DE3339813C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das fallende Kokillengießen großer Blöcke oder Knüppel, insbesondere rechteckförmiger Blöcke, aus Leichtmetallen wie Aluminium und Aluminiumlegierungen. Im vorliegenden Zusammenhang umfaßt die Bezeichnung "Aluminium" sowohl Reinaluminium als auch Aluminiumlegierungen.

Beim konventionellen fallenden Kokillengießen wird Metall­ schmelze in das Eingußende einer offenendigen rohrförmigen Kokille gegossen, und erstarrtes oder teilerstarrtes Metall tritt aus dem Austrittsende der Kokille aus. Die Kokille selbst wird mittels eines Wassermantels von einer Kühlmit­ telmenge gekühlt, die an der Rückseite der Kokille unter­ halten wird. Kühlmittel, das normalerweise Wasser ist, wird um den Umfang des Blocks zur Einwirkung gebracht, während der Block aus der Kokille austritt, so daß der Block er­ starrt. Beim Gießen von Leichtmetallen wie etwa Aluminium wird das Kühlmittel üblicherweise durch ein oder mehrere Leitorgane vom Kühlmittelkörper im Wassermantel nach unten entlang der Rückseite der Kokille und aus geeigneten Öff­ nungen oder Leitungen am Unterende der Kokille auf den am Austrittsende der Kokille austretenden Block gerichtet.

Das elektromagnetische Gießen gleicht dem vorstehenden konventionellen fallenden Kokillengießen, wobei allerdings die seitliche Form der Schmelze durch elektromagnetischen Druck bestimmt wird, der von dem ringförmigen Induktor, der die Säule aus Metallschmelze umgibt, und nicht von der Bohrung der Kokille wie beim konventionellen Kokillengießen erzeugt wird. Eine vollständige Erläuterung des elektroma­ gnetischen Kokillengießens ist z. B. in den US-PS′en 39 85 179 und 40 04 631 und den dort angegebenen Entgegen­ haltungen enthalten.

Beim fallenden Kokillengießen und elektromagnetischen Gießen ist im Austrittsende der Kokille (beim fallenden Kokillen­ gießen) oder im Austrittsende des elektromagnetischen Induktors (beim elektromagnetischen Gießen) ein Kokillenkern angeordnet, der die Austrittsöffnung verschließt und die Metallschmelze hält, bis sie ausreichend weit erstarrt ist, so daß sie ihre erwünschte Endform behält. Wenn das Metall hinreichend erstarrt ist, wird der Kokillenkern aus dem Austrittsende der Kokille oder des Induktors abgesenkt, so daß der erstarrte Block kontinuierlich oder halbkontinuier­ lich aus der Kokille oder dem Induktor austritt. Wenn das Absenken des Kokillenkerns einmal begonnen hat, wird dessen Absenkgeschwindigkeit üblicherweise bis zur Beendigung des Gießvorgangs gleichbleibend gehalten, da jede plötzliche Änderung der Absenkgeschwindigkeit Änderungen der Quer­ schnittsabmessungen des erstarrten Blocks über dessen Länge sowie schwerwiegende Oberflächenfehler des Blocks zur Folge haben kann.

Für den erstarrten Block gibt es während dessen Absenkbewe­ gung beim konventionellen fallenden Kokillengießen nur eine sehr geringe und beim elektromagnetischen Gießen im wesent­ lichen keine horizontale Halterung, so daß der Block auf dem Kokillenkern gut im Gleichgewicht stehen muß, um ein Schau­ keln oder eine Schräglage zu vermeiden. Bei der Erstarrung und Abkühlung des unteren Endes des Blocks schrumpft jedoch der Block, was in einem Welligwerden des unteren Blockendes hauptsächlich in Richtung der größten Breite resultiert. Die den Kokillenkern kontaktierende untere Endfläche des Blocks bildet im allgemeinen eine gewölbte Fläche, so daß es dem Block aufgrund der gewölbten unteren Endfläche möglich ist, eine außermittige Lage einzunehmen oder auf dem Kokillenkern hin- und herzuschaukeln; in beiden Fällen ergibt sich eine schwerwiegende Formänderung des Blocks.

