DE3049353C2

DE3049353C2 - Verfahren zum Stranggießen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE3049353C2
Application number: DE3049353A
Authority: DE
Inventors: Robert Thompson Berwyn Pa. Frost; Hugh Randolph Fairfield Conn. Lowry
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: SWCC Corp
Priority date: 1980-07-02
Filing date: 1980-12-29
Publication date: 1985-07-25
Also published as: ATA629480A; GB2080715B; CH658809A5; JPS6116215B2; BR8100899A; PT72234A; PT72234B; FI68993B; JPS6192758A; BE889459A; ES8204324A1; AT397477B; JPS5717351A; FR2485963A1; GB2080715A; FI68993C; HK75985A; SE8008640L; ZA807856B; FR2485963B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stranggießen, wobei das Metall von unten in ein langgestrecktes, nach oben wanderndes elektromagnetisches Feld im Inneren einer es umgebenden Stranggießkokille eingeführt wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Ein Verfahren der vorgenannten Art ist in der JP-AS -i8-5413 beschrieben. Bei diesem Verfahren findet jedoch kein willentliches Einstellen eines Spaltes zwischen flüssigem Metall und Kokille statt.

Bei dem in der US-PS 37 35 799 beschriebenen Verfahren zum Stranggießen handelt es sich um ein Verfahren zum Abwärts-Gießen. Einer der ernsthafteren Nachteile dieses Vorgehens ist die mangelnde Betriebssicherheit beim Abwärts-Gießen. So wird im Falle eines unerwarteten Stromausfalles geschmolzenes Metall aus der nach unten gießenden Vorrichtung herausspritzen anstatt nur, wie beim Aufwärts-Gießen. in den Vorratsbehälter zurückzulaufen. Außerdem erfordern die Möglichkeiten des Überlaufens der Schmelze oder eines Ausbruchs

so derselben beim Gießen in Abwärtsrichtung eine konstante, sorgfältige Steuerung von sowohl der Schmelzbeschickungsgeschwindigkeit, als auch der Geschwindigkeit, mit welcher der Block entfernt wir J. Darüber hinaus sind diese Geschwindigkeiten in drastischer Weise durch ein Wärmeaustauschproblem beschränkt, welches demzufolge das kommerzielle Potential dieser speziellen Art des Stranggießens vermindert Der Spalt, der beim Stranggießen nach der US-PS 37 35 799 auftritt, ist sehr weit, und es wird außerdem Kühlmittel in diesen Spalt hineingefüllt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren dahingehend zu verbessern, daß einerseits Reibungs- oder ähnliche Kräfte minimiert werden, doch soll andererseits der Wärmeübergang nicht wesentlich behindert werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man die Stärke des auf die Säule des erstarrenden Metalles wirkenden elektromatischen Feldes so einstellt und aufrechterhält, daß der Flüssigkeitsdruck der Säule vermindert und zwischen der äußeren Oberfläche der Säule flüssigen Metalls und der inneren umgebenden Oberfläche der Stranggießkokille ein wesentlicher, jedoch minimaler Spalt eingestellt wird, so daß die maximal mögliche Wärmeübertragung zwischen der Metallsäule und der Stranggießkokille bewirkt wird und gleichzeitig die Schwerkraft. Reibungs- und Haftkraft minimiert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet die Herstellung von Kupfer- und anderen Metallstäben, die ir der üblichen Weise zur Herstellung von Draht gewalzt, geglüht und gezogen werden können, wobei auf gewissen Produktionsgebieten eine wesentliche Kostensenkung erzielt wird. Beispielsweise ermöglicht die Erfindung die Herstellung von Schwcißdriihtcn und anderen Produkten, in welchen die Korngröße nicht von primärer Bedcu-

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lung ist direkt zur endgültig gewünschten Größe. Als weherer wichtiger Vorteil ist die vorliegende Erfindung ganz allgemein keinen Beschränkungen in der Zusammensetzung unterworfen, und sie ist auf die Fabrikation von Kupferstäben sowohl aus Kupfer mit hohem, als auch mit niedrigem Sauerstoffgehalt anwendbar, und auch

S auf die Herstellung von Stäben und anderen Formen mit größeren Längen aus anderen Metallen und Legierun-

H gen, wobei Aluminium, Legierungen auf Aluminiumbasis, Legierungen auf Kupferbasis, Stahl, und dergleichen

||i eingeschlossen sind, obwohl die Erfindung nicht auf diese Metalle beschränkt ist

ffi Bei dem erfindungsgemäRen Verfahren zum Stranggießen in der Richtung nach oben erfolgt ein Bewegen

ri einer flüssigen Metallsäule in und durch eine Formungszone, in welcher die Metallsäule, während sie einem

sg elektromagnetischen Feld ausgesetzt wird, welches die zur Entfernung des erhaltenen gegossenen Produktes

β aus der Formiagszone erforderliche Kraft verringert fortschreitend abgekühlt und verfestigt Dieser Effekt des

S elektromagnetischen Feldes wird entweder durch Gewichtsvermindern oder durch Einschließen der geschmol-

v zenen Metallsäule über den größeren Teil ihrer Länge hinweg, und insbesondere in dem Teil von ihr, in deren

\':_: Bereich die Verfestigung erfolgt bewirkt Die Gewichtsverminderung wird mittels elektromagnetischer fort-

j: schreitender Wellen bewerkstelligt, die so angewandt werden, daß der überwiegende Teil der Länge der Säule

b während des Gießverfahrens im wesentlichen gewichtslos gehalten wird. Zum Einschließen ist das elektroma- is

Sj gnetische Feld stationär, wird jedoch gleichfalls kontinuierlich angelegt, wobei es dazu dient die Säule aus

\}_t flüssigem Metall über den größten Teil ihrer Länge frei von einem Kontakt mit der Stranggießkokille zu halten.

