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Verfahren zum Abführen von Kühlmittel
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von Gußstücken und Abstreifvorrichtung für Gußstücke
BESCHRIEBUNG
Die Erfindung bezieht sich glanz allgemein auf das Gebiet des Gießens von Metalartikeln
insbesondere aus Aluminium und dergleichen bestehenden Leichtmetallartikeln nach
den weitgehend benutzten kontinuierlichen oder haibkontinuierlichen Direktabkühlungs
bzw. Abschreckverfahren. Bei diesem Gießprozess wird: geschmolzenes Metall in das
Eintrittsende einer am Ende offenen rohrförmigen Gießform einyeführt und, wenn dieser
Metalifluss durch die Cießformbohrung hindurchtritt, gekühlt und daher Zumindest
teilweise verfestigt bzw. zum Erstarren gc'bracht. Wenn das Metall vom Austrittsende
der Gießfuri austritt wird es mit Kühlmittel besprüht, um die Metallerstarrung zu
beenden.
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In das Eingangsende der Gießform eingeführte Metallschmelze bildet
sehr rasch eine dünne Schicht erstarrten Metalls in unrnittelbarer Nachbarschaft
zu den Abschreck- bzw. Abkühlflächen der Formbohrung-. Wenn die Erstarrung fortschreitet
zieht sich der Metallfluss zusammen und zieht er sich auch von der Forinwand weg.
Ist erst einmal der Kontakt mit den Köhlflächen der Formbohrung verlarengegengen,
so wird nur ein relativ kleiner Wärmaantzug durch die Formwände hindurch bewirkt.
Danach findet in wesentlichen die gesamte Erstarrung bzw. Verfestigung durch die
Anwendung von Kühlmittel statt, das auf das Metall gelangt, wenn es aus dem Austrittsende
der Form austritt.
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Die Erstarrung bzw. Verfestigung von Metall in diese Direktabkühl-Gießverfahren
führt üblicherweise zu extrem großen
thermischen Gradienten zwischen
der Uberflüche und dem Zentrum des erstarrten Metalls. Diese großen Wärmegradienten
können zu inneren Spannungen führen, die so groß werden, daß sich Risse uod Spalten
während oder kurz nach dem Gießen des erstarrenden Metalls entwickel Die hochfesten,
hochlegierten Aluminiumlegierungen, wie 7XXX (Al-Zn und Al-Zn-Mg) und die 2XXX (AS-Cu)
Leglerungen (Bezeichnungen der Aluminium Association) sind gegenüber einer solchen
Rissbildung besonders anfällig. Die Rissbildung vermindert die Metallgewinnungsgeschwindig
keit sehr beträchtlich und erhüht daher die Kosten, da die mit Risse versehenen
Cußs(üske, arreri oder dergleichen entweder verschrottet oder beträchtlich gekröpFt
werden müssen.
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Es ist seit langem bekannt (US-PS 2 705 553, 2 708 297 und 3 653 425),
daß das Rissebilden von hochlegierten schnell abgeschreckten Gußblöcken oder Gußbarren
durch das Abführen von Kühlmittel vor den erstarrten Metalloberflächen sehr bald
nach dem Beaufschlagen des aus dem Austrittsende der Form austretenden Metalls verllindert
werden kann. Durch rasches Abführen des Kühlmittels erhitzt das sich auf hoher Temperatur
befindende Metall im Zentrum des Barrens oder Blockes das kühlere Metall an der
Oberfläche wieder auf, was zur Beseitigung von Spannungen führt und die Rissebildung
verhindert oder vermindert.
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Es wurden bereits viele Arten von Kühlmittelableitungseinrichtungen,
wie Gummiblätter, Luftmesser, rorrorende Bürsten oder Walzen und dergleichen vorgeschlugen
und auch in Verlauf der Jahre in Versuchen angewendet, die Rissebildung bei solchen
Barren und Blöcken zu verhindern. Mit Ausnahme von Gummiblättern wurde die meiste
dieser Einrichtungen jedoch nicht kommerziell in einem beträchtlichen Umfang benutzt,
da sie in der industrielien Umgebung, für die sie bestimmt sind, unpraktisel sind.