Wenn zu Beginn des Gießvorgangs das untere Blockende wellig wird, fließt Kühlmittel, das auf die Blockoberflächen gerichtet wird, in den Raum zwischen Kokillenkern und unterem Blockende. Die Hitze im unteren Blockende führt dazu, daß das sich ansammelnde Wasser verdampft, und zwar häufig mit solcher Intensität, daß der Block tatsächlich infolge der durch den Dampf ausgeübten Kraft auf dem Kokil­ lenkern springt. Ein solches Springen stört den Gießvorgang erheblich ebenso wie ungleichmäßige Absenkgeschwindigkeiten, jedoch mit viel ernsteren Folgen, insbesondere beim elektro­ magnetischen Gießen.

Um die durch die Verdampfung von Kühlmittel, das sich zwischen dem unteren Blockende und dem Kokillenkern sammelt, entstehenden Probleme zu vermeiden, wurden bereits Löcher oder andere Mittel im Kokillenkern vorgesehen, um das Kühlmittel abzuführen, bevor es in explosiver Weise ver­ dampft (vgl. z. B. die DE-PS 8 93 690 und die US-PS′en 37 02 152 und 37 02 631). Diese Druckschriften richten sich jedoch nicht auf das Problem der Instabilität des Blocks auf dem Kokillenkern während des Gießvorgangs, wobei diese Instabilität durch das gewölbte untere Blockende bedingt ist. Frühere Versuche, die erwünschte Stabilität insbeson­ dere beim elektromagnetischen Gießen des Blocks zu errei­ chen, waren nicht erfolgreich. Z. B. wurden unterschiedlich geformte Vorsprünge auf der Oberfläche des Kokillenkerns vorgesehen, so daß Metallschmelze bei Beginn des Gießvor­ gangs um diese Vorsprünge herum erstarrt und dadurch den Block durch den Verkeilungseffekt stabilisiert. Dieses Verfahren hat sich zwar als erfolgreich hinsichtlich der Blockstabilisierung erwiesen, aber die Vertiefungen im unteren Ende des Blocks, die aus dem erstarrenden Metall um die Vorsprünge resultieren, wirken spannungserhöhend und führen häufig zu Rissen im Block. Manchmal resultieren diese Vorsprünge auch infolge der hohen Wärmespannungen in einem Rissigwerden des Blocks.

In ähnlicher Weise wurden unterschiedlich geformte Vertie­ fungen in der Oberfläche des Kokillenkerns im wesentlichen für die gleichen Zwecke verwendet, also zum Verkeilen des unteren Blockendes, so daß der Block beim Gießen nicht schaukelt oder sich neigt. Auch dieser Vorschlag war nicht erfolgreich, denn Wasser, das in der Vertiefung eingeschlos­ sen wird, verdampft beim Kontakt mit Metallschmelze sehr schnell und führt zu Explosionen des Metalls.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstel­ lung eines verbesserten Kokillenkerns, mit dem die vorste­ hend angegebenen Probleme vermieden werden, wobei der Kokillenkern zum Einsatz beim fallenden Kokillengießen und beim vertikalen elektromagnetischen Gießen großer Metall­ blöcke oder -knüppel, insbesondere solcher mit im wesentli­ chen Rechteckquerschnitten, ausgebildet ist.

Gemäß der Erfindung weist der Kokillenkern wenigstens zwei, bevorzugt vier oder mehr, Ablauflöcher zur Abführung des Kühlmittels auf, das sich zwischen der Oberfläche des Kokillenkerns und dem unteren Blockende sammelt, und in der Oberfläche des Kokillenkerns sind um einen großen Abschnitt jedes Ablauflochs fächerförmige Vertiefungen ausgebildet.

Diese verlaufen nach innen zum Mittelabschnitt des Kokillen­ kerns, und die unteren Flächen der Vertiefungen sind nach oben und im wesentlichen zum Mittelabschnitt des Kokillen­ kerns hin schräg geneigt. Am Grund der Vertiefung jedes Ablauflochs ist ein Element vorgesehen, das den Durchtritt von Kühlmittel durch das Ablaufloch erlaubt, jedoch den Durchtritt von Metallschmelze verhindert.