% Als eine andere Alternative der praktischen Durchführung können das Gewichtsvermindern und das Einschlie-

?i ßen gleichzeitig angewandt werden, wobei die Säule aus geschmolzenem Metall aufgebaut und im wesentlichen

$ gewichtslos und frei von einem Kontakt mit der Stranggießkokille über den größeren Teil ihrer Länge gehalten

H wird- Demzufolge erfüllen die elektromagnetischen Mittel sowohl eine Hebefunktion, als auch Hie Halte- oder

f^ Fül ΐιιιϋΠιίίΐΟΠ-

ςέ Es ist ersichtlich, daß mit diesem Vorgehe:- wichtige Vorteile verbunden sind, und daß die elektromagnetische

•3 Gewichtsverminderung hohe Produktionsgeschwindigkeiten zuläßt weil die Metallsäule im wesentlichen ge-

j > wichtslos ist Es ist daher nicht erforderlich, den frisch verfestigten Teil des Metallproduktes zur Entwicklung

■fi einer ausreichenden Festigkeit zum Halten des darunter liegenden Metallgewichts und auch um den Zugkräften

If zu widerstehen, die bei der Überwindung der Reibung bei der Entfernung des Produktes aus der Formungszone

₍ ^; auftreten, zu kühlen. Anders ausgedrückt, ist die zum Abziehen des verfestigten Metallproduktes aus der

Vk Stranggießkokille erforderliche Arbeitsleistung beim erfindungsgemäßen Verfahren beträchtlich verringert

:.i weil die Arbeitsleistung eine Funktion der S'ranggießkokille-Gießling-Reibung ist, und diese Reibung propor-

f.. tional der Druckkraft an der Grenzfläche ist.

K Bei der praktischen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Druckkraft wegen des gewichts-

' losen Zustandes des geschmolzenen Metalles der Säule und dem demzufolge drucklosen Kontakt der Säule mit

;\ der Stranggießkokille verschwindend klein. Ein Hauptvorteil des elektromagnetischen Einschließens wird hier-

s| durch ohne Beeinträchtigung der Wärmeaustauschwirksamkeit der Stranggießkokille erzielt, da bei der bevor-

i] zugten praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung keine Notwendigkeit für einen mehr als minima-

; ■ len Spalt zwischen der Stranggießkokille und der geschmolzenen Metallsäule über den größeren Teil der Länge

>; der letzteren besteht.

•^; Eine Möglichkeit für größere Produktionsgeschwindigkeiten wird gleichfalls durch das Einschließen und die

'-. Kombination von elektromagnetischer Gewichtsverminderung und dem Einschließen geboten. Demzufoige

wird in jeoem Fall die zur Entfernung des frisch verfestigten Produktes und des Vorwärtsrückens der Säule aus geschmolzenem Metall durch die Verfestigungszone benötige Kraft durch Eliminierung der Reibungs- und Adhäsionskräfte wesentlich vermindert Weiterhin ist es im Hinblick auf die Wärmeaustausch-Wirksamkeit möglich, bei jeder Vorgehensweise einen guten Wärmeübergang zu erzielen, indem man die Breite des Spaltes ■ zwischen der Säule aus geschmolzenem Metall und der umgebenden Stranggießkokille so gering wie möglich

hält.

Ein weiterer Vorteil des kombinierten Verfahrens besteht darin, daß die Gewichtsverminderung leicht bewerkstelligt und unter enger Steuerung über einen weiten Bereich von zugeführter Leistung aufrechterhalten werden kann. So wurde überraschenderweise festgestellt, daß dieses Verfahren eine bemerkenswerte selbstregulierende Eigenschaft aufweist, wobei die einschließenden und gewichtsvermindernden Kräfte hinsichtlich ihrer Wirkungen in Wechselwirkung stehen. Mit dem auf einen gewünschten Wert fixierten Durchmesser der Säule führt ein Anstieg in der nach oben gerichteten Laufgeschwindigkeit der Säule der Metallschmelze zu einer Verringerung der Größe ihres Querschnittes und demzufolge zu einer Abnahme der auf die Säule angewandten elektromagnetischer' Hubkraft. Wenn sich die nach oben gerichtete Geschwindigkeit dann erniedrigt und der Querschnitt der Säule demzufolge wieder ansteigt, erhöht sich die Hubkraft, so daß das System, obwohl es eine leichte SchwankungMendenz aufweisen kann, niemals weit vom Gleichgewicht entfernt und das Produkt in dor Größe des Querschnittes und der Form im wesentlichen gleichmäßig sein wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist in weitem Umfang auf Metall, Me'allmischungen, Metall-Legierungen und auf alle elektrisch leitenden geschmolzenen Materialien anwendbar, die durch Wärmeentzug verfestigt werden können. Ein anderer eng verwandter, unerwarteter Befund ist, daß i.. dem Zustand, in dem der Flüssigkeitsdruck im wesentlichen Null ist. in der Säule aus flüssigem Metall noch ein ausreichender induzierter Wirbelstrom vorhanden ist und demzufolge ein Durchrühren der Flüssigkeil der Säule erfolgt, wenn die Verfestigung rasch mit dem Durchlaufen der Säule durch die das Gewicht vermindernde Zone voranschre itet, so daß ein hohes Ausmaß an homogenem Gicßprudukt offensichtlich sogar in denjenigen Metallmischurigen erzielt wird, die eine ausgeprägte selektive Neigung zur Knimischung und Verfestigung aufweisen. b5

Gemäß einer vcicilhaficn Ausführiingsfonn wird /.»1 Beginn ties Gießens ein Metallstab mit der geschmolzenen, sich durch das Feld nach oben bewegenden Metallsäule verbunden.