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Obwohl Gummiblätter häulig benutzt wurden, werden die oft von den
rauhen Oberflächen des verdickten Gußstücks, Barrens oder Blocks beschädigt, anyerissen
oder anderweitig beeinträchtigt, der während des Beginns des Gießens entsteht; dadurch
kann Kühlmittel auf den überstreiften lletalloberflächen verbleiben und zu den Barren-
oder Blockrissen Anlaß geben. Darüber hinaus werden Gummiblätter Kühlmittel von
der Metalloberfläche,insbesondere an Ecken nicht gleichmüßig abführen können, an
denen Kühlmittellecks üblicherweise auftraten. Die Verwendung rutierender Einrichtungen,
wie Bürsten und Walzen, fährt zu Problemen, die mit denen von Blattförmigen Anstreiforganen
vergleichbar sind; außerdem künnen solche Einrichtungen nicht auf Metall verwendet
werden, das einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Luftmesser wären zum Ab führen
von Kühlmittel wirksam, erfordern jedoch unverhältnismäßig große Luftmongen, was
sie recht unpralctisch macht.
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Im Verlauf von Jahren hat sich die Guß- bzw. Gießereitechnik bis zu
einem solchen Punkt entwickelt, bei den durch leichtes Modifizieren der Legierungszusammensetzungen
verbesserte Gußverfahren und vorbesserte Gießformkonfigurationen, auch hochlegierte
Leichtmetalle, in einer regulären Weise gegossen werden können. Aber trotz dieses
Fortschritts war und ist die Metallgewinnung häufig noch ziemlich gering. So wird
beispielsweise bei hochlogierten, hochfesten Aluminiumlegierungen, wie der Aluminiumlegierung
7350, eilte lletallgewinnung von 50 % oft als erfolgreich angeschen und sind die
meisten dieser Metallverluste auF-qerissene Gußstücke, Barren bzw. Blücke zurückzuführen.
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Vor diesem technischen Hintergrund wurde die Erfindung geschaffen.
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Die Erfindung bezieht s sich daher allgemein auf das kontinuierliche
oder halbkontinuierliche Direktabkühl-Gießverfahren
und insbesondere
auf eine verbesserte Abstrei Fvorrichturirl zum Entfernen von Kühlmittel von der
Oberfläche des au einer Direktabkühlungs-Gießform austretenden Metalls.
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Die Kühlmittelabstreifvorrichtung weist gemäß der Erfindung eine aufblähbare
bzw. aufblasbare elastomere Abstreifmanschette (Wulstring, Schlauch oder dergleichen)
auf, der sich im aufgeblähten bzw. aufgeblasenen Zustand in Kontakt mit dem Gußstück,
und zwar vollständig rings um dessen Öberfläche herum befindet. Beim 13eginn des
Gießens befindet sich das elastomere Abstreifelement bzw. die Abstreifmanschette
in einem nicht aufgeblähten bzw. unaufgeblasenen Zustand, damit das verdickte Ende
des Gußgarrens, Gußstranges oder dergleichen durch die Abstreifeinrichtung hindurch
bzw.
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dieser vorbei gelangen kann, ohne die elastomere Abstreifflächen zu
einem beträchtlichen Ausmaß zu berühren. Sobald der verdickte Gußstückteil vorbeigetreten
ist, wird die elastomere Abstreifmanschette aufgeblasen, bis deren Oberfläche gegen
die Oberfläche des Gußbarrens bzw. Gußblockes gedrückt ist, um hierdurch Kühlmittel
abzuführen. Beim Gießbeginn sollte der Druck des elastomeren Elements gegen die
Oberfläche des Gußstücks relativ niedrig sein, da ein übermäßiger Druck das Abziehen
des L'ußbarrens bzw. Gusblockes aus der Form behindern könnte. Während des übrigen
Gießens wird der Druck auf angemessenem Niveau gehalten, um das Kühlmittel wie gewünscht
abzuführen. Aiii Ende des CieE3eni wirl der Kühlmittelstrom von der Foriii zur Oberfläche
des Gußstücks beendet, ehe das Ende des Gußstücks ar der elastomeren Manschette
vorbeitritt, um sicherzustellen, daß kein Kühlmittel die Gußstückoberfläche berührt,
wenn erst einmal das Kühlmittel von der Oberfläche entfernt worden ist.
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Das mit Hilfe der Abstreifvuri'ieiitung entfernte Külllmittel wird
von der Metalloberfläche durch geeignete Trog- oder Leitungseinrichtungen abgeführt,
um einen weiteren Kontakt derselben mit den Barren- bzw. Blockoberflächen zu verhindern.