Zu Beginn des Gießvorgangs füllt Metallschmelze die Vertie­ fung und erstarrt zu einem nach unten verlaufenden Ansatz am unteren Blockende, der im wesentlichen die gleiche Form wie die Vertiefung aufweist. Infolge des Schrumpfens und Wellig­ werdens des unteren Blockendes infolge der Erstarrung und Abkühlung schieben sich diese Ansätze des unteren Blockendes entlang den unteren Schrägflächen der Vertiefungen im Kokillenkern aufwärts und haltern dadurch den Block während der restlichen Gießzeit in stabiler Lage. Die Vertiefungen sollten dabei nicht um Ablauflöcher herum in Bereichen der stärksten Welligkeit des unteren Blockendes vorgesehen sein, denn die sich ausbildenden Ansätze heben sich beim Wellig­ werden des unteren Blockendes vollständig aus den Vertie­ fungen heraus, anstatt gemäß der Erfindung an den Schrägflä­ chen der Vertiefungen nach oben zu gleiten. Das stärkste Schaukeln eines Blocks erfolgt in Richtung der größten Breite des Blocks, wenn also wenigstens zwei Ansätze in geeigneter Weise in Richtung zu den schmalen Flächen des unteren Blockendes angeordnet sind, kann der Block auf dem Kokillenkern gut im Gleichgewicht gehalten werden. Bevorzugt sind im Kokillenkern wenigstens drei Vertiefungen vorgese­ hen, wenn große Rundblöcke gegossen werden, und es sind bevorzugt wenigstens vier Vertiefungen vorgesehen, wenn große rechteckige Blöcke gegossen werden.

Ein bevorzugtes Element für den Durchtritt von Kühlwasser, jedoch nicht von Metallschmelze am Grund der Vertiefung ist ein Sieb mit einer Maschenweite, die ausreichend groß ist, so daß Wasser durch das Sieb und damit weg von der Grenz­ fläche zwischen Kokillenkern und Block fließen kann; die Maschenweite ist aber dabei klein genug, um jeden Durchtritt von Metallschmelze durch das Sieb zu unterbinden. Dabei sind Siebmaschendurchmesser von ca. 0,25-2,54 mm geeignet. Es können auch andere Vorrichtungen mit ähnlich großen bzw. kleinen Öffnungen verwendet werden. Im allgemeinen bestimmt die Viskosität der Metallschmelze die geeignete Maschenweite des Siebs. Die Viskosität der Schmelze ist wiederum durch ihre Temperatur und Zusammensetzung bestimmt.

Gemäß der Erfindung ist der obere Abschnitt des Ablauflochs angrenzend an die fächerförmige Schrägfläche nach außen zum Rand des Kokillenkerns hin abgefast, wodurch verhindert wird, daß der Ansatz in der Vertiefung hängenbleibt, wenn sich das untere Blockende wölbt und die Ansätze sich heben und die Schrägflächen der Vertiefung aufwärtsgleiten. Die fächerförmigen ebenen Bereiche der Vertiefungen verlaufen strahlenförmig nach innen zum Mittelteil des Kokillenkerns und weisen bevorzugt einen Winkel von wenigstens 90° auf. Auf diese Weise können die sich am unteren Blockende ausbil­ denden Ansätze ohne weiteres entlang den schrägen ebenen Flächen gleiten, wenn das untere Blockende wellig wird und nach innen schrumpft, während es erstarrt und abkühlt. Durch Ausbildung von wenigstens zwei nach unten gerichteten Ansätzen am unteren Blockende gemäß der Erfindung wird der Block in wirksamer Weise während des restlichen Gießvorgangs abgestützt und im Gleichgewicht gehalten, selbst wenn er während der anfänglichen Gießphasen stark schrumpft und wellig wird. Bevorzugt sind für große runde Gußblöcke drei oder mehr Ablauflöcher und für große rechteckige Gußblöcke vier oder mehr Ablauflöcher vorgesehen, so daß der große Block während des Gießvorgangs gut abgestützt und im Gleichgewicht gehalten wird.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch den Kokillenkern nach der Erfindung, wobei links in der Figur der Gießbeginn gezeigt ist, bei dem der Kokillenkern in der elektromagnetischen Gießvorrichtung positioniert ist, und rechts in der Figur das Gießen nach dem Anfahren gezeigt ist, nachdem der Kokillenkern aus dem Induktor abgesenkt wurde;

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Kokillenkern von Fig. 1;

Fig. 3 eine Querschnittsansicht des Kokillenkerns entlang der Linie III-III in Fig. 2;

Fig. 4 eine größere Draufsicht auf eines der in Fig. 2 dargestellten Ablauflöcher;

Fig. 5 eine Querschnittsansicht entlang der Linie V-V in Fig. 4;

Fig. 6 eine Querschnittsansicht eines Siebs, das in die Ablauflöcher im Kokillenkern einsetzbar ist, so daß zwar der Durchfluß von Wassser, aber nicht von Metallschmelze bei Gießbeginn möglich ist;

Fig. 7 das Sieb von Fig. 6 in seiner Lage in einem Ablaufloch 22;

Fig. 8 den Bewegungsablauf der an der Unterseite des unteren Blockendes ausgebildeten Ansätze entlang der schrägen Vertiefungsfläche nach oben, wenn zu Gießbeginn das untere Blockende schrumpft und wellig wird; und

Fig. 9 eine weitere Möglichkeit zur Ableitung von Wasser, das sich auf dem Kokillenkern ansammelt.

