DE3821165A1 - Giessvorrichtung fuer metallschmelzen mit einer giessduese, verfahren zum untersuchen von stroemungsverhaeltnissen an der giessduese sowie stroemungsmodell dafuer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gießvorrichtung für Metallschmelzen mit einer Gießdüse, insbesondere einem Gießrohr, und einer dieser nachge­ schalteten Pralleinrichtung, die mit der Gießdüse einen Strömungsspalt begrenzt. Zudem erfaßt die Erfindung ein Verfahren zum Untersuchen von Strömungsverhältnissen beim Erstarren von Leichtmetallschmelzen, insbesondere Aluminiumschmelzen, an einem Strömungsmodell mit einer Gießdüse an/in einem beckenartigen Behältnis sowie ein dafür geeignetes Strömungsmodell.

Gießvorrichtungen der eingangs erwähnten Art weisen unterhalb der rohrartigen Gießdüse eine horizontale Prallplatte auf, welche mit den Mündungsrand jener Gießdüse einen um die i.w. vertikale Gießdüsenachse gelegten zylinderartigen Strömungsspalt begrenzt. Dieser Gießspalt schafft nach der Erfahrung in der Praxis ungünstige Strömungsverhältnisse.

Für die Barrenqualität beim Stranggießen von Aluminiumknetlegierungen ist eine Vielzahl von Faktoren von Bedeutung, u.a.

• - die Strömungsbedingungen der Schmelze während der Überführung in die Erstarrungszone;
• - die Geometrie der Zufuhr der Schmelze in den Sumpf;
• - die Gießgeschwindigkeit;
• - die Abmessungen der Kokille und
• - die Höhe des Metallspiegels in der Kokille sowie
• - die Schwankungen des Schmelzemeniskus.

Alle diese vorgenannten Faktoren charakterisieren die Strömungsverhältnisse beim Erstarren von Schmelzen im vertikalen, halbkontinuierlichen Stranggießverfahren. Stets steigende Anforderungen der Aluminiumverarbeiter an die Walz-, Press-, und Schmiedeprodukte, - z.B. gleichmäßige eloxierfähige Walzoberflächen, dünne und dichte Aluminiumfolien oder hochfeste, fehlerfreie Schmiedeteile - erfordern einen Strangguß mit rascher feinzelliger Erstarrung, mit niedrigem Gasgehalt und frei von nichtmetallischen und/oder oxidischen Einschlüssen.

So muß angestrebt werden, die durch moderne effiziente Reinigungsverfahren aufbereitete Schmelze ruhig, das heißt turbulenz­ frei aber zügig und möglichst gleichmäßig der Erstarrungszone zuzuführen. Die Kenntnis der wesentlichen Parameter, welche die Strömungsvserhältnisse beeinflussen und eine sich daraus ergebende optimale Abstimmung von Gießrinne, Gießdüse und Schmelzeverteilungs­ system in der Kokille sind daher von ausschlaggebender Bedeutung. Die aus der Strömungslehre bekannten Zusammenhänge für die Charakterisierung von offenen Strömungen sind zutreffend für die Schmelzebewegung in Gießrinnen.

Bei der Schmelzeführung kann in ausreichend bemessenen Gießrinnen gleichmäßigen Querschnitts und geringer Neigung von einer laminaren, ruhigen Strömung mit einer Froude-Zahl von kleiner 1 ausgegangen werden. Beim Eintritt der Schmelze in die vertikal angeordnete Gieß­ düse geht die laminare Strömung in einen turbulenten Strömungsver­ lauf über mit Reynoldszahlen, die weit über Re_krit. von 2320 liegen.

Angesichts dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder das Ziel gesetzt, eine Gießvorrichtung der eingangs erwähnten Art in ihrer Wirkungsweise erheblich zu verbessern und dabei die als nachteilig erkannten Mängel vorbekannter Gießdüsen zu vermindern. Zudem soll zur Optimierung einer derartigen Gießdüse ein Verfahren der eingangs ge­ nannten Art zusammen mit dem dafür verwendeten Strömungsmodell verbessert werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt, daß die Pralleinrichtung der Gießvor­ richtung als Prallkörper mit zur Achse der Gießdüse geneigter Oberfläche ausgebildet ist und letztere mit einer Zone der Innenfläche der Gießdüse den Strömungsspalt begrenzt. Dieser Strömungsspalt ist also nicht mehr ein um die Gießdüsenachse gelegter Zylinder geringer Höhe, sondern ein im Querschnitt sich in Gießrichtung verjüngender Ringspalt, der trichterartig wirkt und so eine erheblich günstigere Strömung bestimmt.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, den erfindungsgemäßen Prallkörper gegenüber der Gießdüse in deren Achse verschieblich anzuordnen, um den Querschnitt dieses Strömungsspaltes verändern zu können.

