DE3425488A1

DE3425488A1 - Giessverfahren, insbesondere stranggussverfahren fuer metallische werkstoffe

Info

Publication number: DE3425488A1
Application number: DE19843425488
Authority: DE
Inventors: Werner Ing.(grad.) 6719 Carlsberg Schatz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-07-11
Filing date: 1984-07-11
Publication date: 1986-01-23

Description

G ießver fahren, insbesondere Stranggußverfahren
für metallische Werkstoffe )ie Erfindung betrifft ein Gießverfahren, insbesondere Stranggußverfahren, bei dem in einer wassergekühlten Kokille Metallschmelze kontinuierlich erkaltet und erstarrt und in gleichem Maß kontinuierlich Metallschmelze von oben zugeführt und das erstarrte Material vorzugsweise nach unten abgezogen wird.
Es ist bekannt, Stränge, Blöcke, Rohre usw. aus verschiedenartigen Stählen, Bunt- oder Leicht metallen im Stranggußverfahren in einer wassergekühlten Kokille herzustellen, wobei die Metallschmelze über einen Schlackenfangbehälter geführt und dosiert durch ein Bodenventil kontinuierlich in die Kokille geleitet wird und das erstarrte Material von einer Abzugsvorrichtung unten aus der Kokille herausgezogen wird. Die kontinuierliche Arbeitsweise hat den Vorteil, daß eine rasche, gerichtete Erstarrung erfolgt und demzufolge ein feinkörniges, seigerungsarmes dichtes Gußstück guter Verformbarkeit entsteht. Eine Schmierung zwischen Kokille und Materialstrang erfolgt durch Einspritzen von Öl unmittelbar an die Kokillenwand. Die Schmelze ist nur geringfügig oberhalb der Erstarrungstemperatur gehalten.
Dieses Verfahren har die folgenden Nachteile: - Die Schmiermittel zersetzen sich teilweise, wodurch u. a. Kohlenstoff von der Schmelze aufgenommen wird.
- Legierungen mit hohem Gehalt an Chrom oder anderen Stoffen, die zu grober Kristallbildung neigen, können nicht verarbeitet werden, da sich eine zentrale, axial gerichtete, grobkristalline Struktur ausbildet.
- Eine ausreichende Entgasung der Schmelze findet wegen der relativ niedrigen Temperatur nicht statt, so daß z. B. bei Schmelzen mit hohem Chromgehalt, Lunkerbildung auftreten kann.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu offenbaren, bei dem keine zusätzliche Schmierung zwischen Kokille und Strang erforderlich ist und ein feinkörniges, weitgehend entgastes Gußstück entsteht, insbesondere auch bei sehr hoch legierten Stählen.
Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß sich auf der Schmelze eine Schlackeschmelze von für die jeweilige Metallschmelze geeigneter Höhe, Schlacketemperatur und Zusammensetzung befindet, wobei die Schlacketemperatur höher als die Metallschmelzetemperatur ist und zur Auftechterhaltung der höheren Schlacketemperatur die Schlackeschmelze von einem entsprechenden Strom zur elektrischen Widerstandsheizung durchflossen wird.
Die elektrische Beheizung der Schlackeschmelze bewirkt eine intensive Umwälzbewegung in der Schlacke wie auch in der Metallschmelze. Durch die negative Widerstandscharakteristik der Schlacke als auch durch das Magnetfeld des Stromflusses tritt eine ständige Verlagerung des Strompfades und damit des Bereiches höchster Temperatur auf. Diese Verhältnisse werden durch eine Pendel- oder Kreisbewegung der Elektrode vorteilhaft verstärkt. Die ständige Umwälzbewegung der Metallschmelze bewirkt eine feinkörnige Kristallisation. Dieser Effekt wird dadurch gesteigert, daß die Schlackeschmelze heißer als die Metallschmelze ist, so daß das Material der Metallschmelze zwischen der heißeren Grenzfläche zur Schlackeschmelze und kälteren Erstarrungszone ständig umgelagert wird und etwa vorzeitig ausgeseigerte Kristalle erneut in Lösung gehen. Außerdem wird die Entgasung in der heißeren Zone gefördert.