Die linke Seite von Fig. 1 zeigt den Beginn des Gießvor­ gangs, wobei der flachschalenförmige Kokillenkern 10 in dem Induktor 11 einer elektromagnetischen Gießvorrichtung positioniert ist. Die seitliche Form der Säule aus Metall­ schmelze 12 auf der konkaven, flachschalenförmigen Oberflä­ che 13 des Kokillenkerns 10 wird durch den Druck bestimmt, der von dem durch den Induktor 11 erzeugten elektromagneti­ schen Feld entwickelt wird. Metallschmelze wird dem Kokil­ lenkern 10 durch den Auslauf 14 zugeführt. Der Induktor 11 hat einen Wassermantel 15 zur Aufrechterhaltung einer Kühlmittelmasse an der Rückseite des Induktors 11, und Kühlmittel strömt aus der Kammer 16 des Kühlmantels 15 durch Leitungen 17 in einem Leitorgan 18 die Rückseite des Induktors 11 herab und aus einer Mehrzahl Leitungen 19, die im unteren Abschnitt des Induktors 11 angeordnet sind, so daß Kühlmittel auf die Oberfläche des Blocks 20 abgegeben wird, der aus dem Induktor 11 austritt. Der Kokillenkern 10 ist auf einem Ständer 21 gelagert, der auf einem Tisch (nicht gezeigt) befestigt ist, der üblicherweise in einer Mehrfach-Blockgießstation mehrere Kokillenkerne haltert. Die Bewegung des Kokillenkerns ist durch den Pfeil bezeichnet. Im Kokillenkern 10 sind Ablauflöcher 22 ausgebildet, durch die Kühlmittel abläuft, das sich zwischen der flachschalen­ förmigen Oberfläche 13 des Kokillenkerns und dem Unterende 23 des Blocks ansammelt, nachdem das Unterende 22 zu Gießbe­ ginn wellig geworden ist. Die Linie 24 zeigt allgemein eine idealisierte glockenförmige Erstrarrungsfront. Die Linie 24 kann zwar eine scharfe Trennung zwischen erstarrtem und geschmolzenem Metall bezeichnen, tatsächlich besteht jedoch eine heterogene Zone von halberstarrtem Metall zwischen dem erstarrten und dem flüssigen Metall.

Fig. 2 ist eine Draufsicht auf den Kokillenkern 10 mit vier Ablauflöchern 22; wie in den Fig. 3-6 deutlich zu erkennen ist, weist jedes Ablaufloch 22 an seinem oberen Abschnitt eine fächerförmige Vertiefung 30 auf, deren Unterseite 31 nach oben zur Fläche 13 und nach innen zum Mittenabschnitt der Vertiefung schräg verläuft.

Fig. 3 ist ein Querschnitt durch den Kokillenkern 10, wobei Einzelheiten des Ablauflochs 22 gezeigt sind; die flachscha­ lenförmige Oberfläche 13 des Kokillenkerns 10 wird durch die Löcher 22 entwässert, und das Wasser läuft durch Kanäle 32 an der Seite des Kokillenkerns 10 ab.

Die Fig. 4-6 zeigen, daß die Ablauflöcher 22 jeweils Schul­ tern 33 aufweisen, auf denen Siebelemente 34 aufliegen, die im einzelnen in den Fig. 6 und 7 dargestellt sind. Das Drahtgewebe 35 hat einerseits eine hinreichend kleine Maschenweite, so daß der Durchtritt von Metallschmelze durch das Sieb zu Beginn des Gießvorgangs verhindert wird; ande­ rerseits ist die Maschenweite ausreichend groß, so daß Wasser durch die Maschen gelangen kann, wodurch das auf der Oberfläche 13 sich ansammelnde Wasser abgezogen wird. Im oberen Abschnitt des Ablauflochs 22 ist entfernt von der schrägen Fläche 31 eine Abfasung 26 vorgesehen, die ein Anhaken der Ansätze 40 am Unterende 23 des Blocks beim Gießbeginn, wenn das Unterende des Blocks schrumpft und wellig wird, verhindert, wodurch die Ansätze 40 aus den Vertiefungen 30 heraus und die Schrägfläche 31 hinaufgehoben werden. Wie Fig. 7 zeigt, weist das Siebelement 34 einen kurzen zylindrischen Bund 37 auf, der auf der Schulter 33 am Oberende des Ablauflochs 22 aufliegt.