In
den meisten Fällen sollte das von der Gußstückoberfläche abgeführte Kühlmittel in
einem Abstand von etwa 5,1 bis etwa 50,8, insbesondere 10,2 bis 30,5 cm, vom Austrittsende
aus der Form gehalten werden. Der jeweils zu verwendende Abstand hängt von der Legierungszusammensetzung,
der Barren- oder Blockgröße und der GieBgeschwindigkeit ab und kann leicht empirisch
bestimmt werden.
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Der den Barren bzw. Strang oder L3lock umgebende elastomere Abstreifwulst
wird durch ein Fluidum, wie Luft oder Plasser aufgeblasen bzw. aufgebläht, uin eine
angemessene Verteilung des Druckes vollständig rings um den 3lock bzw. Barren zu
erzielen und Kühlmittel in der gewünschten Wcise abzuführen.
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Eine Flüssigkeit, wie Wasser wird deshalb bevorzugt, weil sie die
Temperatur des aufblähbaren Elements des Abstreiforgans auf einem relativ niedrigen
Niveau aufrechterhalten kann, um die thermische Degradation des elastomeren Materials
des Abstreifers minimal zu halten. Gemäß einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung
wird Wasser laufend durch die innere Kammer des elastomeren Wulstes bzw. Schlauches
hindurchgelcitet, um den Wärmetransport zu verbessern; der Druck innerhalb der Innenkammer
wird durch geeignete Mittel, wic ein Ventil bzw. Steuerorgan, in der Ablaßleitung
auf dem gewünschten Niveau gesteuert.
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Die aufblähbare bzw. aufblasbare Manschette oder dergleichen.
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der Abstreifvorrichtung ist im allgemeinen eine einzelne Einheit und
sie wird in allguiiieirien durch eine einzige kontinuierliche Kammer zur Begrenzung
des Aufblähmittels ausgebildet, um einen gleichmäßigen Druck dieses Wulstes oder
dergleichen auf das Metall auszuüben. Unter einigen Hedingungen kann es jedoch auch
erwünscht sein, die aufblähbare Wulst in separate Blähkammern aufzuteilen, so daß
unterschiedliche Druckniveaus in den unterschiedlichen Segmenten aufrechterhalten
werden können und unterschiedliche Drucke an unterschiedlichen Bereichen des Gußstücks,
Strangs oder dergleichen anlegbar sind.
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Wenn in Vertikalrichtung gegossen wird ist es zweckmäßig die Abstreifeinrichtung
von einem geeigneten oberen Iräger, wie dem Giefltisch, herabhängen zu lassen, so
daß kein beträchtlicher Seitenschub auf den zu gießenden 3arren oder Block ausgeübt
wird. Beträchtliche Seitenschübe können nämlich die dünnen Cmbryo- oder Außenhautformen
innerhalb der Gießbohrung stark beeinträchtigen, was zu Oberflächendefekten als
auch zu deformierten Darren und Blöcken führt. Die bevorzugten Mittel zum Anhängen
der Abstreifeinrichtung sind Kollen oder flexible bzw. biegbare Kabel, die der Abstreifeinrichtung
ermöglichen schnell entfernt zu werden, wenn Legierungen gegessen werden, die nur
eine geringe oder gar keine Risseneigung aufweisen.
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Das elastomere Material des aufblähbaren Wulstes sollte eine ausreichende
Elastizität bzw.Rückstellkraft zum Expandieren in der gewünschten Weise aufweisen,
um das Metall zu berühren, das aus dem Austrittsende der Form austritt. Es soll
zähe genug sein, uin vigorosen Umgebung Stand zu halten, der es ausgesetzt ist,
Insbesondere den Abnutzungen, die sich duret däs Abstreifer bzw. Entlangstreifen
an den Gußstückoberfläehen ergeben. Geeignete elastomere Materialien schließen natürlichen
Kautschuk und synthetischen Kautschuk bzw. Lulllllli ein.
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Verschiedene Aspekte der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.
Darin zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt der erfindungsgemäßen Einrichtung, die eine
Kühlmittelabführeinrichtung in Verbinduny mit einem Direktabkühl-Gießverfahreri
aufweist; Fig. 2 ist ein teilweiser Querschnitt, der eine zur Verwendung gemäß der
Erfindung modifizierte aufblähbare Wulst veranschaulicht;
Fig.