Im Rahmen der Erfindung liegen mehrere Ausgestaltungen des Prallkörpers bzw. dessen Oberfläche, welch letztere kegelförmig oder hutartig ausgebildet ist sowie in jedem der Anwendungsfälle in die Mündung des Gießrohres einzuragen vermag; sie bietet gegenüber den Mündungsrand eine geneigte Gleitfläche an, die nach unten hin in einen gerundeten Ablaufrand übergeht. Dieser kann gegebenenfalls sogar von einer hier nur als Träger dienenden Prallplatte bekannter Art gebildet werden.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Prallkörpers wird also vor allem durch die gegenüber der Gießdüsenachse geneigte Oberfläche und deren lineare oder auch S-förmig gekrümmte Querschnittskontur bestimmt; letztere erlaubt einen besonders sanften Auslauf der Schmelze aus dem Strömungsspalt.

Im Rahmen der Erfindung liegt ein Testverfahren, bei dem Wasser od.dgl. Flüssigkeit durch die Gießdüse auf einen Prallkörper geführt und von diesem durch ein Gewebe - bevorzugt ein Glasfasergewebe - auf eine Schüttung aufgebracht wird; deren Oberfläche ist nach der metall- und legierungsspezifischen Solidusfläche ausgebildet, querschnittlich nach der Soliduslinie. Beide Kriterien sind zudem noch formatabhängig.

Dazu hät es sich als günstig erwiesen, die Höhe der Schmelze - also der Flüssigkeit - in einer der Gießdüse vorgeschalteten Gießrinne und/oder die Gießgeschwindigkeit zu variieren.

Das Gießmodell weist erfindungsgemäß jene Schüttung mit der genannten Oberfläche auf, wobei die Schüttung auf einem Lochblech in Abstand zum Boden des Gießmodelles ruht.

Die aus einem Schwimmer sowie einer damit verbundenen tieferliegenden zentral angeordneten Prallplatte unter der Gießdüse bestehende Anordnung ist ein bekanntes Gießsystem zur Regelung des Metallhöhenstandes in der Kokille.

In den Strömungsversuchen wurde - wie auch aus der Praxis bekannt - rund um die eingetauchte Gießdüse im Abstand von etwa dem 1,5-fachen Prallplattenradius relativ starke Wellenbildung an der Oberfläche der Schmelze beobachtet, ausgelöst durch das von der Prallplatte umgelenkte Metall; ein Teil der Strömungsenergie, welche für eine zügige Anströmung der Kokillenschmalseiten notwendig ist, wird zur Wellenbildung verbraucht. Zudem besteht auch hier die Gefahr, durch Überstürzen der Oberflächenwellen die Oxidhaut der Schmelze aufzubrechen und Oxide feinverteilt in diese Schmelze zu bringen. Versuche mit unterschiedlich geformten Prallkörpern mit geneigter Oberfläche führten zu dem Erfolg, daß die Wellenbildung an der Oberfläche der Schmelze wesentlich geringer und erst in größerem Abstand von der Gießdüse auftrat.

Die nahezu gleiche Viskosität von Wasser und Aluminiumschmelzen erlaubt es, Strömungsverhältnisse an einem 1:1 Wassermodell zum besseren Verständnis der Schmelzebewegung im Metallzufuhrsystem und im Bereich der Erstarrungszone zu studieren.

Folgendes konnte in den ersten Versuchen festgestellt werden:

• - die speziell ausgebildeten kegelförmigen Prallkörper intensivieren die Anströmung zur Schmalseite hin;
• - seitlich offenes Glasfasergewebe führt im Vergleich zu einer geschlossenen Ausführung zu einer rascheren Schmelzeverteilung und zu gleichmäßigeren Erstarrungsverhältnissen über den Breitenquerschnitt von Walzbarren;
• - die Aussagen der beschriebenen Versuche sind für die Fertigung eines qualitativ hochwertigen Stranggußwalzbarrens, z.B. für dekorativ eloxierfähiges Band- und Blechmaterial, von erheblicher Bedeutung.