»ei Jl-i praktischen Durchführung des erfindiingsgeniäßen Verfahrens ist die Länge des elektromagnetischi;n

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Feldes geeigneterweise größer, und vorzugsweise beträchtlich größer ;ils der Durchmesser des Feldes, und die Länge der Säule ist bei der besten Arbeitsweise größer als ihr Durchmesser.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäücn Verfahrens umfaßt ein« längliche, rohrförmige, in aufrechter Stellung angeordnete Stranggießkokille. Mittel zur Zuführung von flussigem Metall in einen unteren Teil der Stranggießkokille, mit der Kokille zur Kühlung und Erstarrung des flüssigen Metalls verbundene Wärmctausehcrmiltcl, Mittel zum Entfernen des erstarrten Metalls aus dem oberen Bereich der Stranggießkokille, und eine elektromagnetische Spule, die rund um die Stranggießkokille entlang eines Teils ihrer Länge angeordnet ist.

Die Spule weist vorteilhaft mehrere elektromagnetische Wicklungen für eine Verbindung mit aiifeinanderfolgendcn Phasen einer mehrphasigen Stromquelle auf. Dies gestaltet die Krzcugung eines nach oben gerichteten Hubeffektes in einer Säule des flüssigen Metalls in der Stranggießkokille.

Unter »Hubeffekt« wird verstanden, daß eine kontinuierliche Säule aus flüssigem Metall in Kontakt mit dem unteren Ende des produktbildendcn Stabes nach oben drängt. Auf diese Weise werden Poren und Lunker vermieden.

Mehr im einzelnen schließt die Vorrichtungg einen Tiegel zur Aufnahme eines Hades von geschmolzenem Metall ein, das mit dem unteren Ende der Stranggießkokille kommuniziert und ebenso auch mit dem Tiegel verbundene Mittel zur Errichtung und Bewegung einer Säule von flüssigem Metall nach oben in die Stranggießkokille bis zu einem Niveau oberhalb des oberen Endes der Spule.

Die Produkte des Verfahrens der vorliegenden Erfindun" sind !en^c Mc'yi'körpc. dip vollmundig blasenfrci und von im wesentlichen gleichmäßigem Durchmesser und in jedem Fall von durch und durch konstanter Zusammensetzung sind. In ihrem gegossenen Zustand haben diese Stangen, Stäbe und dergleichen glatte, leicht wellige Oberflächen, die der Tatsache zuzuschreiben sind, daß vor, während und gerade nach der Verfestigung das Metall, aus welchem sie hergestellt worden sind, in der bevorzugten Ausführungsweise elektromagnetisch außer Kontakt mit der seitlichen Tragekonstruktion gehalten wurde, und ebenso auch infolge der Tatsache, daß das flüssige Metall an der Verfcstigungsfronl durch induzierte Wirbcktröme beständig durchgerührt wurde. Hei der bevorzugten Ausführungsform kann das Produkt geeignelerweise ein Stab einer Zusammensetzung sein.

welche stark zu einer Phasentrennung tendiert, wobei die induzierten Wirbclströmc einen hohen Grad an Homogenität bewirken.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde gefunden, daß eine durchschnittliche Diffcrenz im Durchmesser des in Schwebe gehaltenen Stabes und eines Stabes, der mit dem Rohr physikalisch in Kontakt steht, von etwa 25 bis etwa 50 μιτι besteht. Dies zusammen mit der einzigartigen Oberflächengestalt beweist, daß die Verfestigung des Stab-Produktes außer Kontakt mit der Oberfläche der Stranggießkokille erfolgte.

Zur näheren Erläuterung und zum besseren Verständnis wird die Erfindung im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Im einzelnen zeigt

F i g. 1 einen Teilquerschnitt in Vorderansicht einer Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zusammen mit einer Warmwalz-Vorrichtung,

F i g. 2 eine schematische Darstellung in Vorderansicht der in F i g. 1 erläuterten Vorrichtung,

Fig.3 eine vergrößerte halbschematische Ansicht der Stranggießkokille von Fig. 2 im Querschnitt, welche die bevorzugte praktische Ausführungsform unter Einbeziehung der Gewichtsverminderung erläutert,

F i g. 4 eine Ansicht ähnlich der von F i g. 3 einer alternativen Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, welche die alternative praktische Ausführungsform unter Einbeziehung der kombinierten Wirkungen des Einschließens und der Gewichtsverminderung der Säule aus flüssigem Metall einbezieht,

F i g. 5 ein Leitungsnetzschema einer Spule zur Gewichtsverminderung, wie es in der Vorrichtung der F i g. 1 bis 4 verwendet werden kann,

Fig.6 eine Ansicht ähnlich der der Fig.3 und 4 von noch einer weiteren Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, weiche die Wirkung des Einschließens der Säule des flüssigen Metalls bei der praktischen Durchführung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung erläutert,

F i g. 7 eine Photographic eines gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung hergestellten Kupferstabes, und

F i g. 8 eine Großaufnahme des unteren Endes des Kupferstabes von F i g. 7, welche die nachstehend diskutie.
ten Oberflächeneigenschaften zeigt.

