DE3134699A1

DE3134699A1 - Verfahren zum abkuehlen von duennwandigen giesskokillen sowie hierfuer geeignete kokillen

Info

Publication number: DE3134699A1
Application number: DE19813134699
Authority: DE
Inventors: Ali 5632 Wermelskirchen Bindernagel; Heinrich 2907 Großenkneten Faste
Original assignee: Kocks Technik GmbH and Co KG
Current assignee: Kocks Technik GmbH and Co KG
Priority date: 1981-09-02
Filing date: 1981-09-02
Publication date: 1983-03-10
Also published as: US4487247A; JPS5847561A; GB2104812A; GB2104812B

Description

Sie/Hel. 24.8.1981

Beschreibung t

Beim Gießen von Blöcken in herkömmlicher Art werden Kokillen eingesetzt, die eine verhältnismäßig große Wanddicke besitzen, so daß für die Kokille selbst eine größere Materialmenge benötigt wird, als die des darin erzeugten Blockes. Diese große Wanddicke gibt zum ersten der Kokille eine große mechanische Festigkeit. Zum zweiten besitzen Kokillen mit derart großen Wanddicken ein beträchtliches Wärmeaufnahmevermögen, so daß schnell eine erstarrte tragende Randzone des Blockes entsteht, ohne daß die Kokille in dieser kritischen phase der Blockerstarrung schon wesentliche Dehnungen aufweist. Infolge der großen Wärmekapazität steigt nämlich die mittlere Wandtemperatur zunächst nur sehr langsam an und damit auch die Ausdehnung der Kokille.

Bei diesem herkömmlichen Verfahren für den Blockguß sind jene Kosten beträchtlich, die allein für die Kokillen aufgewendet werden müssen, wobei die große Wanddicke der Kokillen ein entscheidender kostentreibender Faktor ist. Es hat daher nicht an Versuchen gefehlt, starkwandige Kokillen durch andere zu ersetzen.

Die herkömmlichen Gießkokillen mit ihren großen Wanddicken besitzen den weiteren Nachteil, daß mit ihnen keine besonders langen Blöcke, Knüppel oder dergleichen gegossen werden können und ein Längen/Durchmesserverhältnis von etwa 10:1 kaum überschritten werden kann und, je nach Werkstoff und Kokillenform, häufig nicht einmal erzielbar ist. Der Grund hierfür besteht im Auftreten von Längsrissen, also von mehr oder weniger tiefen Rissen in der Blockoberfläche. Diese Risse im Block bilden sich bei Verwendung herkömmlicher Kokillen deshalb, weil die Außenhaut des Blockes beim Gießen sehr schnell aufgrund der Berührung mit der kalten, dicken Kokillenwand erstarrt, an der die Außenhaut zunächst fest anliegt. Wegen der beim Abkühlen des Blockes auftretenden Schrumpfung hebt

sich die Blockaußenhaut von der Kokillenwand ab, so daß sich zwischen beiden ein Spalt bildet. Die Blockaußenhaut ist in diesem Zustand nicht mehr von der Kokillenwand gestützt und reißt, wenn sie durch einen zu schnell steigenden, von der Schmelze selbst verursachten ferrostatischen Druck einer entsprechend hohen Belastung ausgesetzt ist. Diese Belastung tritt in der Regel dann auf, wenn Blöcke mit einem Längen/Durchmesserverhältnis von mehr als 10:1 gegossen werden, weil bei derart langen Blöcken auch der ferrostatische Druck der im Blockinnern noch flüssigen Schmelze entsprechend hoch wird und die nicht abgestützte noch dünne Blockaußenhaut derart belastet, daß sie reißt. Blöcke mit diesen Rissen können nicht verwendet werden, weil die Risse auch beim Weiterverarbeiten mit wirtschaftlich vertretbaren Mitteln nicht zu beseitigen sind.