Bezüglich weiterer Merkmale der Erfindung wird auf die Unteransprüche Bezug genommen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in

Fig. 1 den schematisierten Querschnitt durch ein Strömungsmodell mit Glasfasergewebe in einem Rohrrahmenschwimmer und einer darüber befind­ lichen Gießdüse;

Fig. 2 eine gegenüber Fig. 1 vergrößerte Seitenan­ sicht eines Teiles der Gießrinne;

Fig. 3 die Draufsicht auf Fig. 2;

Fig. 4 eine Schemaskizze zu Anströmverhältnissen bei seitlich geschlossenem Glasfasergewebe;

Fig. 5 eine der Fig. 4 entsprechende Darstellung der Anströmverhältnisse bei seitlich offenem Glas­ fasergewebe;

Fig. 6 ein Schemabild zur Darstellung der idealen Anströmung einer Schmalseite des Gießmodells bei unterschiedlichen Vorrichtungen;

Fig. 7 einen Teil einer Gießdüse mit nachgeordnetem Prallkörper;

Fig. 8 bis 10 unterschiedliche Formen von Prallkörpern.

Fig. 1 zeigt den Versuchsaufbau eines Strömungsmodells. Ein Becken 10 der Breite a aus transparenten Seitenwänden 11 und einem - Abflüsse 12 enthaltenden - Boden 13 nimmt in Abstand b zu letzterem einen Zwischenboden 14 aus Lochblech auf. Auf diesem ruht ein durchlässiges Kieselbett 15, dessen Oberflächenquerschnitt die Form der Soliduslinie 16 einer Metallschmelze aufgrund von Meßergebnissen in der Praxis anbietet.

Auf dem Kieselbett 15 - also oberhalb der Soliduslinie 16 - bildet eine flüssige Schmelze 20 einen Schmelzespiegel 21, auf dem ein Rohr­ rahmenschwimmer 22 liegt. An diesen wird eine Prallplatte 24 der Breite e von einem Glasfasergewebe 26 gehalten.

Oberhalb der Prallplatte 24 sowie in Abstand i zu dieser ist der Mün­ dungsrand 28 einer Gießdüse 30 angeordnet, deren Durchmesser d hier 35 mm mißt. Die Gießdüse 30 endet nach oben hin in einer Gießrinne 32 der Breite f von hier 80 mm, in welcher Schmelze 20 _r bis zu einer Schmelzhöhe h steht.

Die Schmelze 20 _r wird in Fließrichtung x zur Gießdüse 30 geführt, die in Fig. 2 in einem mittleren Abstand n von 68 mm zur Rückwand 33 der Gießrinne 32 angeordnet ist. In diesem Falle bilden sich hinter der Gießdüse 30 bei 34 angedeutete Wirbel.

Zahlreiche Messungen der Viskosität von Aluminiumschmelzen mittels der Methode des rotierenden Flüssigkeitszylinders von Gebhardt e.a. haben je nach Temperatur und Zusammensetzung der Aluminiumschmelze eine Vis­ kosität von 0,90 bis 1,17 mPas ergeben. Wasser besitzt bei 20°C definitionsgemäß die Viskosität 1,0 mPas. Diese Tatsache wurde für Strömungsversuche an dem Strömungsmodell im Originalmaßstab genutzt. Der Versuchsaufbau für Walzbarrenquerschnitte besteht aus dem Plexi­ glasbecken 10 mit der Barrenbreite a und einer senkrecht zur Bildebene zu sehenden Barrendicke, in welchem die Form der Soliduslinie 16 - wie gesagt - mittels des durchlässigen Kieselbettes 15 nachgebildet ist.

Bei den Versuchen waren folgende Parameter variabel:

h = Höhe der Schmelze 20 _r in der Gießrinne 32 und
V _G = Gießgeschwindigkeit.

Weiterhin wurde das unterhalb des Rohrrahmenschwimmers 22 und der Prallplatte 24 gespannte Glasfasergewebe 26 an den Schmalseiten so­ wohl offen wie geschlossen ausgebildet (Fig. 4, 5).

Die lokalen Strömungsverhältnisse in der Gießrinne 32 sowie in einer Gießkokille innerhalb und außerhalb des Rohrrahmenschwimmers 22 wurden mittels Zudotierens von violettem Kaliumpermanganat sichtbar gemacht und mit einer Videokamera festgehalten. Die folgenden Versuchser­ gebnisse wurden festgestellt.

In Abhängigkeit von der Fließmenge (kg Al pro min.) in der Gießrinne 32 wurden Metallhöhe h und Gießgeschwindigkeit V _G variiert.