Das zu gießende, geschmolzene Metall wird in einem in Fig. 1 nicht gezeigten kippbaren Warmhalteofen gehalten, aus welchem nach Bedarf in den Gießtiegel 10 gefüllt wird, um den gewünschten Spiegel an flüssigem Metall innerhalb der Stranggießkokille 11 aufrechtzuerhalten. Die Stranggießkokille ist auf dem Tiegel 10 montiert und erstreckt sich von diesem vertikal nach oben bis zu einem offenen oberen Ende, durch welches das frisch gegossene Stab-Produkt 12 in die Kühlkammer 13 ausgetragen wird, von welcher es zu Tandem-Warmwalz-Stationen 14 und 15 überführt und anschließend endlich gekühlt und bei der Aufspulstation 16 aufgespult wird. Wahlweise kann der Stab i7A direkt zu der abschließend gewünschten Größe für den Gebrauch gegossen werden. Die Metallschmelze wird durch Zuführung mit Gefälle aus dem Warmhalteofen aus dem Tiegel 10 als eine Säule von flüssigem Metall in die Stranggießkokille 11 gedrängt, wobei der Warmhalteofen in Füllstellung zur Lieferung des geschmolzenen Metalls in den Tiegel 10 in Intervallen oder kontinuierlich gekippt wird, wie es während des Stranggießens erforderlich ist. In der bevorzugten praktischen Ausführungsform wird die Säule 20 (Fig.2) des flüssigen Metalls am Anfang auf diese Weise aufgebaut und anschließend bei einem Spiegel oberhalb desjenigen Spiegels gehalten, bei welchem die Gewichtsverminderung durch die elektromagnetischen Wanderwellen wirksam wird, die den mctallostatischen Flüssigkeitsdruck der Säule verringern und sogar eliminieren. Mit anderen Worten wird das obere Ivndc der Säule 20 am Anfang in den unleren Teil der Stranggießkokille 11 gebracht, wo zumindest der obere Teil der Säule 20 im wesentlichen schwerelos wird, wenn

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die Spule der Stranggießkokille mit ihrer elektrischen Stromquelle verbunden wird.

Die .Stranggießkokille Il schließt ein offciicndigcs Rohr 25 ein, das aus einem hitzebeständigen Material -.,

bestehen kann und an dem Tiegel 10 befestigt ist. £

Mit aufeinanderfolgenden Phasen der mehrphasigen elektrischen Stromquelle von F i g. 5 sind beispielsweise /wolf Wicklungen, schematisch mit der Bezugsziffcr 28 bezeichnet, in vertikal unterteiltem Verhältnis um das Ί Rohr 25 herum als Windungen im wesentlichen senkrecht zur Rohrachse angeordnet und in Gruppen zu 3 verbunden, um ein magnetisches Feld zu schaffen, welches in dem flüssigen Metall in dem Rohr 25 Wirbclströmc inii'uziert, was zu einer nach oben gerichteten Hubwirkung auf das zu gießende Metall führt. Dieser scchsphasigc Lcvilator ist zur Ausbildung einer fortschreitenden Wanderwelle betriebsbereit, die sich mit einer Geschwindigkeit proportional zu dem Abstand zwischen aufeinanderfolgenden geschlossenen Flußschleifen und der Anre- in gungsfrequenz bewegen wird. Die Wic'<;ungen 28 sind vertikal entlang der Lange des Rohrs 25 angeordnet, so daß das Gewicht des flüssigen Metalls und des verfestigten Metallproduktes in allen Abschnitten außer dem untersten Abschnitt des Rohres 25 die ganze Zeit während des Gießvorgangs bis zu dem gewünschten Ausmaß, vorzugsweise im wesentlichen bis zur Schwerelosigkeit, vermindert werden kann.

Ein Versuchsmodell der erfindnngsgemäßcn Vorrichtung, das zur Herstellung von stranggegossenen Kupfer·, η Aluminium- und Bronzestäben zur Darlegung der Durchführbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Betriebsfähigkeit der Vorrichtung verwendet wurde, hatte einen Abschnitt mit 36 Windungen Kupferrohr.die in einem Abstand von sechs Wicklungen auf etwa 2,5 cm gewunden waren, was einen Abschnitt von insgesamt etwa 15 cm ergab. Die Ϊ2 Phasen waren jede um όΟ" in der Phase von ihrer; urir^;!tcibaren Nachbarn, entfern', und der Abschnitt war tatsächlich zwei Weü.-nlängcn lang. Der Durchmesser der gewichtsverminderten Metallsäulen betrug 22 mm und die Säule wurde ohne Beschleunigung (d. h. das Gewichtsverminderungsverhältnis betrug im wesentlichen 1,0) bei einer Frequenz in der Nähe von 1200 Hertz gehalten, während die gesamte Gleichstromzuleitung zu dem Gleichstrom-Wcchselstrom-Umformer als Stromquelle für den Levitator im Bereich von annähernd 7 bis 10 kW lag. Es wurde der in F i g. 4 erläuterte Wärmeaustauscher verwendet.