Um diese Nachteile zu vermeiden, hat man bereits eine Kokille entwickelt, die eine verhältnismäßig geringe Wanddicke aufweist und welche ihre mechanische Festigkeit wegen eines Traggerüstes besitzt, welches die eigentlichen Kokillenwände außenseitig umschließt, wobei sich die Kokillenwände nur über eine Anzahl kleinflächiger, vorzugsweise punktförmiger Berührungsstellen am Traggerüst abstützen, um den Wärmeübergang so gering wie möglich zu halten. Mit dieser bekannten Gießkokille (DE-OS 24 46 5O5) ist es aber möglich, Blöcke, Knüppel oder dergleichen besonders großer Länge, also mit einem Längen/Durch— messerverhältnis von mehr als 10:1 herzustellen.

Mit dieser bekannten Kokille läßt sich auch ein bekanntes Verfahren (DE-PS 24 34 850) anwenden, bei dem die Schmelze von oben in eine stehende oder schwach geneigte Kokille mit hoher Geschwindigkeit eingegossen, die Kokille unmittelbar danach abgedeckelt und anschließend in die Horizontale geschwenkt wird, wo man sie langsam um ihre Längsachse bewegt, ohne dabei nennenswerte Zentrifugalkräfte aufkommen zu lassen. Bei diesem bekannten Verfahren ist die dünnwandige Kokille einer starken Wärmebeanspruchung ausgesetzt und sie dehnt sich infol-

gedessen bereits nach kurzer Zeit sehr stark aus. Hierdurch entsteht eine beträchtliche Relativbewegung zwischen dem erstarrenden Block und der Kokilleninnenwand, wodurch Querrisse auftreten können. Querrisse entstehen um so eher, je größer das Längen/Durchmesserverhältnis ist. Die Erstarrung im unteren Bereich der Kokille erfolgt wegen des großen Längen/Durchmesserverhältnisses viel früher, als im oberen Teil, in dem die Schmelze wesentlich später eingegossen worden ist. Diese Zeit- und Temperaturdifferenz verursacht im wesentlichen die auftretenden Querrisse.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine dafür geeignete Kokille zu schaffen, bei dem bzw. der das Auftreten von Rissen, auch bei Blöcken mit einem Längen/Durchmesserverhältnis von mehr als 10:1 nicht zu befürchten ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß beim. Gießen übereinander angeordnete Abschnitte der Kokillenwände außenseitig gesondert mit Kühlmittel beaufschlagt werden, wobei der unterste Abschnitt zuerst mit Beginn des Gießvorganges, jedoch mit mäßiger Intensität und die darüberliegenden Abschnitte mit Zeitabstand nachfolgend beginnend mit steigender Intensität bis zum obersten Abschnitt erst kurz vor Ende des Gießvorganges beginnend, jedoch mit hoher Intensität gekühlt wird, daß während des Erstarrungsvorganges alle Kokillenwandabschnitte mit gleich hoher Intensität gekühlt werden und daß bereits kurz vor dem vollständigen Erstarren und Ausstoßen des Blockes die Kühlung unterbrochen wird.

Hierdurch wird zunächst erreicht, daß die Abkühlung der Schmelze, über die Kokillenlänge betrachtet, sehr viel gleichmäßiger wird als beim herkömmlichen Gießverfahren, was insbesondere dann von großer Bedeutung ist, wenn das Längen/Durchmesserverhältnis größer als 10:1 ist. Die Abfuhr der Wärme kann durch die erfindungsgemäße Dosierung des Kühlmittels weitgehend nach den verfahrenstechnischen

Erfordernissen gesteuert werden, da die Wärmekapazität der nur dünnwandigen Kokille vernachlässigbar klein ist. Durch die erfindungsgemäß gesteuerte, nach Zeit und Intensität programmierbare Kühlung, können die teilweise einander wiedersprechenden Forderungen, welche die Qualitätssicherung, die Erzielung von Rißfreiheit, die leichte Entnahme der Blöcke aus der Kokille, die hohe Produktivität und ähnliches stellen, optimal ausgeglichen werden. Beim Herstellen von Hohlblocken ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft zum Erzielen einer einwandfreien Oberfläche innerhalb des Loches, insbesondere eine konzentrische, gleichmäßige Ausbildung des Hohlraums.

