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Stranggießmaschine sowie Verfahren zum Stranggießen
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von Metall Die Erfindung betrifft eine Stranggießmaschine zum Herstellen
von Metal lprodukten in Form von Draht, Stangen oder dergleichen. Sie bezieht sich
insbesondere auf ein neues und verbessertes Verfahren sowie auf eine Vorrichtung
für das horizontale Stranggießen, wobei geschmolzenes Metall durch eine Düse aus
Keramik oder hitzebeständigem Metall in eine stationäre, flüssigkeitsgekühlte Gießform
geführt wird, um einen durchgehenden Draht oder eine Stange zu formen, die dann
aus dem Ausgang der Gießform in inkrementellen Schritten mittels einem Paar Transportrollen
herausgezogen wird. Die Vorrichtung ist vor allen Dingen zur Herstellung von selbstverzehrenden
Schweißdrähten aus Kobald, Nickel oder Eisenlegierungen bestimmt und für kleine
Querschnitte von drei bis acht mm Durchmesser ausgelegt, obwohl sie auf diese Größen
nicht beschränkt ist.
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Eine Stranggießmaschine der vorgeschriebenen Art ist über mehrere
Jahre von der Anmelderin hergestellt und vertrieben worden und hat einen
ansehnlichen
kaufmännischen Erfolg. Beim Weiterentwickeln und Perfektionieren dieser Maschine
wurde jedoch beobachtet, daß die Oberfläche der stranggegossenen Drähte entlang
ihrer Oberfläche in bestimmten Intervallen verfärbt waren, und zwar anscheinend
durch Oxidation.Des weiteren verursachten Oxide, die innerhalb der Stranggießmaschine
entstanden, Zerstörungen an der Keramikdüse und Erodierungen an den Wandungen der
flüssigkeitsgekühlten Gießform, so daß die Lebensdauer der Gießform durch Verlust
der Dimensionen verkürzt wird. Sofern das hitzebeständige Metall für die Düse Oxide
entstehen läßt, die von dem Gießmetall absorbiert werden können, entsteht zusätzlich
das Problem, daß der chemische Aufbau des Metalls derart geändert wird, daß das
fertige Produkt außerhalb der Spezifikationen liegt.
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Die Verfärbungen auf dem stranggegossenen Draht oder der stranggegossenen
Stange treten offenbar dort auf, wo die Düse an die Gießform angrenzt, denn jede
einzelne Verfärbung war jeweils unmittelbar benachbart der gerade noch wahrnehmbaren
Gießmarken, die durch den stufenweisen Vorschub des Drahtes verursacht werden. Rätselhaft
war nur, daß das Metall in diesem Bereich nicht der Atmosphäre ausgesetzt ist, so
daß offenbar keine Quelle vorhanden war, die die Oxidation verursachen konnte. Obwohl
die Keramikdüse geringfügig porös ist, deutete nichts darauf hin, daß diese Porösität
so groß war, daß sie für die Oxidationserscheinungen verantwortlich sein konnte.
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Die einzige verbleibende Möglichkeit bestand darin, daß der Sauerstoff
über die Grenzfläche zwischen der Düse und der Gießform in das heiße Metall gelangte.
Die Keramikdüse ist mechanisch gegen das Ende der Gießform fixiert, und zwar dicht.
Deshalb bestand nur eine geringe Wahrscheinlichkeit, daß in diesem Bereich Luft
eindringt.
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Allerdings herrscht ein extremer Temperaturunterschied zwischen einerseits
der Düse, die mit ihrem einen Ende in das geschmolzene Metall eintaucht und durch
die ein konstanter Fluß geschmolzenen Materials hindurchgeht, und andererseits der
Gießform, die weniger als 200"F (93"C) hat. Die Temperaturdifferenz kann deshalb
3000"F (1550"C) oder mehr betragen.
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Es wurde zudem beobachtet, daß das Problem der Oxidierung an feuchten
Tagen noch verstärkt wurde, so daß klar wurde, daß dieses Problem zumindest teilweise
durch die Feuchtigkeit der Atmosphäre verursacht wurde. Entweder wurde der Wasserdampf
in der Luft durch den extremen Temperaturunterschied an der Grenzfläche dissoziiert
oder er fungierte als Katalysator in chemischen Reaktionen, deren Auftreten eher
Spekulation ist. Es blieb die Tatsache, daß eine geringe Menge feuchter Luft durch
die leichte poröse Keramikdüse und/oder über die Grenzfläche hindurchging, so daß
auf dem stranggegossenen Metall Oxidation auftrat.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine neue und verbesserte
Stranggießmaschine der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei der Einrichtungen
vorgesehen sind, um atmosphärische Gase vom Eindringen in die Gießform abzuhalten,
damit die Oxidation
auf dem Metallprodukt vermieden wird.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß um die Keramikdüse und die
Grenzfläche zwischen der Düse und der Gießform eine Abdeckung vorgesehen wird und
daß trockenes Inertgas, beispielsweise Argon, in den durch die Abdeckung gebildeten
Zwischenraum eingeführt wird, so daß die Düse und die Grenzfläche mit Inertgas bedeckt
wird.