Obwohi Wärmeaustauscher mit einer Vielzahl von Ausführungen und Konstruktionen zusammen mit der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können, ist der für diesen Zweck am besten geeignete, und demzufolge in dieser Kombination bevorzugte Wärmeaustauscher ein solcher, der in der Zeichnung mit der Bezugsziffer 30 bezeichnet wird. Dieser ist eine Konstruktion aus verarbeitetem Walzblech mit oberen und unteren ringförmigen Räumen 31 und 32. und einem zylindrischen Abschnitt 33, der um das Rohr 25 herum in Kontakt mit der ringförmigen äußeren Oberfläche desselben angepaßt ist. Flüssiges Kühlmittel, geeigneterweise Leitungswasser, wird kontinuierlich von einer Quelle (nicht gezeigt) in den oberen Raum 31 eingespeist und strömt durch den Abschnitt 33 während des Stranggießens hindurch, wird durch den unteren Raum 32 und von dort in den Kanal geleitet, wobei es die durch das Rohr 25 aus dem darin befindlichen flüssigen Metall und dem frisch verfestigten Metallprodukt absorbierte Wärme mit sich führt. Die Wicklungen 28 sind, wie in Fig. 3 erläutert, außerhalb des zentralen Abschnittes des Wärmeaustauschers angeordnet, und erstrecken sich im wesentlichen von dem einen Raum bis zu dem anderen in gleichmäßig unterteiltem Verhältnis und sind dichtstehcnd radial um den Wärmeaustauscher herum angeordnet. Ein geeignetes Knnstruklionsmatcrial des Wärmeaustauschers 30 ist rostfreier Stahl wegen der Korrosionsbeständigkeit und der Wärmeaustauschwirksamkeit derartiger Legierungen.

Beider Durchführung des crfindungsgcmäßen Verfahrens wird, wie derzeit bevorzugt, der Tiegel 10 mit einer Metallschmelze, wie Kupfer, zum Stranggießen für die Herstellung von Gegenständen mit großer Längenausdehnung, wie beispielsweise ein Stab, beschickt. So wird als vorläufige Stufe das Metall geschmolzen und dem Tiegel 10 aus dem Warmhaltehofen zugeführt, um eine Säule aus flüssigem Metall 20 mit ihrem oberen Ende innerhalb des Rohrs der Stranggießkokille 11 auszubilden. Der Anfahrstab 40 wird durch das obere Ende des Rohrs 25 eingeführt, um das untere Ende des Stabes in Kontakt mit dem Oberteil der Säule aus flüssigem Metall zu bringen. Durch Leitungswasser, das mit Höchstgeschwindigkeit durch den Wärmeaustauscher hindurchfließt, wird ein oberer Teil der flüssigen Säule in Kontakt mit dem Stab verfestigt. Der Stab 40 und das angeschmolzene Stabende wird dann nach oben aus dem Rohr 25 mit annähernd der Geschwindigkeit der Bildung des festen Stabes herausgezogen. Die flüssige Säule wird zumindest über den größten Teil ihrer Länge im wesentlichen schwerelos und so in im wesentlichen drucklosen Kontakt mit dem Rohr 25 in dieser Lage durch den Betrieb der Spule gehalten, und der Betrieb wird auf einer kontinuierlichen Basis aufrechterhalten, wobei eine kontinuierliche Länge eines Metallstabes mit glatter, glänzender, leicht welliger Oberfläche und insgesamt vollständig blasenfreiem Charakter hergestellt wird. Dieser Stab wird durch die Kammer 13 geführt, wo das Besprühen mit Wasser seine Temperatur bis zu dem Punkt herabsetzt, bei welchem er in dem Zustand für eine abschließende Kühlung und Wicklung, mit oder ohne dazwischenliegendem Warmwalzen, ist.

Wenn der Spiegel der Säule des flüssigen Metalles 20 sinkt, während das Verfahren weiterläuft, wird zusätzliche Schmelze unter Zuführung mit Gefälle in den Gießtiegel 10 eingefüllt, so daß das Gießverfahren ohne Unterbrechung fortgesetzt wird.

Dieses neue Verfahren der vorliegenden Erfindung hat sich durch die Verwendung der Vorrichtung in einer Anzahl von Versuchen, die eine Vielzahl von metallischen Materialien einbezogen haben, als erfolgreich erwie- μ sen. Insbesondere wurden Aluminium. Kupfer und eine Bronzelcgicrung in Stabform gegossen, wobei die Verfahren im wesentlichen so durchgeführt wurden, wie das unmittelbar zuvor im einzelnen beschrieben wurde. In jedem Falle war das Stab-Produkt einheitlich etwa 22 mm im Durchmesserund vollständig blasenfrci und von durchwegs gleichmäßiger Zusammensetzung, und hatte eine glatte, glänzende und etwas wellige Oberfläche. Die dem Lcviiator /.ugcföhrtc elektrische Leistung wurde jedoch gemäß den Unterschieden zwischen den Gießling- h·, Materialien variiert, um annähernd die Stärke der Gewichtsverminderung an das Gewicht des Materials anzupassen, d. h. einen Beschlcunigiingsleviiations/.ustand von im wesentlichen Null einzurichten und aufrechtzuerhalten. Im Gegensatz zu Erwartungen ist eine genaue Steuerung der elektromagnetischen Feldstärke zur

Aufrcchterhaltungdieses Gleichgewichts von l.evitntionsstärkc und Gewicht nicht notwendig.