Bei dem Verfahren scheidet sich außerdem eine dünne Zone der Schlacke an der Kokillenwand ab, die als Schmiermittel beim Abziehen des erstarrten Materials wirkt, so daß keine kohlenstoffhaltigen Öle einzuspritzen sind, wodurch eine unerwünschte Legierung mit Kohlenstoff oder Gasaufnahme durch die Schmelze vermieden wird und die Einspritzvorrichtung entfällt.
Es ist eine weitere vorteihafte Verfahrensvariante, daß niedrigschmelzende Legierungsbestandteile geschmolzen mit einer Temperatur etwas über ihrer Schmelztemperatur zugeführt werden und hochschmelzende Anteile über die heißere Schlackeschmelze zugeführt werden, wobei es besonders vorteilhaft ist, diese als Elektrodenmaterial zu benutzen oder diese in eine abschmelzende Elektrode einzubetten. Das in der Schlackeschmelze verflüssigte Material kristallisiert beim Obergang in die Metallschmelze feinkörnig aus, und diese zur Erstarrungszone absinkenden Kristalle führen zur weiteren Bildung von Mischkristallen in enger Einbindung dort.
Es können auch grobkörnige Zuschlagstoffe z. B. Hartmetall oder Wolframkarbid der Schmelze in der Weise zugeführt werden, daß diese während der Verweilzeit in der Schlackeschmelze nur oberflächlich anschmelzen und dann in die Legierungsmatrix eingelagert werden, da die Metallschmelzetemperatur unterhalb der Schmelztemperatur der Zuschlagstoffe liegt.
Hierin liegt eine eigenständige Erfindung.
Für die Zuführung der Metallschmelze ist eine Vorrichtung geoffenbart, die eine exakte Dosierung des Zustromes erlaubt und die Einbringung von Verunreinigungen und Gasen weitgehend vorteilhaft vermeidet.
Für die Steuerung der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind Temperaturmelder im Bereich der Kokille angeordnet und Rückmelder der Antriebe vorgesehen, so daß eine rückgekoppelte Regelung nach angegebenen Kriterien durch eine Steuervorrichtung vorgenommen wird.
In der Fig. 1 ist eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens im Schnitt, teilweise schematisch dargestellt. Es sind ohne Änderung des Verfahrens auch andere bekannte Formen für die Kokille verwendbar, z. B. zur Erzeugung von Rohren, Platten, Rundmaterial. Auch kann die Gieß- und Dosiervorrichtung durch eine andere bekannte ersetzt werden.
Die im senkrechten Querschnitt gezeigte Kokille K ist aus Kupfer und von Kühlwasser zwischen den Stutzen Kwl, Kw2 durchströmt. Es kann ein gewünschter horizontaler Querschnitt vorgesehen sein, z. B. zur Erzeugung von Knüppeln oder Stangen. Erstreckt sich zur Erzeugung von Platten der Formraum wesentlich weiter in die Tiefe als Breite, auf die Zeichnung bezogen, so sind im Abstand von mehreren Zentimetern parallele Elektroden 13 angeordnet, so daß ein Stromfluß in der gesamten Schlackeschmelze 12 in ausreichendem Maße auftritt.
Die Metallschmelze S1 wird durch den Schmelzeinlauf SE in den Schlackefangbehälter SF gefüllt, wo sie durch die Schlackefänger 21, 22, die von oben bzw. unten in sie hineinragen, gereinigt wird von wo sie durch ein steuerbares Bodenventil V in den Gießt richter T abläuft. Dieser ist im senkrechten Schnitt rotationssymmetrisch so ausgestaltet, daß die auslaufende Schmelze S2 nicht in Rotation gerät und somit keine Luft aufnimmt.