Beim Gießbeginn wird der Kokillenkern 10 mit Metallschmelze gespeist, und die Vertiefungen 30 füllen sich mit Metall­ schmelze, die zu Ansätzen 40 am Unterende 23 des Blocks erstarrt, die im wesentlichen die gleiche Form wie die Vertiefungen 30 aufweisen. Die Sieböffnungen sind hinrei­ chend klein, so daß die Metallschmelze nicht durch das Drahtgewebe 35 und nach unten in die Ablauflöcher 22 gelan­ gen kann. Das Unterende 23 des Blocks erstarrt und beginnt zu schrumpfen und wellig zu werden, so daß die in den Vertiefungen 30 gebildeten Ansätze 30 gehoben werden und dann die untere Schrägfläche 31 aufwärts gleiten (vgl. Fig. 8). Auf diese Weise ist der Block 20 von zwei oder mehr Ansätzen 40 abgestützt, die auf den Schrägflächen 31 der Vertiefungen 30 aufliegen. Etwaiges auf der Oberfläche 13 des Kokillenkerns angesammeltes Kühlmittel fließt durch das Drahtgewebe 35 und die Ablauflöcher 22 und dann aus den Ablaufkanälen 32 ab.

Fig. 9 zeigt eine alternative Möglichkeit, wobei anstatt der Siebe Ablauflöcher 52 nicht vollständig durch die Oberfläche 13 ausgearbeitet sind. In den übrigen unbearbeiteten Teil 56 sind mehrere kleinere Löcher 55 gebohrt, wobei der Öffnungs­ querschnitt zwischen 0,25 und 2,54 mm liegt.

Claims (5)

1. Kokillenkern zum fallenden Kokillengießen oder elektroma­ gnetischen Gießen großer langer Blöcke oder Knüppel, wobei der Kokillenkern eine flachschalenförmige Oberfläche sowie eine Mehrzahl Ablauflöcher zur Abführung von Kühlmittel, das sich auf der flachschalenförmigen Oberfläche während des Gießvorgangs sammelt, aufweist, gekennzeichnet durch in der flachschalenförmigen Oberfläche (13) des Kokillen­ kerns (10) ausgebildete Vertiefungen (30), die jeweils dem oberen Abschnitt von wenigstens zwei Ablauflöchern (22) zugeordnet sind, wobei die Vertiefungen (30) strahlenförmig nach innen zum Mittelabschnitt des Kokillenkerns (10) verlaufen und eine zum Mittelabschnitt des Kokillenkerns (10) schräg nach oben verlaufende untere Fläche (31) auf­ weisen, und wobei die Vertiefungen (30) bei Beginn des Gießvorgangs Metallschmelze aufnehmen, die unter Bildung von Ansätzen (40) erstarrt, welche im wesentlichen die gleiche Form wie die Vertiefungen (30) haben und, wenn das untere Ende (23) des Blocks infolge der Erstarrung und Abkühlung schrumpft und wellig wird, entlang den Schrägflächen (31) der Vertiefungen (30) aufwärts gleiten, wodurch der Block auf dem Kokillenkern (10) in stabiler Lage gehalten ist und eine Bewegung des Blocks auf dem Kokillenkern verhindert bzw. minimiert wird.

2. Kokillenkern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Grund der Vertiefungen (30) Elemente (34) vorgesehen sind, die den Durchtritt von Kühlmittel gestatten und den Durchtritt von Metallschmelze unterbinden.

3. Kokillenkern nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß die Elemente (34) Öffnungen mit einem Maximalquerschnitt von 0,25-2,54 mm aufweisen.

4. Kokillenkern nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente Siebe (34) sind, deren Öffnungen einen Maximalquerschnitt von 0,25-2,54 mm haben.

5. Kokillenkern nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Rechteckform des Kokillenkerns.