Bei der Gewichtsverminderung wird die Säule des flüssigen Metalls mich oben beschleunigt, wenn die Lcvttationskrafl größer als das Gewicht ist, und dies führt zu einer Verringerung der Hubkraft als Folge der Herabsetzung des Querschnitts der Säule, wahrend das Gegenteil der Fall ist. wenn die I lubkrafi kleiner als das Gewicht ist. Die Gewichtsverminderung erfolgt auf einem großen Teil der Liinge der Säule des flüssigen Metalls und des verfestigten Stab-Produktes innerhalb des Rohrs, während die Teile der Säule in den äußersten F.nden des Rohres, wo die Levitationskräfte durchschnittlich nur etwa die Hälfte von den vorstehenden betragen, unterstutzt, beziehungsweise durch das Druckgcfälle und die Hubkraft, die durch den Anfahrstab 40 ausgeübt wird veranlaßt werden, die flüssige Säule auf die anfängliche Höhe anzuheben. Demgemäß wird, wenn die flüssige Säule eingerichtet ist, eine kleine nach oben gerichtete Beschleunigung durch die Levitationskräfte des Bereiches des unteren Endes geschaffen, und wenn sich die Säule des flüssigen Metalls langsam nach oben bis zu einem Punkt etwa gleich dem Radius der Levitationswicklungen bewegt, trill sie in Felder ein, die stark genug sind, die Säule in einen im wesentlichen schwerelosen Zustand einzuführen und diesen aufrechtzuerhalten, so daß ihr Kontakt mit dem Rohr im wesentlichen drucklos ist. Durch F.rhöhcn des Druckgcfällcs ist es daher möglich, die nach oben gerichteten Flicßgcschwindigkeitcn zu erhöhen, und gewöhnlich kann das anfangliche

Druckgcfälle zur Regulierung der Geschwindigkeit einer derartigen Strömung verwendet werden, wobei die Spule dann dazu dient, eine derartige anfänlichc Strömling bei einem relativ konstanten Wen durch die obere Länge der flüssigen Säule aufrechtzuerhalten. Im Interesse der Begrenzung der Größe der Gießeinrichtung, und insbesondere der Lcvitator-Anordnung.

und auch zur Verringerung der Größe der erforderlichen zugeführten Leistung auf ein Minimum zum Halten der flüssigen Säule durch die Verfestigungsstufe, ist eine maximale Wärmeaustausch-Wirksamkeit erwünscht, und zu diesem Zweck schafft der oben beschriebene Wärmeaustauscher wirkungsvoll einen Zustand, der angenähert einem Abschrecken mit Wasser durch wirksames Umhüllen der aufsteigenen Säule aus flüssigem Metall in einem rasch fließenden, turbulenten Strom mit jedoch ziemlich kleinem ringförmigem Querschnitt eines flüssi gen Kühlmittels entspricht. Der Wärmeaustausch zwischen der Metallsäule 20 und dem umgebenden Graphit rohr 25, welches an der zylindrischen Oberfläche die Innenwandung der Wärmeaustauscher-Anordnung aus rostfreiem Stahl trägt, schafft einen hochwirksamen Wärmeübergang. In der erläuterten Version dieses Wärmeaustauschers wird dieser Wärmeübergang weiter durch kurze, innen angebrachte ringförmige Rippen 43 gesteigert, die als Barriere für eine laminare Strömung dienen und Turbulenz in der Kühlflüssigkeit verursachen, die von dem oberen Ringraum 31 durch den Wärmeaustauscher zu dem unteren Ringraum 32 strömt.

Obwohl die Theorie im Prinzip keine Beschränkung für die Querschnittsgröße der Produkte vorschreibt, die durch das erfindungsgemäße Verfahren gegossen werden, wird aus überwiegend praktischen Erwägungen heraus der Bereich für den Durchmesser des gegossenen Stabs auf zwischen etwa 5 mm und 50 mm festgelegt, wobei erfindungsgemäß im Falle eines Kupferstabs ein Durchmesser von 8 bis 30 mm bevorzugt wird. Warm walzen wird dann zu dem gewünschten Stabdurchmesser und einer für das Ziehen von Draht erforderlichen feinen Kornstruktur führen. Auf jeden Fall sind jedoch der Innendurchmesser des Rohrs 25 und die Verfahrensparameter so ausgewählt, daß gemäß der bevorzugten praktischen Ausführungsform der Erfindung ein minimaler ringförmiger Spalt zwischen dem flüssigen Metall der Säule 20 und dem Rohr 25 vorhanden ist. Dies ist zutreffend unterhalb des runkies, wo eine Vcricsiigung des flüssigen rviciaiis zu einer Schrumpfung des Qucr schnittsbereiches der Säule führt, obwohl eine derartige Schrumpfung ziemlich gering ist. Der mit der Bezugszif fer 45 in den F i g. 2 und 3 bezeichnete Spalt ist lediglich schematisch eingezeichnet und es ist nicht beabsichtigt, daß er die Lage oder die Dimensionen des ringförmigen Spaltes genau wiedergibt.

In einem Versuch zum Zwecke des Tcstcns des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von im wesentlichen homogenen Gicßlingen aus einer Legierung mit einer Tendenz zur selektiven Entmischung und Verfestigung von verschiedenen Komponenten, wurde eine Aluminium-Bronzc-Lcgicrung erschmolzen und zu drei verschiedenen Zeiten unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, im wesentlichen wie oben beschrieben, gegossen, mit den Ausnahmen, daß (1) der Wärmeaustauscher ein einfaches Kupferrohr war. das um das Rohr 25 herumgewickelt und in Wärmeaustausch-Kontakt damit war (wie dies in F i g. 4 gezeigt ist), und (2), daß eine Säule 20 aus flüssigem Metall eingerichtet und durch Verdrängung der Schmelze aus dem Tiegel 10 mittels der Einwirkung eines Kolbens, anstelle der Zuführung mit Gefälle aus einem Warmhalteofen aufrechterhalten wurde. Die Ergebnisse der Analysen der zur Herstellung der Metallschmelze und der drei Stab-Produkte verwendeten Legierung sind in der Tabelle angegeben, aus der ersichtlich ist, daß innerhalb der Genauigkeit der Probenentnahme und der angewandten analytischen Techniken die Vollständigkeit der Legierungszubereitung voll aufrechterhalten wurde.