Daß beim Beginn des Gießvorganges die oberen Kokillenwandabschnitte ungekühlt bleiben und der unterste Abschnitt nur mit einer mäßigen Intensität gekühlt wird, geschieht deshalb, weil im Bereich des fallenden Gießstrahls die auf die Kokilleninnenwand treffenden Schmelzenspritzer nicht zu sehr abkühlen sollen, um ein vollständiges Wiederaufschmelzen derselben zu gewährleisten. Außerdem soll die erfindungsgemäße Abstufung der Kühlung bewirken, daß diese nur so weit geht, daß im Bereich der gefüllten Kokille eine Beschädigung der Kokillenwände, z.B. durch Aufschmelzen, vermieden wird. Ferner wird dem Voreilen der Erstarrung im unteren Bereich entgegengewirkt. Man erhält statt dessen durch die progressive Steigerung der Wärmeabfuhr von dem untersten Abschnitt zum obersten eine Vergleichmäßigung der Erstarrungsschicht, was vor allem bei Blöcken mit großem Querschnitt wesentlich ist. Die hohe Kühlungsintensität während des Erstarrungsvorganges nach Beendigung des Gießvorganges dient der Steigerung der Produktivität, indem man das Erstarren der Schmelze zum Block durch maximale Wärmeabfuhr beschleunigt. Die bereits kurz vor dem vollständigen Erstarren und Ausstoßen des Blockes unterbrochene Kühlung bewirkt, daß die aus dem Block nachfließende Wärme die dünnwandige Kokille auf Temperaturen aufheizt, welche zu einer ausreichenden Ausdehnung der Kokille gegenüber dem erstarrten Block führen, wodurch das Ausstoßen des Blockes erleichert wird.

Außerdem ist es empfehlenswert, nach dem Ausstoßen des Blockes alle Abschnitte der Kokillenwände mit maximaler Intensität auf den für die Kokillenpflegearbeiten günstigen Temperaturbereich abzukühlen. Die Kühlung kann dabei so gesteuert werden, daß beim Aufbringen von z.B. wässriger Kokillenschlichte die Restwärme der Kokille noch ausreicht, um das damit eingebrachte Wasser vollständig verdampfen zu lassen. Dabei läßt sich berücksichtigen, daß die mittleren Längenabschnitte der Kokille im allgemeinen eine höhere Temperatur aufweisen, als die oberen und unteren Endabschnitte, so daß es sich empfiehlt, die mittleren Abschnitte der Kokille stärker abzukühlen, als die oberen und unteren Abschnitte, damit auch bei den Kokillenpflegearbeiten möglichst gleichmäßige Temperaturen der Kokillenwände vorhanden sind.

Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Kokille zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die sich dadurch kennzeichnet, daß die dünnen Kokillenwände von einem, gegebenenfalls auch als Tragkonstruktion dienenden, kühlmitteldichten Außenmantel mit Abstand umgeben sind, wobei Trennelemente den so entstandenen Zwischenraum in übereinander angeordnete Kühlkammern unterteilen, in denen die zugehörenden Abschnitte der Kokillenwände gesondert und in unterschiedlicher Menge mit Kühlmittel beaufschlagbar sind. Bei einer solchen Kokille lassen sich die einzelnen Abschnitte der Kokillenwände mit sehr unterschiedlicher Intensität und zu verschiedenen und gleichen Zeiten kühlen und es läßt sich somit die Wärmeabfuhr aus der Schmelze bzw. dem Block recht genau steuern.

