DE2914551C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Gießen von Hohlblöcken aus Stahl - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Gießen von Hohlblöcken aus StahlInfo
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Classifications
-
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Description
ί 0,044α I) f 0,14« _ l\
[2 + 0.5« 100J = = [2 + 0,2« 1500]
Feuerfestmaterials, α den Quotienten TfR und k die
Wärmeleitfähigkeit (kcal/m - h - °C) des Feuerfestmaterials bezeichnen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4r dadurch
gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Verstärkungsrippen (15) vorgesehen sind, welche die Innenfläche
des inneren Stahlrohres (10) in radialer Richtung verbinden. ■- "~
6. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch
gekennzeichnet, daß bei einer Dicke; (cm) des mittleren Stahlrohres (7) von einem Innenradtüs R (cm) des
mittleren Stahlrohres, einer Höhe H (m) des zu erzeugenden Stahlblockes und einer Gesamtquerschnittsfläche
S (cm2) des Gassirömungspfades (4) zwischen dem mittleren und dem inneren Stahlrohr (10) sowie
einer Anzahl η (/i^2) von Verstärkungsrippen (15)
innerhalb des Kühlgasströmungspfades eine der folgenden
drei Gleichungen (1), (2) und (3) erOillt ist
7. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4. dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Dicke / (cm) des mittleren
Stahlrohres (7). einem Innenradius R (cm) des mittleren Stahlrokies. einer Höhe H (cm) des zu erzeugenden
Stahlblockes und einer Gesamtquerschnittsfiäche S (cm2) des Gasstromungspfades (4)
zum Kühlen des Kerns (3) und ohne Versteifungsrippen (15) eine der folgenden drei Gleichungen (1). (2)
und (3) erfüllt ist
/ £0,020 H'3 ■ R
ι ^0,030[///(η2-1)]Ι;3·Λ
ί ^0,0047 HR
5^5,9 HR
ί ^0,0047 HR
5^5,9 HR
ι £0.0047 HR
Sä 5,9 HR
Sä 5,9 HR
8. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4. dadurch gekennzeichnet, daß das körnigr Feuerfestmaterial
(8) Furan- oder Urethanharz sowie wenigstens einen der folgenden Sande, nämlich /yuarzsanci. Zirkon-
und Chromitsand enthält.
(1) so
h) gilt, wenn der Innenrudius (R) des Stahlblockes
0.5 bis 1,0m beträgt:
(2)
, ■ v.. ■-..· ■ I n £ ί 0,42α
* 12+ÖÄT TÖÖJ -D- [2 + 0:2« I5OO{
55
60
c) beieinemlnnenradius(/?)von 1.0bis2,0mgilt:
°Jto— ' 1<D<J0·84" - -Ll
2 + 0.5« lÖOj= = |2"+0.2« T500J
(3),
und in den Gleichungen (I). (2) und (3) Tdie Wanddicke (/») des Stahlblockes. D die Dicke im) des
Die Erfindung geht aus von einem im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen bekannten Verfahren (DE-PS
692432). Bei diesem bekannten Verfahren wird ein Kern verwendet, der aus einem äußeren Blechzylinder und einem
in diesem Blechzylinder angeordneten Körper besteht, wobei der Durchmesser dieses Körpers um so viel
geringer ist als der Innendurchmesser des Blechzylinders, daß ein aus flüssigem Blei oder dergleichen bestehender
Füllstoff in den Raum zwischen dem genannten Körper und der Innenwand des Blechzylinders vorgesehen sein
kann. Der genannte Körper, der aus einem Material mit verhältnismäßig hohem Schmelzpunkt besteht, weist eine
zentrale Bohrung auf, in die Mittel zur Wärmezu- oder abführung
eingesetzt sind.
Dieses bekannte Verfahren ist jedoch nicht imstande,
das Seigerungs- und Kristallisationsverhalten des vergossenen Stahlwerkstoffes bei seiner Erstarrung zu beeinflussen,
so daß insbesondere bei schweren Hohlblöcken mit Gewichten von mehr als 1001 mit großen Problemen
gerechnet werden muß. Aus der DE-OS 1944 149 ist ein Verfahren zum Gießen von Hohlblöcken bekannt, bei
welchem zentrisch in die Gießform ein Metallrohr eingesetzt wird, dessen Innendurchmesser dem Innendurchmesser
des herzustellenden Hohlblockes entspricht, wobei dieses Metallrohr nach dem Erstarren des- vergossenen
Materials im erhaltenen Gußblock verbleibt. Durch das eingesetzte Metallrohr wird ein Kühlgas hindurchgeleitet.
Der Nachteil dieses bekannten Verfahrens ist in erster
Linie darin zu sehrn, daß die Außenseite des^eingesetzten
Metallrohres beim Gießen mit dem übrigen Blockmaterial verschweißt und zu einem Teil des Blockes wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen
Gattung so auszubilden, daß das Seigenmgs- und Kristallisa ;ionsverhalten des vergossenen Materials bei seiner
Erstarrung beeinflußt werden kann. Ferner verfolgt die Erfindung das Ziel, eine Vorrichtung zum Durchführen
des erfindungsgemäßen Verfahrens anzugeben.
Die vorstehende Aufgabe wird bei einem Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gatiung
durch die im KersRzeichenteU des Anspruchs 1 angegebenen
Maßnahmen gelöst.
Der mit Hilfe der Erfindung erzielbare technische Fortschritt ergibt sich insbesondere dadurch, daB im Zusammenwirken
mit dem hohlzylindrischen Feuerfestkörper und dem zu Kühlungszwecken verwendeten Gasstrom,
die Kühlungsbedingungen für die Kerninnenfläche in der gewünschten Weise beeinflußt werden können,
so daß das Erstarrungs-, Seigerungs- und Kristallisationsverhalten
der vergossenen Stahlschmelze gesteuert werden kann.