Tabelle

Element	Ausgangsmalcrial	Vers. 1	Vers. 2	Vers. 3
60 Fe	2.64%	2,69%	2,65%	2.71%
Sn	0,01%	0.03%	0,01%	0.02%
Zn	0,01%	0,03%	0,02%	0.02%
Al	10.35%	10,12%	10,02%	10.05%
Mn	0,49%	0.76%	0,68%	0.72%
65 Si	0.028%	0,049%	0,039%	0.046%
Ni	5,00%	4,99%	4,90%	4.99%
Andere	0,03%	0.03%	0.03%	0.03%
Cu	Rest	Rest	Rest	Rest

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I «is Hiiiiii-il ^i-niiili (Kt l^; 11'. Ί i-iiiliiili ι·ίιι Kiihr V) Mud cine Ki'ilic von 12 getrennten Kühlrohrcn aus Kupfer '»2.(Jn- iiiiidciii Kiilir50itufgLWii kill iiiul cuilaugdcr Lange ilcssclbcii iiiigcordnct und getrennt mil einer Quelle für Kühlflüssigkeit, wie beispielsweise Leitungswasser (nicht gezeigt) verbunden sind. Die Rohre 52 sind auch betriebsfertig in Dreiergruppen mit aufeinanderfolgenden Phasen der mehrphasigen elektrischen Stromquelle, die in F i g. 5 gezeigt wurde, wegen des weiter oben beschriebenen, nach oben gerichteten Hubeffekts, verbunden, und um so zwei wesentlichen Zwecken zu dienen. Ebenso wie in F i g. 3 werden die einzelnen Vvicklungsgruppen durch die Buchstaben A, B. C bezeichnet, welche sich auf die drei Phasen der Fi g. 5 beziehen, welche das Diagramm der Schaltung der Vorrichtung und die Stromquelle erläutert. Daher nimmt dieses Bauteil die Stelle des Rohrs 25, des Wärmeaustauschers 30 und der zwölf Wicklungen 28 in der Vorrichtung von F i g. 3 ein. jedoch arbeitet es, wie dies gezeigt wird, so, daß sowohl Levitation, als auch Einschließ- oder Formfunktionen gewährleistet sind. Mit anderen Worten gesagt, wird diese Vorrichtung in einer solchen Weise verwendet, daß die Säule des flüssigen Metalis 55 ähnlich der Säule 20 schwerelos über den größten Teil ihrer Länge ist. daß sie jedoch, ungleich der Säule 20, über die gleiche Länge außer Kontakt mit dem Rohr 50 gehalten wird, und davon durch einen ringförmigen Spalt 57 getrennt ist, der vorzugsweise eine kleine radiale Dimension aufweist. ₍,.

Es wird ein Schutzgas, das nicht in schädlicher Weise mit dem zu gießenden Metall reagiert, verwendet, und es kann dem Raum 57 in irgendeiner gewünschten Weise zugeführt werden. Erfindungsgemäß wird zu diesen Zweck beim Gießen von Kupfer Stickstoff oder eine Mischung von Stickstoff. Wasserstoff und Kohlenmonoxid verwendet, die durch Verbrennen von Naturgas hergestellt und anschließend aufgetrennt wird, wobei HiO und 0!Oi aus rinn erhaltenen Oasen entfernt werden.

In gleicher Weise kann das Bauteil von F i g. 6 anstelle der entsprechenden Komponenten der F i g. 3 verwendet werdt.n, wenn eine elektromagnetische Gewichtsverminderung in dem nach oben gerichteten Gießverfahren nicht erforderlich ist. jedoch ein elektromagnetisches Einschließen gewünscht oder für die Herstellung eines kontinuierlich gegossenen Meiallgegcnstandes gefordert wird. Demgemäß wird, wie in Fig.6 gezeigt, eine Säule 60 aus flüssigem Metall außer Kontakt mit dem Rohr 61 zumindest in dem Teil der Säule gehalten, wo die Verfestigung der Säulcnoberflächc eintritt. Gegenwärtig wird bei der bevorzugten praktischen Durchführung dieses Verfahrens der vorliegenden Erfindung der elektromagnetische Formeffekt gut unterhalb der Erstarrungsgrenze der Säulenoberflächc ausgedehnt, wie dies bei dem in F i g. 4 erläuterten Betrieb der Fall ist, wodurch ein ringförmiger Spalt 63 ausgebildet und aufrechterhalten wird.

Ähnlich der Vorrichtung von F i g. 4 hat diejenige von F i g. 6 eine Reihe von Kupferrohr-Wicklungen 62, die jedoch mit einer einphasigen elektrischen Stromquelle 64 verbunden sind und zusätzlich als Kühlmittel dienen, und die in gutem Wärmeübergangskontakt mit dem Graphitrohr 61 sind, welches in Struktur und Funktion den Rohren 25 und 50 entspricht. Im Betrieb wird kontinuierlich Wasser mit einer maximalen Strömungsgeschwindigkeit in die Wicklungen 62 aus einer geeigneten (nicht gezeigten) Quelle eingeführt. Das Wasser, welches die von dem heißen Metall innerhalb des Rohrs 61 absorbierte Wärme enthält, wird entweder aus den Wicklungen 62 in ein Reservoir zum Abkühlen und zur Rezirkulation, oder in einen Abflußkanal geleitet.