3 und 4 perspektivische Ansichten der Kühlmittelabführeinrichtung gemäß der Erfindung,
und zwar teilweise in Sektionen gezeigt und Fig. 5 eine graphische Darstellung zum
Vergleich der Temperatur der Gußstückoberfläche in Abhängigkeit vom Abstand von
Austrittsende aus der Form.
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Fig. 1 isr eine Ansicht einer stark vereinfachten Gießeinrichtung
mit direktem Abschrecken im Querschnitt, die den Vorgang des Abstreifens gemäß der
Erfindung veranschaulicht. Geschmolzenes Metall wird in das Eintrittsende 10 des
Formkörpers bzw.
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der Form 11 eingeführt, die von einem Wassermantel 12 umgeben wird.
Der Wassermantel 12 uncl die Form 11 bilden eine Kammer 15, die einen Kühlmittelkörper
rings um die äußere Peripherie der Form 11 aufrechterhält. Kühlmittel wird von der
Kammer 13 durch einen geeigneten Schl-itz oder Öffnungen 14 am Austrittsende 15
der Form auf den erstarrten oder teilweise erstarrten darren 16 gerichtet. In Fig.
1 ist die Zeichnung in zwei Teile durch die Formachse hindurch aufgeteilt, um auf
der linken Seite den Gießbeginn und auf der rechten Seite den normalen Betrieb der
Einheit zu veranschaulichen, nachdem der verdickte Gußstückteil 17 des Darren oder
blockes durch die Abstreifeinrichtung 20 hindurchgetreten bzw. an dieser vorbeigetreten
ist. Die Abstreifeinrichtung 20 ist in einem kurzen Abstand von Austrittsende 15
der Form entfernt urid in axialer Ausrichtung mit der Fermbohrung angeordnet und
weist eule ausblähbare bzw. aufblasbare elastomere Wulst 21 und einen ringförmigen
Rahmen 22 auf, an dem das Abstreiforgan 21 mit Hilfe von Platten 31 befestigt ist.
Der Rahmen 22 ist mit einem Durchgang 24 durch dessen Zentrum hindurch versehen,
der im wesentlichen die gleiche Form wie - jedoch größer als - der transversale
Querschnitt des Barrens oder Blockes aufweist, der hindurchzuführen ist.
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Das aufblähbare Element 21 bildet in Verbindung mit dem Rahmen 22
eine Kammer 23 zur Aufnahme von zum Aufblähen bzw.
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AuFblasen dienendem Fluidum. Die Einrichtung 20 wird durch Ketten
25 getragen, die von dem Gießtisch 26 nerabhängen, der
auch die
Formeinrichtung tritt. Line Leiturog 27 dient zum Zuleiten des Aufblähmittels in
die Innenkammer 23 des Abstreifelemente 21 und eine Leitung 28 dient zum Abführen
des Aufblähmittels aus der Kammer 23. Gemäß einer bevorzugten Ausbildung wird Wasser
kontinuierlich in die Kammer 23 eingeleitet und wird der Druck innerhalb der Kammer
so der Ableitung 28 mit Hilfe eines Ventils 29 oder dergleichen Steuerorgans gesteuert.
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Wie im linken Teil der Fig. 1 dargestellt, befindet siel beim Gießbeginn
das Abstreifelement 21 in einem nicht aufgeblähten bzw. erschlafften Zustand, wodurch
das verdickte Ende 17 des Stranges 1G vorbeitreten kann ohne mit dem elustomeren
Organ 21 in Berührung zu gelangen. Wenn erst einmal der fette Angußteil 17 vorbeigetreten
ist, wird die Kammer 23 aufgebläht, so daß das elastomere Organ 21 die Oberfläche
des Stranges oder Blockes 16 unter genügendem Druck berühdt, um Kühlmittel abzuleiten.
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Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht eines abgewandelten aufblähbaren
elastomeren Organs 21, bei dciii der Abschnitt 30, der zur Berührung mit dem Gußstück
bestimmt ist, verdickt ausgebildet ist, ui die Lebensdauer zu vergrößern.