Die im Rahmen dieser Erfindung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehene Vorrichtung
ist im Anspruch 3 angegeben.
Weitere Vorteile und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles
und unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben. In dieser zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform
der Gießvorrichtung nach der Erfindung.
Fig. 2 einen Detail-Längsschnitt durch die Vorrichtung, wobei der Kern und sein Kühlgas-Strömungspfad
dargestellt sind,
Fig. 3 einen Detail-Querschnitt durch eine andere Ausführungsform der erfindungsgeiviäßen Gießvorrichtung,
wobei radiale Versiärkungsrippen im Kern-Kühlgasströmungspfad
vorgesehen sind,
Fig. 4 eine schemaiische Darstellung zur Erläuterung
der Berechnung der Fonviel, die die Beziehung zwischen
dem endgültigen Erstarrungsgebiet der in die Vorrichtung eingebrachten Stahlschmelze und der Dicke des
Kerns erläutert.
Fig. 5 eine Darstellung einer beispielhaften Beziehung zwischen der Erstarrungs-Schlußposition x = d/T
des Stahls in der Gießform und dem Fehlerindex F der hergestellten Hohlblöcke,
Fig. 6 einen Längsschnitt durch den Durchmesser des Stahlblocks, der die Schluß-Erstarrungsposition eines
ZO-t-Hohlblocks und die Seigerungsausbildung gemäß C
in Beispiel 1 zeigt, und
Fig. 7 einen Längsschnitt durch den Durchmesser eines
45-t-Stahlblocks sowie die Seigerung gemäß C in
Beispiel 2.
Im folgenden * "irrten das erfindungsgemäße Verfahren
zum Herstellen v^n gegossenen Hohlblöcken sowie eine
zum Ausführen dieses V erfahrene geeignete Vorrichtung niich der Erfindung näher beschrieben.
Fi g. 1 zeigt einen Längsschnitt durch die Vorrichtung
zum Herstellen von gegossenen Hohlblöcken. Diese Vor-;
richtung umfaßt eine auf einem Gießgespann 1 ruhende;
Gießform oder Kokille 2, einen im Mittelbereich der Gießform 2 angeordneten Kern 3 sowie Gießöffnungen
14, die das Gießgespann 1 durchsetzen, um eine Stahlschmelze 9 in4ie Zwischenbereiche zwischen der Gießform
2 und dem Kern 3 zuzuführen. Der Kern 3 und ein von einer Vielzahl von Rohren gebildeter Gasströmungspfad
4 zum Kühlen der Kerninnenfläche sind am oberen Ende der Kokille 2 mit Hilfe einer Halterung 5 befestigt,
um nicht von der Schmelze angehoben zu werden.
Der Kem 2- umfaßt ein erstes, äußeres Stahlrohr 6,
welches zentrisch, d.h. in der senkrechten Achse der Gießform 2 angeordnet ist. Ein zweites, mittleres Stahlrohr
7 ist innerhalb des äußeren Stahlrohrs 6 konzentrisch zu demselben angeordnet und ein körniges Feuerfestmaterial
8, wie Formsand, ist in dem Raum zwischen dem äußeren und dem inneren Rohr vorgesehen, wohingegen
die Außenfläche des äußeren Stahlrohres 6 in direktem Kontakt mit der in die Gießfbr?·: 2 eingebrachten
Stahlschmelze 9 ist.
Der Strömungspfad 4 für das Kernkühlgas ist im Inneren des Kerns 3 vorgesehen und benutzt die Innenoberfläche
des mittleren Stahlrohrs 7 sowie ein drittes, inneres Stahlroh: 10. Im einzelnen ist ein Spalt 11 zwischen dem
unteren Ende des inneren dritten Stahlrohrs 10 und dem Gießgespann 1 ausgebildet. Das Kühlgas 12 für den K^m
wird von oben in das innere Stahlrohr 10 eingebracht, strömt durch dieses Stahlrohr 10 nach uaten, geht durch
den Spalt 11 zwischen dem dritten Stahlrohr 10 und dem
Gießgespann 1 und steigt sodann durch einen zwischen dem zweiten Stahlrohr 7 und dem dritten Stahlrohr 10
ausgebildeten Raum nach oben, um nach oben abgeführt zu werden. Auf diese Weise wird der Gasströmungspfad
4 zum Kühlen des Inneren des ersten Stahlrohres 6 gebildet.
Im folgenden sind die Probleme zusammengestellt, die
beim Erzeugen von gegossenen Hohlblöckcn mit Hilfe der erfindungsgeniäßen Vorrichtung gelöst werden müssen.
a) Die Dicke des ersten Stahlrohrs
b) Die Konstruktion des zweiten Stahlrohrs
c) Typ und Struktur des für den Kern verwendeten Feuerfestmaterials
d) Kühlungseinrichtungen für den Kern
e) Die Beziehung zwischen der Dicke des für den Kern
verwendeten Feuerfestmaterials und der Erstarrungsposition der Stahlschmelze.
