können.

Es lassen, sieh zweckmässige Modifikationen und Änderungen den beschriebenen Ausführungsformen vornehmen, ohne sich jedoch dabei vom Kern der Erfindung zu entfernen.

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Claims

unsere Akte: O 4 5o/Ro/He

OLIN CORPORATION, 427 North Shamrock Street, East Alton,

Illinois 62o24 /USA

Patentansprüche

1. Vorrichtung zum kontinuierlichen oder halbkontinuierlichen Giessen von Metallen, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum elektromagnetischen Formen von geschmolzenem Metall in ein gewünschtes Gußstück und eine Einrichtung zum Aufbringen eines Kühlmittels auf dieses Gußstück, um das geschmolzene Metall erstarren zu lassen und durch eine Einrichtung zum Steuern der Lage einer Erstarrungsfront an einer Oberfläche dieses Gußstückes, wobei diese Einrichtung Mittel umfaßt, die der Kühlmittelanwendungs-Einrichtung zugeordnet sind, um einen pulsierenden Kühlmittelstrom zwecks Aufbringens auf das Gußstück zu schaffen.

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ρ

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der pulsierende Kühlmittelstrom intermittierende Kühlmittelstromperioden umfaßt, wobei dazwischen Perioden keines Kühlmittelstromes liegen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der pulsierende Kühlmittelstrom intermittierende Kühlmittelstromperioden bei einer ersten Strömungsgeschwindigkeit umfaßt, wobei Perioden des Kühlmittelstromes bei einer zweiten Strömungsgeschwindigkeit unterschiedlich von der ersten Geschwindigkeit zwischen diesen Perioden des Stromes mit der ersten Geschwindigkeit vorhanden sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Schaffen eines pulsierenden Kühlmittelstromes ein elektrisch betätigbares Ventil, welches den Kühlmittelstrom steuern kann, um den pulsierenden Strom zu schaffen, und eine Einrichtung umfaßt, die mit dem Ventil verbunden ist, um das Ventil intermittierend zwecks Schaffens des pulsierenden Stromes zu betätigen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Steuern der Lage der Erstarrungsfront eine Einrichtung zum Ändern der Lage dieser Einrichtung zum Anwenden des Kühlmittels .umfaßt, um die Lage an dem Gußstück zu ändern, in welcher das Kühlmittel aufgebracht wird.

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6. Verfahren zum kontinuierlichen oder halbkontinuierlichen Gießen von Metallen, dadurch gekennzeichnet, daß geschmolzenes Metall in ein gewünschtes Gußstück elektromagnetisch geformt wird, daß Kühlmittel auf das Gußstück aufgebracht wird, um das erschmolzene Metall erstarren zu lassen, und daß die Lage einer Erstarrungsfront an einer Oberfläche des Gußstückes gesteuert wird, wobei dieses Steuern das Vorsehen eines pulsierenden Kühlmittelstromes zum Aufbringen auf das Gußstück umfaßt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der pulsierende Kühlmittelstrom intermittierende Perioden eines Kühlmittelstromes mit dazwischen liegenden Perioden keines Kühlmittelstromes umfaßt.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der pulsierende Kühlmittelstrom intermittierende Perioden eines Kühlmittelstromes mit einer ersten Strömungsgeschwindigkeit umfaßt, wobei Perioden des Kühlmittelstromes bei einer zweiten Strömungsgeschwindigkeit unterschiedlich von der ersten Geschwindigkeit zwischen den Perioden des Stromes bei dieser Geschwindigkeit vorhanden sind.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuern der Lage der Erstarrungsfront das Ändern der Lage an dem

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Gußstück umfaßt, bei welcher das Kühlmittel auf das Gußstück aufgebracht wird.

lo. Vorrichtung zum kontinuierlichen oder halbkontinuierlichen Gießen von Metallen, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum elektromagnetischen Halten von geschmolzenem Metall und zum Formen dieses geschmolzenen Metalles in ein gewünschtes Gußstück, wobei diese elektromagnetisch haltende und bildende Einrichtung einen Induktor zum Anwenden eines Magnetfeldes für das geschmolzene Metall umfaßt, durch eine Einrichtung zum Aufbringen eines Kühlmittels auf den Gußkörper zum Erstarren des geschmolzenen Metalles, wobei diese Kühlmittelaufbringeinrichtung eine Leitung oberhalb des Induktors und wenigstens einen Kühlmittelauslaßdurchgang umfaßt, der mit der Leitung verbunden ist, um das Kühlmittel gegen das Gußstück zu richten, wobei der Induktor und die Kühlmittelaufbringeinrichtung koaxial um eine Achse des Gußstückes angeordnet sind, welche eine gewünschte Axialrichtung begrenzt, durch eine Einrichtung zum Steuern der Lage einer Erstarrungsfront in der Axialrichtung an einer Oberfläche des Gußstückes, welche Mittel zum einstellbaren Stützen des wenigstens einen Kühlmittelauslaßdurchganges zum Bewegen in einer Axialrichtung unabhängig von der elektromagnetischen Halte- und Formeinrichtung umfaßt, so daß die Lage, bei welcher das Kühlmittel auf die Oberfläche des Gußstückes aufgebracht wird, eingestellt werden kann, um die Lage der Erstarrungsfront ohne Modifizierung des Magnetfeldes zu steuern.

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11. Vorrichtung nach Anspruch lo, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Abschnitt der Leitung, die mit dem Magnetfeld zusammenwirken könnte, aus einem Material gebildet ist, welches dieses Feld nicht wesentlich modifiziert.

12. Verfahren zum kontinuierlichen und halbkontinuierlichen Gießen von Metallen, dadurch gekennzeichnet, daß das geschmolzene Metall elektromagnetisch gehalten und in einen gewünschten Gußstrang geformt wird, daß ein Induktor zum Aufbringen eines Magnetfeldes auf das geschmolzene Metall vorgesehen ist und ein nichtmagnetischer Schirm zum Formen dieses Magnetfeldes geschaffen wird, daß dieses geformte Magnetfeld auf das geschmolzene Metall aufgebracht wird, daß ein Kühlmittel auf das Gußstück zum Erstarren des geschmolzenen Metalles aufgebracht wird, wobei ein Kühlmittelauslaßdurchgang geschaffen wird, um das Kühlmittel gegen den Gußstrang zu richten, und daß die Lage einer Erstarrungsfront an einer Oberfläche des Gußstranges gesteuert wird, wobei diese Steuerstufe das Einstellen der Lage des Kuhlmittelauslaßdurchganges umfaßt, ohne wesentlich das Magnetfeld zu verändern, in^dem der Auslaßdurchgang zwischen dem nichtmagnetischen Schirm und dem Induktor unerschwinglich hierzu bewegt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaßdurchgang aus einem Material gebildet wird, welches nicht wesentlich mit dem Magnetfeld zusammenwirkt.

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ORiGiNAL INSPECTED