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Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht, Leilweise im Schnitt, einer
bevorzugten Abstrifvorrichtung gemäß der Erfindung, bei der die Gießform urid der
Giestisch zu Illustrationszwecken entfernt sind. Die aufblühbare Abstreiffläche
21 ist als in Kontakt mit dem Barren oder Block 16 (in unterbrochenen Linien dargestellt)
gezeigt, um Kühlmittel von dessen Fläche abzuleiten. Das abgeführte Köhlmittel Fliesst
in den Frog 41J übl. 1 und wi i'd in die Gießgrube vom Gußstück hinweg durch, die
Abflußtülle 41 hindurch abgeführt, so daß kein weiterer Külolmittel-Metall-Kontakt
auftreten kann. Die Abstreifeinrichtung 20 ist mit Ililfe von Ketten 25 hängend
angeordnet, uln irgendwelchen Seitenschub auf den Barren 16 iu vermeiden.
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Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausbildung der
Erfindung, bei der die Enden 50 der Abstreifvorrichtung näher an die Austrittsseite
der Form herantreten, als diejenigen Abschnitte der Abstreifmanschette 21, die sich
in Nachbarschaft zum Zentrum der großen Oberflächen des Gußstücks befinden, um Kühlmittel
von den schmalen Stirnseiten und Ecken- des Gußstücks abzuführen ehe Kühlmittel
von den mittigen Abschnitten der breiten Seiten des Gußstücks abgeführt wird. Diese
Ausbildung führt zu einer gleichmäßigeren Oberflächentemperatur am Gußstück in einer
Ebene rechtwinklig zur 6ußstück- bzw. Barrenachse, was dann erwünscht seiii kann,
wcnri das zu gießende Gußstück ein großes LacgeverEl.iltnis (Verhiiltrlis zwischen
der großen Abmessung und der kleinen Abmessung des Querschnitts) von insbesondere
größer als 2 aufweist.
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Fig. 5 ist eine graphische Darstellung zum Vergleich der Temperatur
der Gußstückfläche in verschiedenen Abständen vom Austrittsende der Form iiiit und
ohne einer Abstreifvorrichtung gemäß der Erfindung im Betrieb. Wie aus der graphischen
Darstellung ersichtlich ist, tritt eine erhebliche Wiedererhitzung der Gußstückoberfläche
bei Inbetriebnahme der Abstreifeinrichtung auf, während ohne die Abstreifeinrichtung
im wesentlichen keine Wiedererhitzung in Erscheinung tritt.
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Das folgende Beispiel dient zur weiteren Erläuterung einer bevorzugten
Ausbildung der Erfindung.
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Beispiel Um die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Abstreifsysterns
zu bestimmen, wurden acht rechteckige Barren bzw. Blöcke mit 40,6 x 137,2 cm aus
einer Schmelze aus einer Aluminiumlegierung 7050 im Direktabkühlungsverfahren gegossen.
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Während des Gießens wurde eine Abstreifvorrichtung yelniß der Erfindung
verwendet, um Kühlmittel bzw. Abschreckm titel vuri der Oberfläche von vier der
Gußstücke bzw. Barren abzuführen, während übliche Gummiblattabstreifer zum Ableiten
von Köhlmittel von der Oberfläche der anderen vier Gußstücke bzw. Bar ren verwendet
wurden. In allen Fällen waren die Zusammensetzung und Temperatur des geschmolzenen
Metalls und die Gießbedigungen im wesentlichen die selben. Kühlmittel wurde in einem
Abstand von 25,4 cm vom Boden der Gleßform von den Gußstückflächen abgeführt. Sämtliche
vier Gußstücke, die unter Anwendung der erfindungsgemäßen Abstreifvorrichtung gegessen
wurden, wiesen keine Risse auf. Von den anderen vier Gußstücken, die unter Verwendung
der üblichen Gummiblätter gegessen wurden, waren zwei in Bereichen gerissen, in
denen Kühlmittellecks auftraten.
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Sämtliche Aluminiumlegierungs-Bezeichnungen sind hier solche der Aluminum
Association.
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Im übrigen sind viele Modifikationen möglich, ohne daß die in den
Ansprüchen beanspruchte Erfindung verlassen wird. <>e i ist beispielsweise
die Beschreibung hauptsächl@ch auf das Gießen in Vertikalrichtung gerichtet, während
die Erfindung auch zum Gießen in horizontaler Richtung angewandet werdet kann.
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L e e r s e i t e