Die Lösung der oben genannten Probleme ergibt sich aus der folgenden Beschreibung.
a) Die Dicke des ersten Stahlrohres
Da das als Kern 3 benutzte erste Stahlrofc' 6 in direktem
Kontakt mit der in die Kokille 2 eingebrachten Stahlschmelze steht, muß sie gegen Schmelzverluste beständig
sein. Demzufolge ist es vorteilhaft, ein kohlenstoffarmes Stahlrohr mit einem Schmelzpunkt zu benutzen, der
oberhalb der Temperatur der zu vergießenden Stahlschmelze 9 liegt. Außerdem muß das erste Stahhrohr 6 aus
der Oberfläche des hergestellten hohlen Gußblocks entfernt werden, wenn das Material während des Schmiedens
fünf bis zehn Stunden lang erwärmt wird. Die Beständigkeit gegen Schmelzverluste muß wie oben definiert
sein und daraus ergibt sich für das erste Stahlrohr 6 eine Dicke von 5 bis 20, vorzugsweise von 8 bis 10 mm.
b) Konstruktion des zweiten Stahlrohrs
Im Hinblick auf die durch das Kühlgas erziehe Kühlwirkung
ist für das zweite Stahlrohr 7 eine möglichst geringe Dicke anzustreben. Andererseits muß das Rohr
jedoch über eine ausreichende mechanische Festigkeit verfügen, um dem statischen Druck der Schmelze 9 gewachsen
zu sein und einem Zusammenbruch des Kerns vorztibeugen. Aus diesem Grunde ist es insbesondere bei
einer Gießvorrichtung zum Herstellen von großen gegossenen Hohlblöcken vorteilhaft, eine Vielzahl von Verstürkungsrippen
15 zwischen dem zweiten Stahlrohr 7 und dem dritten Stahlrohr 10 in radialer Richtung vorzusehen,
wie in Fig. 3 dargestellt. Die Anzahl der Verstärkungsrippen hängt von der Dicke des zweiten Stahlrohres
7 ab und wenigstens vier bis sechs Verstärkungsrippen sollten vorgesehen werden, wie in Fig. 3 dargestellt. Die
Verstürkungsrinnen 15 brauchen lediglich das zweite
Stahlrohr 7 und das dritte Stahlrohr 10 in radialer Richtung zu halten und deshalb brauchen diese Verstiirkungsrippen
nicht durch Schweißen o. dgl befestigt zu werden.
Von den Erfindern durchgeführte Versuche haben erbracht, daß die obere Temperaturgrenze für das zweite
Stahlrohr bei der Herstellung des gegossenen Hohlblockes bei 780° C liegt. Deshalb ist unter Zugrundelegung
einer Maximaltemperatur von 800° C die erforderliche Dicke des zweiten Stahlrohres 7. um den statischen
Druck der Stahlschmelze gewachsen zu sein, berechnet worden. Als Ergebnis wurde gefunden, daß zum Erzielen
der Dicke des zweiten Stahlrohres die folgenden Formeln (I) und (2) im Hinblick auf die Knickfestigkeil und die
folgende Formel (3) im Hinblick auf die Kompressionsfestigkeit erfüllt werden sollten.
/S0.030[W;(nJ-!)]'
(I) ι = 0.020 λ/1 Λχ
wobei gilt H= I' ■.
/20,0047 HR
wobei gilt H= I' ■.
/20,0047 HR
10
worin ι
die Dicke (cm) des zweiten Stahlrohres, die Höhe (m) des Hohlblocks,
die Anzahl an Verstärkungsrippen und den Innenradius (cm) des zweiten Stahlrohres bezeichnen.
wobei gilt h§2' :
c) Typ und Struktur des für den Kern verwendeten Feuerfestmaterials
Das in den Raum zwischen dem ersten Stahlrohr 6 und dem zweiten Stahlrohr 7 eingefüllte Feucrfestmaterial 8
muß über ausreichend hohe VVärnicbesiändigkeit verfügen
und darf iiioiii zum Anfressen neigen, so daß das
Erstarrungssrhrumpfen des Hohlblockes absorbiert werden kann und sich das zweite Stahlrohr 7 leicht nach
Abschluß der Erstarrung entnehmen läßt.
Kommt es zum Anfressen, so ist es schwierig, den
hohlen Stahlblock vom Kern zu trennen und kann der hohle Stahlblock nicht geschmiedet werden.
Aus diesem Grunde werden körnige Feuerlestmaterialien
mit Wärmebeständigkeiten von 1100'C und höher,
wie ZirkiJiisand. Quarzsand und Chromitsand. mit Hilfe
eines organischen Bindemittels, wie eines Furanharzes oder Urcthanharzes miteinander verbunden. Insbesondere
nützlich ist eiri FeuerfestinaUrial. in welchem Zirkonsand
und Chromitsand mit Hilfe eines Furanharzes miteinander verbunden vorliegt.
Die folgende Tafel I zeigt die chemische Zusammen-
J5 Setzung sowie die Korngrößen von im Rahmen der Erfindung
verwendbaren Sanden.
Tafel I
Feuer-
material
chemische Zusammensetzung (Gew.-%)
SiO,
ZrO.- Cr2O, Al2O, Fe2O, CaO
MgO TiO, P2O, Abbrand mittlere
Kornfeinheit*)
| Quarz | 98.3 | - | — | 0.90 | 0.17 |
| sand | |||||
| Zirkon- | 33.6 | 65.8 | 45.3 | 0.3 | 0.05 |
| sand | |||||
| Chromit | 1.6 | 14.7 | 25.1 | ||
| sand | |||||
0.15 0.09
10.1
*) Der Ausdruck »mittlere Kornfreiheil« in obiger Tafel bezieht sich auf einen Digitalwert, der die Teilchengrößenverteilung der
Sandkorngruppen gemäß japanischer Industrienorm Z-2602 beschreibt.
| — | — | 0.03 | IC" |
| 0.3 | 0.01 | - | 111 |
| 0.6 | 116 |
Es ist eines der Merkmale der vorliegenden Erfindung,
daß das kornförmige Feuerfestmaterial, wie Quarzsand. Zirkonsand oder Chromitsand, als Feuerfestmaterial 8
des Kerns 3 und ein organisches H arz als Bindemittel, wie
vorstehend beschrieben verwendet wird. Erfindungsgemäß gelangt dieser Kern nicht in direkte Berührung mit
schmelzflüssigem Stahl 9, aber dieser Kern wird durch die Stahlschmelze 9 auf eine hohe Temperatur erwärmt
und gänzlich durch Verwendung des organischen Bindemittels nach Einbringen der Stahlschmelze 9 ausgebrannt.