Bei einer zweckmäßigen Ausführung der Erfindung sind die Trennelemente und damit die Größen der Kühlkammern und der zu kühlenden Kokillenwandabschnitte einzeln verstellbar. Bei dieser Ausführungsform empfiehlt es sich, die Trennelemente als klappenartige Böden auszubilden, die mittels von außen zugänglicher Stellelemente innerhalb des Zwischenraums zwischen Außenmantel und Kokillenwandung verstellbar sind.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Kühlkammern über verschließ- und drosselbare Verbindungsleitungen und/oder -Öffnungen wahlweise miteinander verbunden. Auch dies ist eine Maßnahme, um die Intensität der Kühlung in den einzelnen Abschnitten steuern zu können.

Besonders vorteilhaft ist es auch, den Durchflußquerschnitt der Zu- und/oder Abflußleitungen für das Kühlmedium der einzelnen Kokillenwandabschnitte verschließ- und drosselbar auszubilden. Durch eine Drosselung, beispielsweise der Rückflußleitung des Kühlmittels, erhält man in der betreffenden Kühlkammer einen höheren Druck gegenüber der darüberliegenden Kühlkammer, so daß von dort her über eventuell vorhandene Undichtigkeiten zwischen den beiden Abschnitten kein Kühlmedium in die erstgenannte Kühlkammer eindringen kann. Auf diese Weise läßt sich eine exakte Abdichtung zwischen den einzelnen Kühlkammern einsparen, ohne daß die Regelbarkeit der Kühlintensität hierunter leidet. Diese kann durch die Drosselung der Zu- und/oder Abflußleitungen feinfühlig verändert werden.

In den Zeichnungen ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles dargestellt. Es zeigen:

Figur 1 ein Wärme/Zeitdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Figur 2 ein Längenabschnitt der erfindungsgemäßen Kokille im Längsschnitt.

In Figur 1 ist ein Diagramm dargestellt, dessen Abszisse in verschiedene Zeitabschnitte (A bis E) unterteilt ist. Auf der Koordinaten ist die abgeführte Wärme pro Flächeneinheit aufgetragen. Insgesamt ist nur ein Gießzyklus dargestellt, der sich in der Praxis fortlaufend wiederholen kann. Er beginnt mit dem Zeitabschnitt A, indem die Kokille gefüllt wird. Die Kokille verfügt beispielsweise

über vier Kühlkammern, was in dem Diagramm durch die vier Kurven deutlich erkennbar ist. Zunächst setzt nur in der Kühlkammer 1 die Kühlung ein,jedoch mit einer nur geringen Intensität. Zeitlich jeweils kurz danach wird auch im Bereich der Kühlkammern 2, 3 und 4 gekühlt, wobei die Kühlintensität in den einzelnen Kühlkammern jeweils deutlich höher liegt. Im Bereich der Zeitspanne B ist die Kokille gefüllt, steht aber immer noch im wesentlichen senkrecht, während sie abgedeckelt wird. Die Kühlung in den einzelnen Kühlkammern 1 bis 4 ist auch in dieser Zeitspanne unterschiedlich groß, aber bleibt im wesentlichen konstant.

Am Ende der Zeitspanne B erfolgt ein Kippen der Gießkokille in eine im wesentlichen horizontale Position, wobei gleichzeitig mit einer langsamen Rotation der Gießkokille um ihre Längsachse begonnen wird. Mit Beginn dieser mit C bezeichneten Zeitspanne wird die Kühlintensität in allen Kühlkammern 1 bis 4 der Kokille auf das Maximum erhöht, und zwar zunächst in der untersten Kühlkammer 1 und nachfolgend die darüberliegenden Kühlkammern 2, 3 und 4 in kurzer Folge. Die maximale Kühlung wird beibehalten bis zum Ende der Zeitspanne C, wobei die Kokille laufend gedreht wird. Bevor diese Drehbewegung jedoch abgeschaltet wird, nämlich mit dem Beginn der Zeitspanne D, unterbricht man die Kühlung vollständig. Der aus dem Block nachströmenden Wärme gibt man dann über die Zeitspanne D hinweg die Gelegenheit, die dünnwandige Kokille aufzuheizen, so daß sie sich ausdehnt und vom Block ablöst. Dies erleichtert das Ausstoßen des Blockes am Ende der Zeitspanne D.