Dabei wurde jeweils das kritische Niveau bestimmt, bei welchem Bildung von stationären Wirbeln einsetzte, ausgehend von den Ecken der Rinnen­ rückwand 33 zur Gießdüse 30 hin.

Bei einer Verlängerung der Gießrinne 32 zwischen Gießdüse 30 zum Ende hin auf 80 mm oder mehr - also um den Faktor 1,2 bis 1,5 - trat Wirbelbildung erst bei weit tieferem Niveau auf.

Es hat sich gezeigt, daß durch den experimentell bestimmten Zusammen­ hang von Metallniveau und Durchflußmenge der obere, wirbelfreie- Bereich sicher vom unteren kritischen Bereich mit stationären Wirbeln abgegrenzt werden kann.

In den Strömungsversuchen wurden rund um die eingetauchte Gießdüse 30 im Abstand von etwa dem 1,5 fachen Prallplattenradius relativ starke Wellenbildungen an der Oberfläche der Schmelze beobachtet, ausgelöst durch das von der Prallplatte umgelenkte Metall.

Die Versuche gemäß Fig. 4, 5 fußen auf dem bekannten Einsatz von Glasfasergeweben unterschiedlicher Maschenweite geometrisch vielfäl­ tiger Ausführung in Verbindung mit verschiedenen Schmelzeverteilungs­ systemen. Bekanntlich sollen diese Gewebe eingeschleppte Oxide zurück­ halten, zum anderen die Schmelze gezielt verteilen. Theoretische Berechnungen des Strömungsverlaufs sind mit mathematisch überschau­ baren Ansätzen wohl kaum möglich und somit gründen sich die heutigen Kenntnisse ausschließlich auf praktischen Erfahrungen.

Bei den beschriebenen Versuchen wurden zunächst Durchflußmenge und Metallhöhe in der Kokille nach einer in der Praxis üblichen Gießbedingung konstant eingestellt. Anschließend wurde die Schmelze 20 in der Gießrinne 32 oberhalb der Gießdüse 30 mit einer vorgegebenen Menge Kaliumpermanganat dotiert und dessen Verteilung im "Schmelzebereich" zeitlich und räumlich verfolgt.

Bei seitlich geschlossenem Gewebe 26 (Fig. 4) füllt sich das gesamte Gewebe 26 zunächst mit Schmelze 20. Danach drang das Metall all­ mählich an den seitlichen Schmalseiten durch und fiel ohne erkennbare Anströmung der Schmalseiten nach unten. Die Ausfüllung des Schmelze­ bereiches geschah relativ langsam. Der schraffierte Mittelbereich 50 war nach einer Stunde komplett ausgefüllt.

Wird das Glasfasergewebe 20 seitlich offen belassen (Fig. 5), so tritt durch diese Öffnungen - wie erwartet - die Schmelze 20 sehr zügig aus und fließt in Richtung der Kokillenschmalseiten. Weiterhin erfolgt die Ausfüllung des gesamten Schmelzebereiches erheblich rascher. Der untere Bereich 51 wird nach unten hin ausgefüllt.

Diese vergleichenden Versuche bescheinigen der Variante seitlich "offenes Gewebe" eine weitaus zügigere Anströmung, insbesondere in den erfahrungsgemäß strukturkritischen Außenzonen der Walzbarrenseiten. Die Erstarrungsfront wird in diesen Bereichen ebenso wie in den strömungsgünstigen Mittenzonen der Walzbarren rasch mit Schmelze gleichmäßig hoher Temperatur und Zusammensetzung versorgt. Insgesamt liegen also homogenere Voraussetzungen für Keimbildung und Erstarrung vor.

Fig. 6 zeigt linksseitig die Verhältnisse bei Verwendung der Prall­ platte 24 sowie auf der rechten Seite die Anströmung in Richtung auf die Kokillenschmalseite bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Prall­ körpers 40, der in Fig. 6 auf der Prallplatte 24 als Aufsatz ange­ bracht ist, der aber die Prallplatte 24 auch völlig ersetzen kann.

Fig. 7 verdeutlicht einen Prallkörper 40, der unterhalb des Mündungs­ randes 28 der Gießdüse 30 verläuft und mit dem Mündungsrand 28 einen Spalt 38 variabler Höhe q begrenzt; der Prallkörper 40 ist in Aus­ führungsbeispiel der Fig. 7 an einer Stange 42 in Gießdüsenachse M bewegbar.