Das hat zur Folge, daß keinerlei Anfressen bzw. Anbacken des kernförmigen Feuerfestmaterials auftritt
und daß sich das Entfernen des Sandes beim Herausziehen des zweiten Rohres 7 sehr leicht durchführen läßt.
7 8
Die Beziehung zwischen der Dicke D des Feuerlestma-
d) Einrichtungen zum Kühlen des Kerns terials und der Erstarriingsposilion des geschmolzenen
Wie in den fig I und ^ dargestellt, wird der Kern 3 Stahls läßt sich wie folgt durch Berechnung des Wärme-
starruns-noCilion der Stahlschmelze auf einen Abstand Kuhlgases 20 C betragt.
von 20^s 50% der Wanddicke des Stahlblockes von der «,,_,.,: ι)
dem Kern 3 zugewandten Seite, wodurch das zweite />
= a- J -'- - -1 - - - - - }· (5)
Stahlrohr 7 vor dem Heißwerden, einer Fesligkeitsver- | .v(2+«.v) sj
££Sr25=
Smiern ciiTeiertomaterials verhindert und dafür Sor- .en und * für
ge getragen, daß lediglich eine gemilderte Strahlungswär- und k gill lolgendes:
me aas dem Inneren des Blocks aufdas Innere des Kerns 15 χ. ,0() bis ,500 ^cal/m2 ■ h ■ C bei Gaskühlung
einwirkt. k: 0.3 für Chromitsand: 0.26 für Zirkonsand und 0,20
Zum Kühlen kann von der natürlichen Konvektion. tür Quarzsan(j.
Senf über einen breiten Bereich wählbar ist Industriell Veränderung der Abkühlgeschwindigkeit an der Kerneicht
"er.SaVe Kühlmittel, wie Luft oder gasförmi- seile. Sie verwendeten gegossene Hohlblocke mit unterer
StXofl werden bevorzugt verwendet. Liegt der schiedlichen Gestaltungen, unterzogen diese Blocke ein,
rchsatz des SunwTaSSnerhalb eines Bereiches nem Schmieden von der Innenseite und Außenseite her
vonToTbis SmsT8Vo? ugYweise zwischen 0.8 und 25 und führten anschließend einen Gußleher-Aufspurtest
■> m see so kann de Temperatur des zweiten Stahlrohres mit Hilfe von Farbstoffen an den Hohlblockern durch.
sind unabhängig von der Gestalt des Hohlblocks alle er- S^Zilcm zeugten Hohlblöcke unbrauchbar, bei denen die Schlußin
seinem Strö- erstarrungsposilion nicht 20 oder mehr %. bezogen aul
f41 Schlußerstarrungsposition von der Kernseite nicht um
5.9 HR |H' einen Abstanti von dem 0.2fachen der Wanddicke T des
Stahlblocks entfernt ist. besteht eine große Gefahr, daß
sdie Ouerschnittsfläche (cm-) des Kühlgasströ- 40 Fehler auftreten, wenn die Innenoberlläche des herge-η
unSoSd« Sichnet und stellten Hohlblocks einer Finishbehandlung unterzogen
// Z dieHöhe (m) des HohSocks und wird. Je weiter jedoch sich die Schlulfcrstarrungsposition
R rürrdeen"n°nheen2iuse( "nTdesteiten Stahlrohres ^r Mitte der Wanddicke 7des Hoh.blockesn^rt ^
j äh d Pt dm Wert \ = 0d Kommt aes
rürdennnen2ius( nTdesteiten Stahlrohres ^r Mitte der Wanddicke 7d ^
je näher diese Position dem Wert .\ = 0.d Kommt,
45 geringer ist die erforderliche Zwangskühlung.
Demzufolge wird erfindungsgemäß festgelegt, daß die
e) Die Beziehung zwischen der Dicke des für den Kern Schlußerstarrungsposition (finally solidifying position)
verwendeten Feuerfestmaterials und der Erstarrungspo- durch dje foigende Gleichung 0,2 ^ .v g 0,5 bestimmt sein
sition der Stahlschmelze soj| wjrd jiese Begrenzung in die Formel (5) eingesetzt
Die Dicke des kornförmigen Feuerrestmaterials8. wel- so und wird für die oberen und unteren ^nzen d« ^1
rtoiiaiiKiEKtii von drei Bedingungen bestimmt, welche . , .
die Qualität des Feuerfestmaterials, die Art und Weise verwendenden Feuerfestmatenals8 wie:lolgt ^™εη_
der Kühlung des zweiten Stahlrohrs 7 und die Erstar- 55 a) ist der Innenradms R des Stahlblockes kleiner als
rungsposition des Stahlblockes umfassen. 0.5 m. so gilt
Fig 4 zeiet einen Teilquerschnitt, der die Beziehung .
zwischen dei Kokille und der Gießform 2 und dem |0,044o __M <fl<A. \ "^£__ » I (6)
Feuerfestmaierial 8 des Kerns sowie der Erstarrungsposi- |2+0,5a lOOj ~ [2+0,2e 150Oj
tion der Stahlschmelze 9 während der Herstellung des eo WO5<d<I0
eeeossenen Hohlblocks erläutert. Wird die Dicke der D) UJ= '
Metallschmelze 9 als Tbezeichnet, die Dicke des Feuer- f Q,l3a 1 Ί <
k 0,42g. 11 (?)
festmaterials 8 als D bezeichnet, der Innenradius des (2+0.5α lOOj ~ ~ [2+0,2a 150Oj
Hohiblocks mit R bezeichnet und die Erstarrungsposi- ,
tion der Schmelze in einem Abstand d vom Kern als 65 <=) l,us«<_,u
d= \T bezeichnet, so ergibt sich, daß die Erstarrungs- f 0,26a 1 1 . J 0.84a 1 "1
position um (1 -x)T von der Innenwand der Kokille 2 k j7+05fl—jöo"j ^ϋ=κ |2+0.2β 150Oj
entfernt verläuft.