Innerhalb der Zeitspanne E werden zunächst alle Kühlkammern 1 bis 4 der Kokille mit maximaler Intensität gekühlt. Die oberen und unteren Kühlkammern 1 und 4, welche ohnehin schneller auskühlen, insbesondere aufgrund der vom Kühlmedium unabhängigen zusätzlichen Abkühlung der Stirnflächen und Deckel durch die Umgebungsluft, werden am Ende dieses letzten Kühlvorganges nicht so intensiv gekühlt, wie die beiden wärmer gebliebenen mittleren Kühlkammern 2 und 3. An-

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schließend wird die Kühlung abgeschaltet. Dies erfolgt dann, wenn die für die Kokillenpflegearbeiten günstigste Temperatur der Kokille sich eingestellt hat. Die Pflegearbeiten werden dann durchgeführt und es kann ein neuer Gießzyklus beginnen.

Im vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel besitzt die Kokille nur vier Kühlkammern 1 bis 4, jedoch kann diese Zahl sowohl größer als auch kleiner gewählt werden.

In Figur 2 ist mit 5 eine relativ dünne Kokillenwand bezeichnet. Diese umschließt einen Kokilleninnenraum 6, der mit Schmelze gefüllt werden kann. In Figur 2 ist nur ein mittlerer Längenabschnitt der Kokille dargestellt, die insgesamt mehrere Meter lang sein kann. Die Kokillenwand 5 ist von einem Außenmantel 7 umschlossen, der kühlmitteldicht ist und welcher gleichzeitig als Tragkonstruktion für die Kokillenwand 5 dient. Diese stützt sich über Schrauben 8 am Außenmantel· 7 ab, der einen großen Teil der mechanischen Beanspruchung der Kokilleninnenwand aufnimmt, insbesondere jene, die vom ferrostatischen Druck der Schmelze oder dem entsprechenden Druck bei einer Nichteisenschmelze herrührt. Die kleinen Berührungsflächen der Schrauben 8 an der Kokillenwand 5 lassen nur eine geringe Wärmeübertragung von dieser auf den Außenmantel 7 zu, die vernachlässigbar klein ist. Die geringe Wanddicke der Kokillenwand 5 hat zur Folge, daß sie nur eine niedrige Wärmekapazität besitzt und infolgedessen kein unerwünschtes vorzeitiges Erstarren der Schmelze im Bereich der Randzonen erfolgt, was zu Längsrissen führt.

Trennelemente 9, die klappenartig ausgebildet sind, befinden sich auf der Innenseite des Außenmantels 7 und sind dort mit Hilfe von Gelenken 10 befestigt. Von außen zugängliche Stellelemente 11, die aus Stellschrauben gebildet sind, ermöglichen es, die Neigung der klappenartigen Stellelemente 9 zu verändern und damit die mit F be-

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zeichneten Abschnitte der Kokillenwand 5.

Im Bereich der so gebildeten Kühlkammern 1 bis 4 wird ein Kühlmittel, beispielsweise Wasser, mittels einer Düse 12 gegen die Kokillenwand 5 gespritzt, das über eine Leitung 13 zugeführt wird. Bei vorliegender Aus führungsform wird dem Kühlmedium Wasser noch ein zweites, nämlich Luft, zugeführt, und zwar über eine Leitung 14, so daß ein Wasser-Luftgemisch als Kühlmedium dient. Ventile 15 und in den Zuführungsleitungen 13 und 14 ermöglichen es, sowohl die Wasser- als auch die Luftmenge zu regulieren und damit auch gleichzeitig den Druck und die Kühlintensität im Bereich der einzelnen Abschnitte F. Über Abflußleitungen 17, die ebenfalls mit Ventilen 18 versehen sind, verläßt das Kühlmedium wieder die Kühlkammern 1 bis 4, wobei durch Drosseln oder Öffnen der Ventile 18 ebenfalls der Druck im Innern der Kühlkammern 1 bis 4 und die Intensität der Kühlung geregelt werden kann.