Die Trichtermündung TM ist dicht über der Schlackeschmelze 12 im Bereich der trichterförmigen Erweiterung 11 der Kokille K angeordnet. Durch die Höhe h2 der Schmelze S2 im Gießtrichter T ist die Zuflußmenge S23 zur Kokille K bestimmt. Es kann vorgesehen werden, daß die Ventilsteuerung VS des Bodenventils V abhängig von der Höhe h2 erfolgt. In der dargestellten Ausführung hingegen wird das Gewicht des gefüllten Gießtrichters T, der auf einer Feder F gelagert ist und an dem sich ein Gewichtsmelder Gm befindet,laufend ermittelt und als Regelgröße verwandt, so daß der Zufluß S12 in den Trichter T dem Abfluß S23 entspricht, der eine vorgegebene Größe hat, die wiederum dem Abzug des erstarrten Materials quantitativ entspricht, wobei die Anfangsbedingung dadurch gegeben ist, daß eine vorgegebene Metallschmelzenhöhe in der Kokille erreicht ist1 rund wobei die Abzugsgeschwindigkeit der Abzugsvorrichtung Z durch eine vorgegebene Strang-Austrittstemperatur ts3 unterhalb der Kokille bestimmt ist.
Die Schlackeschmelze 12 befindet sich im trichterförmigen oberen Bereich 11 der Kokille K, der mit einem Randaufsatz 1, der nicht von Kühlwasser durchströmt ist, sondern nur durch Wärmeleitung zur Kokille gekühlt wird, abschließt. Die Schlackeschmelzenhöhe h wird durch Einstreuen von Schlackepulver SP mit einer Schlackedosiervorrichtung Sd, z. B. einer Ruttelvorrichtung, ständig gehalten.
Während des laufenden kontinuierlichen Prozesses stellen sich in verschiedenen Höhen der Kokilleninnenwand unterhalb dieser und in dem Randaufsatz 1 Temperaturen ein, die die Lage der Schlackeoberfläche, der Metallschmelzenoberfläche und bis zu einem gewissen Grad der Erstarrungszone wiedergeben. Deshalb sind dort Temperatutmelder TS1, TS2,TS3 angeordnet, die mit der Steuervorrichtung ST verbunden sind7 die mit den gemeldeten Signalen folgendes steuert: 1. die Schlackedosiervorrichtung Sd, 2. die Höhe der Schmelze S3 über eine Sollgewichtsvorgabe zur Regelung des Gewichts der Schmelze S2, 3. die Abzugsgeschwindigkeit der Abzugsvorrichtung Z und 4. die Stromzufuhr des Generators G, der mit der Kokille K einerseits und der Elektrode 13 andererseits verbunden ist.
Die Elektrode 13 ist entweder aus einem ausreichend hochschmelzenden Material, z. B. Wolfram oder wassergekühlt. Sie ist mit einer Pendel-oder Rührvorrichtung A/P verbunden, die die Elektrode 13 etwa 1/4 bis 1/2 der Höhe h der Schlackeschmelze 12 in diese eintauchend -zur Vermeidung von Kurzschluß im mittleren Bereich der Oberfläche -fortlaufend im Zeitraum von Sekunden zyklisch bewegt.
Für die Verfahrensvariante, daß die Elektrode 13 aus Zuschlagsmaterial besteht, hat diese außer einem Pendelantrieb einen Vorschubantrieb.
Dieser wird gemäß den Legierungsanteilen proportional zu dem Schmelze zufluß S23 gesteuert.
Die Stromstärke des Generators G oder dessen entsprechende Spannung wird so groß gewählt, daß das Abschmelzen bei etwa 1/3 Eintauchtiefe in die Schlackeschmelze 12 erreicht ist. Eine kombinierte Verwendung einer inerten Elektrode mit einer Zuschlagelektrode in Parallelschaltung ist bei größerem Strombedarf und kleiner Zuschlagmenge unter Umständen erforderlich.