Es ist bereits erwähnt worden, daß die Wärmeleitfähigkeit
A- (kcal/m · h · 0C), die durch die obenstehende Formel
erhältlich ist, in Abhängigkeit von der Art des benutzten Feuerfestmaterials schwankt. Für die im Rahmen
der Erfindung zu verwendenden Feuerfestmaterialien gelten Wärmeleitfähigkeiten von 0,20 für Quarzsand,
von 0.26 für Zirkonsand und von 0,30 für Chromitsand.
Die Erfinder benutzten zur Herstellung von gegossenen Hohlblöcken mit unterschiedlichem Innendurchmesser
R Kerne 3 mit einer gemäß den vorstehenden Gleichungen (6), (7) und (8) berechneten Dicke des
Feuerfestmaterials 8. Sie führten unter Gaskühlung geschmolzenen Stahl zu, schnitten den Hohlblock nach
dem Abkühlen auf und bestimmten die Schlußerstarrungsposition durch Ätzen. Die Ergebnisse zeigten eine
zufriedenstellende Übereinstimmung mit den Berechnungen,
was die Gültigkeit und Zuverlässigkeit des Berechnungswcgcs
üniei' Beweis stellte.
Ist die Dicke (D) des Feuerfestmaterials entsprechend
dem vorstehenden gewählt, so ist es möglich, die Schlußerstarrungsposition
des Stahlblockes zu bestimmen, die von der Kernseite in einem Abstand von 20 bis 50% der
Wanddicke (7) des Siahlbloekes entfernt ist. Um diese
Schlußerstarrungsposition lief im Material verlaufen zu lassen, ist es erforderlich, die Wanddicke [T) des Stahlblockes
so dünn wie möglich zu machen. Aus praktischen Gründen sollte die Dicke jedoch wenigstens 20 mm betragen,
da die Feuerfestschicht keinesfalls zu dünn dimensioniert
werden darf. Ist die zwischen den Rohren 6 und 7 angeordnete Schicht aus Feuerfestmaterial zu dünn, so
sintert das Fcuerlestmaterial zusammen mit dem Ergebnis,
daß sich der Kern nach der Erstarrung des Blockes nur mit Mühe entfernen läßt. Außerdem führt ein solches
Zusammensindern des Feuerfestmaierials zu Schwierigkeiten
beim Schrumpfen, da die Schrumpfspannungen nicht aufgenommen werden können und somit Risse herbeigeführt
werden. Anhand von Versuchsergebnissen und Schlüssen aus den Gleichungen (6). (7) und (8) wird
100 mm als die maximale Dicke des Feuerfestmaterials festgesetzt. Demzufolge ist ein Bereich von 20 bis 100 mm
bevorzugt für die Dicke dti Kernmaterials bei gewöhnlichen
hohlen Stahlblöcken.
Aus einem Chrom-Molybdän-Stahl mit 0,08% Kohlenstoff. 0,06 % Silicium. o'38 % Mangan. 2.05 % Chrom.
0.96 % Molybdän. 0,011 % Phosphor und 0.004 % Schwefel
wurde ein 20 t schwerer Hohlblock auf erfindungsgemäße Weise hergestellt.
Die Gießvorrichtung besaß die folgenden Hauptdaten:
Außendurchmesser des ersten Kernrohres 6 500 mm Außendurchmesser des zweiten Kernrohres 7 440 mm
Dicke (;) des zweiten Kernrohres 7 10mm Höhe (//) des Hohlblocks 1530mm
Höhe der Gießform 1800 mm Innendurchmesser des unteren Gießformendes 1417 mm
I nnendurchmesser des oberen Gießformendes 1600 mm Anzahl (n) der Verstärkungsrippen 1
Dicke [D) des im Kern verwendeten Feuerfestmaterials 20 mm
Unter Verwendung einer Gießvorrichtung mit den vorstehenden Daten und einem feuerfesten Keramaterial
in Form von Chromitsand mit Furanharzals Bindemittel
wurde eine Stahlschmelze in steigendem Guß zugeführt und wurde Kühlluft zur Kühlung des Kerns mit einem
Durchfluß von 4m,..ec (Strömungsgeschwindigkeit des Kühlgases) benutzt. Die Gießtemperatur der Stahlschmelze
betrug 1595° C und die benötigte Gießdauer belief sich auf 9 Minuten.
Der auf erfindungsgemäße Weise hergestellte 20-t-Hohlblock wurde längs einer durch den Durchmesser
dieses Stahlblocks hindurchgehenden Ebene aufgeschnitten und die Kohlenstoffseigerung. die Schlußerstarrungsposition
der Stahlschmelze und das Stahlgefüge in der Umgebung der Schlußerstarrungsposition wurden untersucht.