Die Fig. 8 bis 10 zeigen unterschiedliche Querschnittsformen von Prallkörpern, nämlich ein gleichschenkliges Dreieck 40 _a , ein gleich­ seitiges Dreieck 40 _b , einen zu einer Prallplatte 24 und deren Auslaufrand 25 hin sich erweiternden Querschnitt 40 _d . Mit 40 _c ist ein hutartiger Dreiecksquerschnitt in der in Fig. 15 wiedergegebenen Zusammenstellung bezeichnet.

Die Versuche haben deutlich gemacht, daß schon bei relativ geringfügig anders ausgebildeter Kegelmantelfläche als Oberfläche 41 des Prallkörpers 40 Wellenbildung und Anströmung stark verändert werden können. Weiterhin muß die Zentrierung des Prallkörpers 40 unter dem Düsenaustritt 28 durch genaue Ausbildung und Aufhängung des Schwimmersystems sichergestellt werden.

Von besonderer Bedeutung ist hier, daß der gemäß Fig. 7 aufgehängte Prallkörper 40 unabhängig von dem oben genannten Rohrrahmenschwimmer 22 eingesetzt zu werden vermag.

Die nachfolgende Gegenüberstellung gibt die Daten zu den in den Fig. 8 bis 11 gezeigten Querschnittsformen an:

Im Verhältnis zur ebenen Prallplatte, Variante 1 insbesondere die spezielle Kegelausbildung von Variante 5 bringt eine auf 15% reduzierte Wellenbildung bei etwaiger Verdoppelung der Anströmungsgeschwindigkeit zu den Kokillenschmalseiten hin. Ursache hierfür ist die gezielte Umlenkung der Schmelze mit weniger inneren Turbulenzverlusten mit einer flacheren Anströmung zur Oberfläche hin.

Die Versuche haben außerdem deutlich gemacht, daß schon bei relativ geringfügig anders ausgebildeter Kegelmantelfläche Wellenbildung und Anströmung sich stark ändern können (siehe Var. 2 und 3). Weiterhin muß die Zentrierung des Prallkörpers unter dem Düsenaustritt durch genaue Ausbildung und Aufhängung des Schwimmersystems sichergestellt sein.

Claims (12)

1. Gießvorrichtung für Metallschmelzen mit einer Gießdüse, insbesondere einem Gießrohr, und einer dieser nachgeschalteten Pralleinrichtung, die mit der Gießdüse einen Strömungsspalt be­ grenzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Pralleinrichtung als Prallkörper (40) mit zur Achse der Gießdüse (30) geneigter Oberfläche (41) ausgebildet ist und letztere mit einer Zone der Innenfläche der Gießdüse den Strömungsspalt (38) begrenzt.

2. Gießvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Prallkörper (40) gegenüber der Gießdüse (30) in deren Achse (M) verschieblich ist.

3. Gießvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (41) des Prallkörpers (40 _a , 40 _b ) kegel­ mantelförmig ausgebildet ist.

4. Gießvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Prallkörper (40 _d ) eine kalottenartig gerundete Spitze aufweist.

5. Gießvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Prallkörper (40 _a , 40 _b , 40 _d ) Aufsatz einer Trag­ platte (24) ist.

6. Verfahren zum Untersuchen von Strömungsverhältnissen beim Er­ starren von Leichtmetallschmelzen, insbesondere Aluminium­ schmelzen, an einem Strömungsmodell mit einer Gießdüse an/in einem beckenartigen Behältnis, dadurch gekennzeichnet, daß Wasser od.dgl. Flüssigkeit durch die Gießdüse auf einen Prallkörper ge­ führt und von diesem durch ein Gewebe, bevorzugt ein Glasfaserge­ webe, auf eine Schüttung aufgebracht wird, deren Oberfläche nach der metallspezifischen Solidusform ausgebildet ist.

7. Strömungsmodell mit einer Gießdüse an/in einem beckenartigen Behältnis zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine querschnittlich in Form der metallspezifischen Soliduslinie (16) ausgebildeten Oberfläche einer Schüttung (15).

8. Strömungsverhältnis nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schüttung ein durchlässiges Kieselbett (15) ist.

9. Strömungsmodell nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schüttung (15) auf einem Lochblech (14) über einen Beckenboden (13) angeordnet ist.

10. Strömungsmodell nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der Schüttung (15) ein Prallkörper (40) vorgesehen ist, den ein Glasfasergewebe (26) umgibt.

11. Strömungsmodell nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen Prallkörper (40) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5.

12. Strömungsmodell nach wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Glasfasergewebe (26) des Strömungsmodells seitlich offen ist.