Als Steuervorrichtung ST ist ein programmgesteuerter Prozessor vorgesehen, dessen Programm dem Verfahren gemäß ausgestaltet ist. Von der Steuervorrichtung ST führen Steuersignalleitungen mit Endbuchstaben a zu den entsprechenden Antrieben und Steuerleitung Gs zum Generator G, der ein steuerbarer Transformator mit oder ohne Gleichrichter mit oder ohne nachgeschaltete Impulsquelle ist wie diese für Schweißanlagen verwendet werden. Bei Spannungssteuerung tritt eine erhöhte Turbulenz in der Schlackeschmelze wegen der verstärkten Auswirkung der negativen Widerstandscharakteristik der Schlacke auf, was im allgemeinen vorteilhaft ist.
Die Randbedingungen: Austrittstemperatur, Schlackenhöhe, Schmelze gewicht, Zuschlagverhältnis, Pendelwege, Schlacketem perat ur usw.1 der Steuervorgänge zur Durchführung des Verfahrens werden durch eine Eingabevorrichtung E, z. B. eine Tastatur, in die Steuervorrichtung ST eingegeben. Betriebsdaten und eventuelle Störungen werden von ihr an eine Ausgabevorrichtung A, z. B. Anzeigetafel oder einen Drucker gegeben. Die Antriebe und Vorratsbehälter für Schmelze S1, Schlackepulver SP, Zuschlagsmaterial und die Kühlwasserversorgung sind mit geeigneten Meldem in bekannter Weise ausgerüstet, die die Zustände laufend über die Rückmeldeleitungen RM an die Steuervorrichtung ST melden. Für die Beherrschung der Anfangs- und Endphase ist eine Uhr CL mit der Steuervorrichtung ST verbunden, aus deren Signal die Zeitkonstanten' die in der Anordnung gegeben sind bis sich ein Gleichgewichtszustand einstellt, abgeleitet und berücksichtigt werden, was im Programm vorgegeben ist. Bei der ersten Inbetriebnahme wird dazu die Steuerung von Hand vorgenommen bzw. fest vorgegeben und der zeitliche Verlauf der Meßsignale ermittelt. Bei späteren Inbetriebnahmen werden diese gemessenen Abweichungen dem Verlauf entsprechend in die Regelungsvorgaben eingeführt. Entsprechendes gilt für zwischenzeitliche oder längere Stillsetzungen bei Vorratsergänzungen, Strangentnahme, Materialwechsel u. ä.
Bei der Erschmelzung von hochchromdotierten Materialien empfiehlt sich eine Schlackentemperatur zwischen 1.700°C und 2.0000C zu verwenden.
Das zugeführte Schlackepulver SP kann aus bekannten Gemischen bestehen, z. B. im wesentlichen aus: 1. 42% Silizium- und Titanoxid, 10% Kalzium- und Magnesiumoxid, 40% Aluminiurn- und Manganoxid, 5% Kalzium fluorid oder 2. 35% Siliziumoxid, 20% Magnesiumoxid, 25% Aluminiumoxid, 10% Kalziumfluorid.
Die Austrittstemperatur der Schmelze S23 aus dem Trichter T kann bei etwa 1.0000C, d.h. unter dem Schmelzpunkt der endgültigen Legierung liegen. Der Chromanteil wird als Elektrodenmaterial 13' in der heißeren Schlacke und der Stahlanteil mit entsprechend niedrigerer Temperatur erschmolzen und der Schmelze S3 zugeführt. Weitere gewünschte Zuschläge wie Mangan, Vanadium, Nickel, werden je nach Bedarf gemäß Analyse der zugeführten Schmelze dort oder mit der Elektrode aufgegeben. Die Aust ritstem peratur des erstarrten Materials beträgt zweckmäßig 9000 bis 1.0000C.
Hartstoffkörner aus Wolfram-, Titan- und/oder Tantalkarbid werden mit der Elektrode zugeführt oder eingestreut. Hierbei ist die Schlackenhöhe h und Schlackeschmelzetemperatur so im Verhältnis zur jeweiligen Durchlaufzeit durch die Schlackeschmelze 12 zu wählen, daß die Körner beim Durchlaufen nur oberflächlich schmelzen. Die Korngröße und -gestalt und das spezifische Gewicht der Körner und der Schlackeschmelze 12 ist dafür maßgebend.