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Des weiteren werden Einrichtungen vorgesehen, um das stranggegossene
Metall produkt mit Inertgas zu umgeben, sobald es aus der Gießform herauskommt,
und zwar für eine kurze Distanz hinter der Gießform, während der das Metall durch
Abstrahlung abkühlt.
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Die Vorteile dieser Erfindung bestehe zum einen darin, daß die Lebensdauer
der Düse aus Keramik oder hitzebeständigem Metall wesentlich verlängert wird. Es
entsteht kein Bruch an der Grenzfläche zwischen Düse und Gießform, weil keine Oxidationsnebenprodukte
entstehen. Außerdem hat das fertiggegossene Produkt eine saubere Oberfläche. Die
Gießmarken haben keine Verunreinigungen, die nachteilig für die nachfolgenden metallurgischen
Behandlungen sein könnten. Weitere wichtige Vorteile bestehen darin, daß das Produkt
eine bessere Zusammensetzung hat, da die Düse nicht mehr zur Oxidation beiträgt.
Hierdurch sind schnellere Gießgeschwindigkeiten und längere Gießzeiten möglich,
wodurch sich die Produktivität verbessert.
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Die nutzbare Lebensdauer der Gießform ist aufgrund der Verhinderung
der Oxidation des Metallproduktes und der hitzebeständigen Düse wesentlich verbessert.
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Schließlich ist ein weiterer Vorteil der Erfindung darin zu sehen,
daß das horizontale Stranggießverfahren nunmehr auch erfolgreich in Regionen durchgeführt
werden kann, wo allgemein hohe Luftfeuchtigkeit in der Atmosphäre herrscht.
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Diese und andere Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der folgenden detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die beiliegende Zeichnung. Es zeigen: Fig.l einen Längsschnitt durch eine horizontale
Stranggießmaschi ne; Fig.2 einen vergrößerten Querschnitt in der Ebene 2-2 in Fig.
1 und Fig.3 einen vergrößerten Längsschnitt durch eine Düse der Stranggießmaschine
gemäß Fig.l.
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In der Zeichnung ist die horizontale Stranggießmaschiene als Ganzes
mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet.
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Sie weist ein rohrförmiges Gehäuse 12 auf, das eine flüssigkeitsgekühlte
Gießform 14 enthält.
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Das Gehäuse 12 trägt an den Stirnseiten Endkappen 16,18, die mit der
Gießform 14 und anderen innen angeordneten Elementen derart zusammenwirkt, daß die
Enden des Gehäuses 12 bis auf einen sich in Längsrichtung erstreckenden Kanal schließt,
in dem das Metallprodukt gegossen wird und sich anschließend in Längsrichtung bewegt,
bis es am Ausgang des Gehäuses 12 austritt. An der Oberseite
des
Gehäuses 12 sind jeweils im Bereich der Enden Einlaß- und Auslaßanschlüsse 20,22
für daran angeschlossene Kühl rohre 24,26 für die Zu- und Abfuhr von Kühlflüssigkeit
vorgesehen.
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Die Gießform 14 besteht aus Kupfer oder einem anderen Metall mit hoher
Wärmeleitfähigkeit und hat vorzugsweise die Form eines Rohrs mit relativ dünner
Wandung und einem sich radial erstreckenden Befestigungsflansch 28 an einem Ende.
Die Innenbohrung der Gießform 14 hat etwa dieselbe Größe und dieselbe Querschnittsform
wie das zu gießende Metallprodukt, ist jedoch geringfügig größer als das fertige
Produkt, um eine Schrumpfung zu ermöglichen.
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Der Befestigungsflansch 28 wird fest zwischen der Endkappe 16 und
einer ringförmigen Schulter 30, die in das linke Ende des Gehäuses 12 eingeformt
ist, fixiert. Hierdurch wird der rohrförmige Teil der Gießform 14 innerhalb des
Gehäuses 12 mit einem Ringraum zwischen der Außenseite der Gießform 14 und der Innenseite
des Gehäuses 12 zentriert. Durch diesen Ringraum zirkuliert Kühlflüssigkeit, gewöhnlich
Wasser, mit hoher Geschwindigkeit, wobei die Kühlflüssigkeit über das Kühl rohr
24 in das Gehäuse 12 eintritt und über das Kühl rohr 26 wieder austritt. Hier nicht
näher dargestellte Einrichtungen verursachen in dem Wasser Turbulenzen, um die Wärmeübertragung
zu verbessern.