Wie in F i g. 6 dargestellt, belief sich die Kohlenstoffseigerung
im Querschnitt des Hohlblocks auf maximal etwa 20%. selbst in unmittelbarer Nähe des oberen Blockendes,
und dieser Wert ist deutlich niedriger als die maximale Kohlenstoffseigerung eines Vollblockes mit gleichem
Gewicht, wodurch die ausgezeichnete innere Qualität des erfinriiingsgemäß hergestellten Blockes deutlich wird.
Außerdem zeigt Fig. 6 daß die Schlußerstarrungsposition der Stahlschmelze im wesentlichen in der Mittelebene
des Stahlblockes, d.h. etwa gleich .v = 0.5 gemäß Fig.
4 verläuft. Diese Position oder Grenze verläuft somit im wesentlichen auf 50 % der Wanddicke Γ des Stahlblocks.
gemessen von der kernseitigen Seite.
Außerdem treten in den erfindungsgemäß hergestellten Hohlblöcken niemals poröse Abschnitte auf. was bei
herkömmlichen Vollblöcken häufig im Bereich der Schlußerstarrungspositionen als Folge der hohen Erstar-
jo rungsgeschwindigkeit und hohen Konzentration an gelösten
Stoffen auftritt, woraus deutlich wird, daß das erfindungsgemäßc
Verfahren zu durch und durch gesunden Stahlblöcken führt.
J5 Beispiel 2
Aus einem Chrom-Molybdän-Stahl mit 0.12% Kohlenstoff.
0.07 % Silicium. 0^45 % Mangan. 5.02 % Chrom.
0.59 % Molybdän. 0.011 % Phosphor und 0.005 % Schwefel
wurde ein 451 schwerer Hohlblock auf erfinduntsge-■»o
mäße Weise hergestellt.
Die Hauptdimensionen der Gießvorrichtung waren wie folgt:
Außendurchmesser des ersten Kernrohres 6 700 mm Außendurchmesser des zweiten Kernrohres 7 600mm
Dicke U) des zweiten Kernrohres 7 10mm Höhe [H) des Hohlblocks 2320mm
Höhe der Gießform 2718 mm Innendurchmesser des unteren Gießformendes 1706 mm
Innendurchmesser des oberen Gießformendes 1995 mm
Anzahl («) an Verstärkungsrippen 4 Dicke [D) des im Kern verwendeten Feuerfestmaterials
40 mm
Unter Verwendung der Gießvorrichtung mit den obenstehenden Daten und eines aus Chromitsand mit Urethanharz
als Bindemittet bestehenden feuerfesten Kernmateriais
wurde eine Stahlschmelze abgegossen, wobei
gasförmiger Stickstoff als Kühlmittel für Ilen Kern mit
einer Strömungsgeschwindigkeit von 2m/sec benutzt wurde. Die Gießtemperatur der Stahlschmelze betrug
1595° C und die erforderte Gießzeit belief sich auf 14.5
Minuten.
Der derart auf erfindungsgemäße Weise hergestellte 45-t-HohlbIock wurde längs der durch den Blockdurchmesser
verlaufenden Ebene aufgeschnitten und hinsichtlich Kohlenstoffseigerung, Schlußerstarrungsposition
der Stahlschmelze und Gefügeausbildung im Bereich der Schlußerstarrungsposition untersucht.
Hinsichtlich der festgestellten Kohlenstoffseigerung
■m Querschnia des Hohlblockes zeigte sich gemäß Fig. 7
eine maximale Seiger ung von etwa 20% selbst unmittelbar im oberen Blockende, was die ausgezeichnete *nnenqnalität
des Hohlblockes beweist.
Außerdem geht aus Fig. 7 hervor, daß die Schlußerstarrungsposition
der Schmelze in etwa gemäß ν = 0.45 gemäß Fig. 4 verläuft, was bedeutet, daß diese Position
oder Grenze im wesentlichen entlang 45% der Wanddicke T des Stahlblockes, gemessen von der kernseitigen
Blockseite, verlauft.
Außerdem zeigten sich nur kleine poröse Stellen in der
Nähe der Schlußerstarrungsposition, was deutlich machte,
daf ein durch und durch gesunder Hohlblock erzeugt worjen war.
Aus einem niedriglegierten Stahl mit 0.2% Kohlenstoff. 0.35% silicium. 1.40% Mangan. 0.7S% Nickel.
0.11 % Chrom. 0.54% Molybdän. 0.008 % Phosphor und 0.002 % Schwefel wurde ein 2001 schwerer Hohlblock auf
erfindunesgemäße Weise hergestellt.
Die Hauptdiniensionen der Gießvorrichtung waren
wie folct:
Außendurchmesser des ersten Kernrohres 6 1000mm
Außendurchmesser des zweiten Kernrohrcs 7 8(Xlmm Dicke (/) des zweiten Kernrohres 7 20mm
Höhe (H) des Hohlblockes 2942 mm Innendurchmesser des unteren Gießformendes 3100 mm
Innendurchmesser des oberen Gießformendes 3500 mm Anzahl (») an Verstärkungsrippen 8
Dicke (D) des für den Kern benutzten Feuerfestmaterials 80 mm
Unter Verwendung der Gießvorrichtung mit den oben genannten Daten sowie eines feuerfesten Kernmateriais
aus Quarzsand mit Furanharz als Bindemittel wurde ein Block unter Verwendung von gasförmigem Stickstoff als
Kühlmittel für den Kern ein Block abgegossen, wobei das Stickstoffgas mit einer Durchflußgeschwindigkeit von
0.8 m see benutzt wurde. Die Gießtemperatur der Stahlschmelze
belief sich auf 1595CC und die benötigte Gießdauer
betrug 35 Minuten.