I)ie Schlacke bildet um das erstarrte Material 14 einen dünnen Mantel 15, der als Gleitmittel dient und beim Erkalten des Stranges außerhalb der Kokille abplatzt, so daß eine schlacke- und zunderfreie, relativ glatte Oberfläche entsteht.

Claims

Patentansprüche 1. Gießverfahren, insbesondere Stranggußverfahren, bei dem in einer wassergekühlten Kokille (K) Metallschmelze (S3) kontinuierlich erkaltet und erstarrt und in gleichem Maß kontinuierlich Metallschmelze (S23) von oben zugeführt und das erstarrte Material (14) vorzugsweise nach unten abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf der Schmelze (S3) eine Schlackeschmelze (12) von für die jeweilige Metallschmelze (S3) geeigneter Höhe (h), Schlacketemperatur und Zusammensetzung befindet, wobei die Schlacketemperatur höher als die Metallschmelzetemperatur ist und zur Aufrechterhaltung der höheren Schlacketemperatur die Schlacke -schmelze (12) von einem entsprechenden Strom zur elektrischen Widerstandsheizung durchflossen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Schlackeschmelze 1 bis 5 cm beträgt und die Schlacketemperatur durchschnittlich bei 1.7000C bis 2.0000C liegt und die Zusammensetzung der zugeführten Schlacke z. B.

aus 42,°' Siliziuin- und Titanoxid, 10% Kalzium- und Magnesiurnoxid, 40% Aluminium- und Manganoxid und 5% Kalziumfluorid, oder 35% Siliziumoxid, 20% Magnesiumoxid, 25% Aluminiuinoxid und 10% Kalziumfluorid besteht, und die Metallschmelze überwiegend aus Eisen, Mangan und/oder Chrom besteht.
3. Verfahren nach Anspruchl oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzuführung einerseits über die Kokille (K) und andererseits über mindestens eine inerte, vorzugsweise wassergekühlte Elektrode (13), z. B. aus Wolfram, erfolgt und vorzugsweise die Elektrode (13) pendelnd oder kreisend über den mittleren Bereich der Schlackeoberfläche und etwa 1/4 bis 1/2 der Schlackenhöhe eintauchend geführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzuführung einerseits über die Kokille (K) und andererseits über mindestens eine Elektrode (13) erfolgt, die aus einer Metallzusammensetzung besteht, die laufend in der Schlackeschmelze (12) abschmilzt, und daß die Elektrode (13) laufend der Schlackeschmelze (12) in dem Maße zugeführt wird, daß sich mit der ande rerseits zugeführten Metallschmelze (S23) eine vorgegebene Zusammensetzung der Schmelze (S3) bzw. des erstarrten Materials (14) ergibt, und daß die Stromzufuhr bzw. Schlacketemperatur vorzugsweise so gewählt wird, daß die Elektrode (13) in etwa 1/4 bis lIft der Schlackehöhe (h) eintauchend abschmilzt, und daß vorzugsweise die Elektrode (13) pendelnd oder kreisend im mittleren Bereich der Schlackeoberfläche geführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (13) aus einem Band, Rohr o. ä. besteht, auf oder in dem Zuschlagstoffe zur Schmelze (S3) und/oder Hartstoffkörner, z. B.