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Das in dieser Ansicht linke Gießformende 32 ist der Eintritt und das
gegenüberliegende Gießformende 34 der Austritt.
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Am Gehäuse 12 ist im Bereich des Eintrittsendes der Gießform 14 eine
Düse 36 aus Keramik oder hochtemperaturfestem Metall angeordnet, wie beispielsweise
Zirkoniumoxid oder Bornitrit, die beide einen extrem hohen Schmelzpunkt haben und
mit den meisten der zu gießenden Metallen nicht reagieren. Wie am besten in Fig.
3 zu sehen ist, hat die Düse 36 generell eine zylindrische Formgebung mit einer
flachen Stirnfläche 38 und einer mittleren Bohrung 40, die einen etwas geringeren
Durchmesser als den der Innenbohrung 29 der Gießform 14 aufweist. Die Bohrung 40
erstreckt sich etwas weniger als die Hälfte der Länge der Düse 36 und erweitert
sich dann in eine konische Öffnung 42. Von der Stirnfläche 38 steht ein schmaler
Steg 44 vor, der die Kante der Bohrung 40 umgibt.
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Dieser Steg 44 ragt in die Innenbohrung 29 der Gießform 14 hinein.
Die äußere zylindrische Oberfläche der Düse 36 ist im Bereich des in dieser Ansicht
rechten Endes gestuft, wodurch sich eine schmale Ringschulter 46 ergibt. Gegen diese
Ringschulter 46 liegt eine Druckplatte 48 an, die die Düse 36 gegen den Eingang
der Gießform 14 drückt. Die Grenzfläche zwischen Stirnfläche 38 und dem Eingang
der Gießform 14 bildet den Übergang zwischen beiden.
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In die Druckplatte 48 ist eine kreisförmige Öffnung 50 eingeformt,
durch die sich die Düse 36 erstreckt.
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Der Durchmesser dieser Öffnung 50 ist so bemessen, daß deren Kanten
gegen die Ringschulter 46 drücken.
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Die Druckplatte 48 wird mittels Schrauben 52 an der Endkappe 16 befestigt,
wobei in Fig. 1 nur eine dieser Schrauben 52 zu sehen ist. Zwischen
der
Druckplatte 48 und der Endkappe 16 verbleibt dabei ein schmaler Zwischenraum 54.
Der Zwischenraum 54 wird an seinem Umfang über einen Dichtungsring 56 aus hochtemperaturfesten
Fasern abgedichtet.
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Zu Beginn des Gießens wird das vorstehende Ende der Düse 36 in ein
Abstichloch 58 eines Ofens 60 oder in ein anderes Reservoir mit geschmolzenem Metall
eingesetzt. Beim Gießen fließt das in dem Ofen 60 geschmolzene Metall durch die
Düse 36 it die wassergekühlte Gießform 14, wo das Metall praktisch sofort erstarrt
und von der Gießform 14 wegschrumpft. Die Schrumpfung ist in der Darstellung gemäß
Fig. 1 stark übertrieben, um dies besser zu illustrieren. Die Schrumpfung ist jedoch
groß genug, um das gegossene Metall von der Gießform 14 zu lösen, so daß der Strang
aus dieser herausgezogen werden kann. Das Gußstück bzw. der Gußstrang wird aus der
Gießform 14 intermittierend, also Stück für Stück mittels einem Paar Transportrollen
62,63 herausgezogen, von denen zumindest eine von einem hier nicht dargestellten
Motor angetrieben ist. Die grundsätzlichen Produktionsraten variieren mit den verschiedenen
Metallen und Legierungen. Die derzeitige Maschine ist so ausgelegt, daß sie Draht
oder Stangen mit 3 bis 12 mm Durchmesser mit einer Geschwindigkeit von 5,5 bis 7,3
m/min. produziert, während Stangen oder Draht mit einem Durchmesser von 75 bis 200
mm mit einer Geschwindigkeit von 1 bis 6 m/min.
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hergestellt werden. Bei den kleineren Drahtdurchmessern wird der Draht
mit jedem Vorschub um eine Strecke von 18 bis 30 mm herausgezogen, was ungefähr
1/4 bis 1/3 der Länge der Gießform 14 ist.
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Nach Verlassen des Ausgangsendes der wassergekühlten Gießform 14 tritt
der gegossene Draht 64 in eine rohrförmige Verlängerung der Gießform 14, der eine
wassergekühlte Wärmesenke 66 darstellt.
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Die Wärmesenke 66 kann länger als die Gießform 14 sein, und ihr Zweck
besteht darin, die Wärmestrahlung des heißen Materials, das aus der Gießform 14
kommt, schnell zu absorbieren. Die Wärmesenke 66 weist ein Metallrohr 68 auf, dessen
Innendurchmesser etwa der gleiche ist wie der Außendurchmesser der Gießform 14 an
ihrem Austrittsende, so daß das eine Ende des Metallrohrs 68 über das Austrittsende
der Gießform 14 geschoben werden kann.