Das gegossene Kupferstab-Produkt des Verfahrens nach der Erfindung, das in den F i g. 7 und 8 gezeigt wird, wurde gemäß der bevorzugten Praxis des erfindungsgemäßen Verfahrens durch die Verwendung der Vorrichtung von Fig.3 hergestellt. Insbesondere wurde das nach oben gerichtete Gießverfahren durchgeführt, wie es unter Bezugnahme auf die F i g. 1 bis 3 beschrieben wurde, wobei die elektromagnetische Levitalionsprbeitswei- _4Q se angewandt wurde, um die Säule aus flüssigem Kupfer schwerelos, jedoch in drucklosem Kontakt mit dem Rohr über den oberen Teil der Säule zu hallen. Die leicht wellige, glatte, glänzende Oberfläche des Stab-Produktes wurde erzielt, weil die Säule des flüssigen Kupfers daran gehindert wurde, einen Druck auf die seitliche Tragekonstruktion an dem Punk', auszuüben, wo die Oberfläche der Säule sich verfestigte. Es ist ebenso auch das Ergebnis der in dem sich verfestigenden Kupfer induzierten Wirbelströmen durch das das Gewicht vermiAJern- ^ de Feld. Dieses vollkommen blascnfrcic Produkt (8, 9 durch tatsächliche Messung und Abschätzung) hatte durchwegs eine offensichtlich gleichmäßige Zusammensetzung. Der Stabdurchmesser betrug annähernd genau 16 mm, was der Innendurchmesser des Rohres 25 war, in welchem der Stab hergestellt wurde. Das glatte, glanzlose Band an dem unteren oder linken Ende des Stabes hatte einen um etwa 50 μττι größeren Durchmesser als die glänzenden, welligen Oberflächenteile, wobei sich die glänzenden Teile verfestigten, während sie nicht in _χ Druckkontakt mit dem Erleichterungsrohr waren. Dieses kurze, glatte, glanzlose Band an dem unteren Ende des Stabes verfestigte sich in einem Bereich des Wärmeaustauschers unterhalb des Bereiches der wirksamen Levitation, und das geschmolzene Kupfer war deshalb in Druckkontakt mit dem Rohr. Der Unterschied im Aussehen der Teile, die sich im Druckkontakt und nicht im Druckkontakt befanden, ist offensichtlich.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

30 43 353 Patentansprüche:

1. Verfahren zum Stranggießen, wobei das Metall von unten in ein langgestrecktes, nach oben wanderndes elektromagnetisches Feld im Inneren einer es umgebenden Stranggießkokille eingeführt wird, dadurch

gekennzeichnet, daß man die Stärke des auf die Säule des erstarrenden Metalles wirkenden elektromagnetischen Feldes so einstellt und aufrechterhält, daß der Flüssigkeitsdruck der Säule vermindert und zwischen der äußeren Oberfläche der Säule flüssigen Metalls und der inneren umgebenden Oberfläche der Stranggießkokille ein wesentlicher, jedoch minimaler Spalt eingestellt wird, so daß die maximal mögliche Wärmeübertragung zwischen der Metallsäule und der Stranggießkokille bewirkt wird und gleichzeitig die

Schwerkraft, Reibungs- und Haftkraft minimiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu Beginn des Gießens ein Metallstab mit der geschmolzenen, sich durch das Feld nach oben bewegenden Metallsäule verbunden wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Kupfer, Aluminium, Stahl, eine Legierung auf Kupferbasis oder eine Legierung auf Aluminiumbasis vergossen werden.

4. Anwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Rundslä bs mit einem Durchmesser von 8 bis 30 mm gegossen werden.

5. Anwendung eines der Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 3 zum Gießen von etwa 16 mm Durchmesser.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine längliche, rohrförmige, in aufrechter Stellung angeordnete Stranggießkokille (11,25, SO, 61), Mittel (10) zur Zuführt^ von flüssigem Metall in einen unteren Teil der Stranggießkokille, mit der Kokille zur Kühlung und Erstarrung des flüssigen Metalls verbundene Wärmetauschermittei (30,31,32), Mittel (4ö) zum Entfernen des erstarrten Metalls aus dem oberen Bereich der Stranggießkokille, und eine elektromagnetische Spule (28,52,61), die rund um die Stranggießkokille entlang eines Teils ihrer Länge angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule mehrere elektromagnetische Wicklungen (28,52) für eine Verbindung mit aufeinanderfolgenden Phasen einer mehrphasigen Stromquelle aufweist

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stranggießkokille ein Rohr (11,25,50,61) aus hitzebeständigem Material ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch einen Tiegel (10) zur Aufnahme eines, mit dem unteren Ende der Stranggießkokille (11,25) kommunizierenden Bades von geschmolzenem MetaJl (20) uiiu mit dem Tiegel verbundene Mittel zur Errichtung und Bewegung einer Säule von flüssigem MetaJI nach oben in die Strang;:^:sßkokille (11,2S) bis zu einem Niveau oberhalb des unteren Endes der Spule (28).

10. Vorrichtung nach einem dr - Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die mehrphasige Stromquelle ein Drehstromgenerator zur Erzeugung eines gleichmäßigen und symmetrischen Feldes ist