Der derart auf erfindungsgemäße Weise hergestellte 200-t-Hohlblock wurde zerteilt und die Kohlenstoffseigerung.
die Schlußerstarrungsposition der Stahlschmelze und das Stahlgefüge in der Nähe der Schlußerstarrungsposition
wurden untersucht.
Die ermittelte Kohlenstoffseigerung im Querschnitt des Hohlblockes belief sich auf maximal etwa 30% unmittelbar
im oberen Blockende. Im Gegensatz zur Neigung bei herkömmlichen Vollblöcken, mit steigenden
Blockgewichten stärkere Seigerungen zu bilden, wurden beim erfindungsgemäß hergestellten Hohlblock trotz seines
Gewichtes von 2001 deutlich niedrigere Seigerungen als 40 bis 42 %. was für herkömmliche Vollblöcke typisch
ist. festgestellt. Es lassen sich somit mit Hilfe der Erfindung selbst hohe Blockgewichte mit nur geringen Seigerungsneigungen
erzielen.
Außerdem erbrachten die Untersuchungen, daß die Schlußerstarrungsposition der Stahlschmelze bei etwa
.γ=0.35 verläuft, was bedeutet, daß diese Position oder
Grenze im wesentlichen bei 35 % der Wanddicke T des Stahlblockes, gernessen von der Kernseite des Blockes
aus. verläuft.
a) Die Schlußerstarningsposition der auf erfindungsgemäße
Weise hergestellten gegossenen HoM-blöcke ist auf eine Stellung entsprechend dem 0.2-bis
0.5fachen der Wanddicke T des Stahlblockes entfernt von der Seitenoberfläche des Kerns festgelegt,
wodurch es möglich ist. Hohlblöcke mit durch und durch gesundem Inneren sowie ausgezeichneten
Oberflächeneigenschaften zu erzielen.
b) Die geeignete Dicke des Kerns läßt sich mühelos in Abhängigkeit von den Gestaltungen und Abmessungen
der zu erzeugenden Hohlblöcke berechnen.
ίο so daß sich die Art des zu verwendenden Feueifest-
materials sowie die geeignete Ausbildung des Kerns leicht vornehmen lassen.
c) Die Kerne lassen sich nach dem Erstarren des Stahlblocks leicht entfernen. Die Innenoberfläche
des Stahlblocks ist sauber, weil die Innenflächen des Kerns von den Stahlröhren bedeckt sind und
die verbleibenden Stahlrohre lassen sich leicht durch Erhitzen als Zunder entfernen, bevor der
Hohlblock ausgeschmiedet wird.
d) Nach der Erfindung werden Luft oder andere Inertgase
zum Kühlen der Innenfläche des Kerns verwendet and demzufolge erfolgt die Zufuhr an
schmelzflüssiger Speise viel sicherer als bei anderen Verfahren, bei welchen das Kühlen und die Kühlwirkung
vergleichsweise sehr intensiv sind.
Außerdem hat sich herausgestellt, daß im Vergleich zwischen den erfindungsgemäß hergestellten Hohlblöcken
und den herkömmlicherweise hergestellten Vollblöcken die Muterialkosten. die Erwärmungskosten und
die Schiniedekosten viel günstiger liegen, wie in der nachfolgenden Tafel 2 zusammengestellt, wobei hinsichtlich
Gestalt und Gewicht übereinstimmende Schmiedestücke zugrundegelegt worden sind.
Tafel 2
Vollblock
Hohlblock
In der folgenden Tafel 3 sind einander Werte rur einen Vollblock sowie für den erfindungsgemäß hergestellten
Hohlblock gegenübergestellt, die sich auf das erforderliche Blockgewicht sowie auf die erforderliche Erstarrungszeit
für Schmiedestücke mit übereinstimmenden Gewichten beziehen.
| Materialkosten | 100 | 85 |
| Erwärmungskosten | 100 | 50 |
| Schmiedekosten | 100 | 70 |
Tafel 3
Schmiede- benötigtes Erstarrungsdauer d.
gewicht Blockgewicht (t) Blocks (h)
(t) Vollblock Hohlblock Vollblock Hohlblock
| 15 | 25 | 20 | 7 | 3 |
| 35 | 60 | 45 | 10 | 3.5 |
| 70 | 120 | 90 | 14 | 8 |
| 60 HO | 175 | 140 | 23 | 10 |
Wie aus den Tafeln 2 und 3 hervorgeht, ist mit Hilfe der Erfindung ein großer technischer Fortschritt, insbesondere
bei der Herstellung von schweren Schmiedestücken erreichbar.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Herstellen gegossener Hohlbiöcke ist wie folgt konstruiert: Wenig-
stens drei konzentrische Rohre sind im Bereicä der Längsachse einer gewöhnlichen Gießform oder Kokille für
einen Stahlblock angeordnet. Ein Kern ist dadurch gebildet, daß ein Raum zwischen dem ersten, äußersten Rohr
mit dem größten Durchmesser und dem zweiten. Rohr, welches innerhalb des ersten Rohres angeordnet ist, mit
einem körnigen FeuerfesUnaterial, wie Zirkonsand,
Chromitsand oder Quarzsand mit einem als Bindemittel dienenden organischen Harz ausgefüllt ist. Ein Doppelrohr ist innerhalb dieses Kerns angeordnet und bildet
einen Gasströmungspfad zum Kühlen des Kerns. Gießöffnungen sind im Gießgespann ausgebildet, um eine
Stnhlschmelze in den Zwischenbereich zwischen der inneren Wand der Gießform und dem Kern eintreten zu
lassen. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines gegosünen Hohlblockes unter Verwendung der erfindungsgemäßen Gießvorrichtung enthält die folgenden
Schritte: Kühlgas wird von oben in das dritte, zu innerst angeordnete Rohr mit dem geringsten Durchmesser eingebiöscn, worauf das Rohr durch das zweite Rohr von
unten nach oben aufsteigt und nach oben abgeführt wird. Die in die Gießform eingebrachte Stahlschmelze wird
gekühlt und in Kontakt mit der Außenoberfläche des ersten Rohres gebracht, indem der Kern durch die Innenwandung des zweiten Rohres gefüllt wird. Die Abkühlbedingungen des Kerns werden gesteuert, wie über die
Dicke des ringförmig im Kern angeordneten Feuerfestmaterials, die Querschnitisfläche des Kühlgasströmungspfades und die Dicke des zweiten Rohres, so daß die
Schlußerstarrungsposition der Stahlschmelze in einer Position verläuft, welche von der Kernseite in einem Abstand verläuft, welcher 20 bis 50% der Wanddicke des
herzustellenden Hohlblockes beträgt.