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Claims

KOCKS TECHNIK GMBH & CO M Sie/Hel. 24.8.1981 Verfahren zum Abkühlen von dünnwandigen Gießkokillen sowie hierfür geeignete Kokillen Patentansprüche t

1. Verfahren zum Abkühlen von dünnwandigen Gießkokillen für metallische Blöcke, Knüppel oder dergleichen, insbesondere von solchen mit einem Längen/Durchmesserverhältnis von mehr als 10:1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Gießen übereinander angeordnete Abschnitte der Kokillenwände außenseitig gesondert mit Kühlmittel beaufschlagt werden, wobei der unterste Abschnitt zuerst mit Beginn des Gießvorganges, jedoch mit mäßiger Intensität,und die darüberliegenden Abschnitte mit Zeitabstand nachfolgend beginnend mit steigender Intensität bis zum obersten Abschnitt erst kurz vor Ende des Gießvorganges beginnend, jedoch mit hoher Intensität, gekühlt wird, daß während des Erstarrungsvorganges alle Kokillenwandabschnitte mit gleich hoher Intensität gekühlt werden und daß bereits kurz vor dem vollständigen Erstarren und Ausstoßen des Blockes die Kühlung unterbrochen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Ausstoßen des Blockes alle Abschnitte der Kokillenwände mit maximaler Intensität auf den für die Kokillenpflegearbeiten- günstigen Temperaturbereich abgekühlt werden.

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Kommanditgesellschaft Sitz Düsseldorf, hegistergericht: Düsseldorf. HRA 4607, persönlich haftende Gesftllscha'tenn · Kocks Technik Grr.bH, Sitz· Wermelskirchen, Registergericht: Wermelskirchen, HRB 170, Geschäftsführer: Ali Bindernagel und Wolfgang Altenburg

InselstraBe 2, 4000 Düsseldorf 30; Telefon (0211) 445371; Telex 8584766 FRKO. D.; Telegrammanschrift: Kockstec Düsseldorf Commerzbank AG, Düsseldorf, BLZ 30040000, Konto-Nr. 1371053 - Deutsche Bank AG, Düsseldorf, BLZ 30070010, Konto-Nr. 2454130

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3. Kokille zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnen Kokillenwände (5) von einem, gegebenenfalls auch als Tragkonstruktion dienenden, kühlmitteldichten Außenmantel (7) mit Abstand umgeben sind, wobei Trennelemente (9) den so entstandenen Zwischenraum in übereinander angeordnete Kühlkammern (1 bis 4) unterteilen, in denen die zugehörenden Abschnitte (F) der Kokillenwände (5) gesondert und in unterschiedlicher Menge mit Kühlmittel beaufschlagbar sind.

4. Kokille nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennelemente (9) und damit die Größen der Kühlkammern (1 bis 4) und der zu kühlenden Kokillenwandabschnitte (F) einzeln verstellbar sind.

5. Kokille nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichne t, daß die Trennelemente (9) als klappenartige Böden ausgebildet sind, die mittels von außen zugänglicher Stellelemente (11) innerhalb des Zwischenraumes zwischen Außenmantel (7) und Kokillenwandung (5) verstellbar sind.

6. Kokille nach Anspruch 3 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkammern (1 bis 4) über verschließ- und drosselbare Verbindungsleitungen und/oder -öffnungen wahlweise miteinander verbunden sind.

7. Kokille nach Anspruch 3 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußquerschnitt der Zu- und/oder Abflußleitungen (13,14,17) für das Kühlmedium der einzelnen Kokillenwandabschnitte (F) verschließ- und drosselbar ist.