aus Wolframkarbid, gehalten sind, deren Schmelztemperatur unter der Schlacketem peratur aber über der M etallschmelzetemper<rur liegt.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus e die Schmelzvorrichtung eine Metallschmelze (S1) in einen vorzugsweise beheizten Schlackefangbehälter (SF) gegossen wird und von diesem vorzugsweise durch ein steuerbares Bodenventil (V) dosiert durch einen Gießtrichter (T) fließend der Schmelze (S3) in der Kokille (K) zugeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzestrom (S23), der gemäß der Erstarrungsgeschwindigkeit der Schmelze (S3) der Kokille (K) zugeführt wird, über Höhe (h2) oder Cewicht der Schmelze (S2) im Gießtrichter (T) bestimmt wird, wobei durch Steuerung der Schmelzezufuhr (S12) in den Gießtrichzer (T) die Höhe (h2) bzw. das Gewicht auf einen vorgegebenen Wert geregelt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dB die Abzugsgeschwindigkeit des Materials (14) so gesteuert wird, daß unterhalb der Kokille (K) eine vorgegebene Austrittstemperatur (ts3), z. B. 1.000°C, herrscht, und daß abhängig von der Abzugsgeschwindigkeit die E fstarrungsgeschwindigkeit bestimmt wird.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kokille (K) oberhalb der Schmelze (S3) einen Raum zur Aufnahme der Schlackeschmelze (12) von mindestens der Höhe (h) hat und dieser Raum vorzugsweise sich trichterförmig erweitert und mit einem nicht von Kühlwasser durchflossenen Randaufsatz (1), vorzugsweise aus Stahl, seitlich abgeschlossen ist und die Kokille im übrigen aus einem wasser gekühlten Kupfer mantel besteht.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der Schlackeoberfläche die Mündung (TM) einer Schmelzezuflußdosiervotrichtung, einer Schlackepulverdosiervor richtung (Sd) und mindestens eine Halterung und ggf. Zuführ- und Pendelvorrichtung (A/P) der Elektrode (13) angeordnet ist und unterhalb der Kokille (K) ggf. eine Abzugsvorrichtung (Z) angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzezu flußdosiervorricht ung aus einem vorzugsweise heizbaren Schlackenfangbehälter (SF) mit einem steuerbaren Bodenventil (V), unter dessen Auslauf ein Gießtrichter (T) angeordnet ist, dessen Auslauf die Mündung (TM) ist und der mit einem Gewichtsmelder (Gm) zur laufenden Bestimmung seines Gewichts verbunden ist, besteht und daß die Gewichtsmeldung zur Steuerung des steuerbaren Bodenventils (V) mittels einer Steuervorrichtung (ST) dient, so daß das Gewicht auf einen vorgegebenen Wert, der der Erstarrungsgeschwindigkeit entpsricht, geregelt wird, so daß die Höhe der Schmelze (S3) einen vorgegebenen Wert hat.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (ST) eingangsseitig mit dem Gewichtsmelder (Gm), mit je einem Temperaturmelder (TS1...TS3) im Randaufsatz (1), in der Kokilleninnenwand und an dem Austritt des Materials (14) aus der Kokille, mit Rückmeldern (RM) der Ventilsteuervorrichtung (VS), der Zuführ- und Pendelvorrichtung (A/P), der Schlackedosiervorrichtung (Sd), eines Generators (G), der den Elektrodenstrom liefert und steuert, und der Abzugsvorrichtung (Z) verbunden ist und ausgangsseitig von dieser Steuersignall eitungen (VSa,A/Pa,Sda,Za,Gs) zur Steuerung der entsprechenden Antriebe bzw. des Stromes oder der Spannung des Generators (G) abgeführt sind und daß eine Uhr (CL) auf die Steuervorrichtung gemäß dem Verfahren einwirkt, daß sie einem in ihr enthaltenen Programm und über die Eingabevorrichrung (E) vorgegebenen Daten entsprechend den Verfahrensablauf steuert und anforderungsgemäß Betriebs- und Störungsmeldungen auf einer Ausgabevorrichtung (A) anzeigt und/oder meldet, wobei das Signal des Temperaturmelders (TS1) am Randaufsatz (1) zur Regelung der Schlackeschmelzehöhe (h) über die Steuerung der Schlackedosiervorrichtung (Sd) und/oder zur Regelung der Schlackeschmelzetemperatur durch Steuerung des Generatorstromes bzw. der -spannung dient und das Signal des Temperaturmelders (TS2) in der Kokillenwand zur Regelung der Höhe der Schmelze (S3) über die Vorgabe zur Dosierung des Schmelzmaterialzuflusses dient und wobei vorzugsweise die Regelungen gemäß ermittelter Zeitkonstanten der jeweiligen Regelkreiskomponenten kompensiert betrieben werden.