Unter der Schlußerstarrungsposilion oder vielleich;
besser »Erstarrungs-SchluBposition« ist im Rahmen der
Erfindung die Position zu verstehen, in welcher das Erstarren der Stahlschmelze in der Kokille während des Gießens vollständig abgeschlossen ist. Beim üblichen Vollblock hat diese Position die Gestalt einer hypothetischen
Ebene, die in etwa durch die Mitte (Längsachse) der - Gießform yerläufL
Beim erfindungsgemäß hergestellten Hohlblock hingegen, der eine Wanddicke T besitzt, hat die Erstarrungs-Schlußposition die Gestalt eines hypotneuschen Zylin-
ders, der in einem Abstand von 0,2 bis 0,5 χ Γ, gemessen
von der Außenoberfläche des Kerns, durch die Wanddicke verläuft.
Die in die Gießform abgegossene Stahlschmelze beginnt dort zu erstarren, wo sie in Berührung steht mit der
Innenoberfläche des Kerns, der oberen Oberfläche des Gießgespanns und der Außenoberfläche des Kerns. Der
Erstarrungsvorgang verläuft von außen nach innen in· Richtung auf die Mitte der Wanddicke. Bestehen die
Gießform und das Gießgespann aus Gußeisen mit be
trächtlichen Dickenabmessungen, so ist die Erstarrungs
geschwindigkeit der den Kern kootakiierenden Schmelze
am niedrigsten. Aus diesem Grunde wird beim Verfahren nach der Erfindung der Kern zwangsgekühtt, um die
Erstarrungsgeschwindigkeit in demjenigen Bereich der
Schmelze zu erhöhen, welcher den Kern kontaktiert. Dabei erfolgt die Zwangskühlung so, daß die Ersiarrungs-Schlußposition in einem Abstand von 0.2 bis 0.5 χ Τ.
gemessen von der /»ußenoberfläche des Kerns, verläuft.
Ohne die Kühlungsmaßnahmen im Kern würde die Er
starrungs-Schlußposition nicht zwischen 0.2 und 0.5 χ Γ
verlaufen, sondern in einem Bereich der von der Kern-Außenseite weniger weil entfernt ist als 0,2 χ T. Ein derartiger Verlauf der Erstarrungs-Schlußposition hätte jedoch eine Beeinträchtigung der Qualität des hergestellten
Claims (4)
1. Verfahren zum Gießen von Stahl-Hohlblöcken im steigenden Guß, bei welchem ein zylindrischer
Kern mit einer Vielzahl konzentrischer Stahlrohre im Zentralbereich einer Gießform angeordnet und die
Innenfläche dieses Kerns mit Hilfe einer Gasströmung gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß ein einen zylindrischen Körper aus einem Feuerfestmaterial innerhalb der Stahlrohre aufweisender
Kern verwendet wird und daß die Kühlungsbedingungen für die Kerninnenoberfläche so gewählt werden,
daß die Schlußerstarrungsposition des geschmolzenen Stahls in einem Abstand vom Kern ver- ts
läuft, welcher 20 bis 50% der Wanddicke des Stahlblockes
entspricht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
da8 die Durchflußgeschwindigkeit der Kühlgasstrfcfsjng 0,5 bis 5 m/sec beträgt.
3. Vorrichtung zum Gießen von Slahl-Hohlblöcken
im steigenden Guß nach Anspruch 1 oder 2 mit einer auf einem Gießgespann angeordneten Gießform, einem im Zentralbereich der Gießform angeordneten
zylindrischen Kern mit einer Vielzahl konzentrischer Stahlrohre sowie im Gießgespann ausgebildeten
Gießöffnungen zum Einbringen einer Stahlschmelze in die Zwischenräume zwischen der inneren
Wand der Gießform und der Außenwand des Kernes, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (3) drei konzentrisch
ineinander angeordnete Rohre (6. 7, 10) umfaßt, wobei eine Füllung .r.us einem körnigen
Feuerfestmaterial (8) den Raum zwischen dem äußeren Rohr (6) und dem mittleren {? -hr (7) ausfüllt und
daß ein Gasströmungspfad (4) zum Kühlen des Kerns von oben nach unten innerhalb des konzentrisch im
mittleren Rohr angeordneten inneren Rohres (10) und von unten nach oben innerhalb des Raumes zwischen
dem inneren Rohr (10) und dem mittleren Rohr (7) verläuft.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß di: nicke des hohlzylindrischen Feuer festmaicrials (8) so gewählt ist, daß eine der folgenden
Gleichungen (I), (2) und (3) erfüllt ist, wobei
a) gilt, wenn der Innenradius(Λ) des Stahlblockcs
kleiner als 0.5m ist:
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