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Das andere Ende des Metallrohrs 58 sitzt innerhalb einer Öffnung 70
in der Endkappe 18.
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In das Metallrohr 68 ist eine Metallhülse 72 mit gutem Wärmeübertragungskontakt
eingepreßt.
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Deren inneres Ende befindet sich in einem kurzen Abstand vom Ausgangsende
der Gießform 14. In die äußere Oberfläche der Metallhülse 72 sind flache, sich in
Längsrichtung erstreckende Nuten 74 eingeformt, die mit der inneren Oberfläche des
Metallrohrs 68 derart zusammenwirken, daß sie ein Röhrensystem bilden, dessen Zweck
nachstehend erläutert wird. Im Bereich des rechten Endes der Metallhülse 72 münden
die Nuten 74 in einen Ringkanal 76. Zur Aufnahme des Endes der Metallhülse 72 ist
eine Endplatte 78 mit einer Öffnung vorgesehen, wobei beide Teile silberverlötet
sind, so daß die Metallhülse 72 und die Endplatte 78 eine Einheit bilden. Die Platte
78 ist an der äußeren Stirnfläche der Endkappe 18 mittels Schrauben
80
befestigt, von der in Fig. 1 nur eine zu sehen ist.
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In die innere Oberfläche der Endplatte 78 ist ein sich radial erstreckender
Kanal 82 eingeformt, dessen inneres Ende Verbindung zu dem Ringkanal 76 auf dem
Metallrohr 68 hat und dessen äußeres Ende kurz vor der Außenkante der Endplatte
78 endet. Der Kanal 82 ist mit einem an der Endplatte 78 befestigten Rohr 84 verbunden,
das an eine Quelle trockenen Inertgases, beispielsweise Argon oder Helium, mit relativ
geringem Druck, d.h.
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4 Psi (0,28 Bar) angeschlossen ist.
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Am anderen Ende des Gehäuses 12 ist ein zweites Rohr 86 angeordnet.
Es ist verbunden mit der Endkappe 16 und führt zu dem Zwischenraum 54.
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Das Rohr 86 ist ebenfalls an eine Quelle trockene Inerdgases unter
Druck angeschlossen.
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Wenn die Stranggießmaschine 10 in Funktion ist, fließt geschmolzenes
Metall in die Gießform 14, während gegossener Draht aus der Gießform 14 mittels
der Transportrollen 62,63 herausgezogen wird. In den Zwischenraum 54 wird Inertgas
eingeführt, das die Düse 36 und die dortige Grenzfläche umgibt und beaufschlag.
Auf diese Weise werden atmosphärische Gase davon abgehalten, an die innere Oberfläche
der Düse 36 oder des heißen Metalls zu gelangen. Das einzige Gas, das zu dem Metall
vordringt, ist trockenes Inertgas, das in den Zwischenraum 54 über das Rohr 86 geführt
wird. Dieses Inertgas hat keinen Einfluß auf das Metall oder die Düse 36, da es
i keiner Weise mit diesen reagiert.
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Zugleich wird trockenes Inertgas über das Rohr 84 in den Kanal 82
geleitet, wo es in den Ringkanal 76 und dann in die in Längsrichtung sich erstreckenden
Nuten 74 zum Ende der Metallhülse 72 in der Nähe des Ausgangs der Gießform 14 gelangt.
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Dort fließt das Inertgas nach innen um das Ende der Metallhülse 72
in den Raum zwischen dem gegossenen Draht 64 und der Innenfläche der Metallhülse
72. Anschließend fließt das Inertgas mit dem Draht 64 nach draußen und gelangt in
die Atmosphäre.
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Es kann auch wiedergewonnen und dann nochmals verwendet werden.
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Während der heiße Draht 64 sich durch die Metallhülse 72 bewegt, strahlt
Hitze zu der Metalihülse 72, welche die Hitze dann zu dem Metallrohr 68 leitet,
das durch das in dem Gehäuse 12 zirkulierende Wasser gekühlt wird. Auf diese Weise
wird der Draht 64 vom Austritt aus dem Ausgang der Gießform 14 bis zum Ausgang des
Endes des Gehäuses 12 mit trockenem Inertgas umgeben, das atmosphärisches Gas von
der heißen Metalloberfläche solange fernhält, bis die Temperatur wesentlich gesunken
ist. Das so gewonnene Metallprodukt hat eine saubere, fehlerlose Oberfläche, und
die Lebensdauer sowohl der Düse 36 als auch der flüssigkeitsgekühlten Gießform 14