DE4306943C2 - Anfahrkopf für eine Vertikal-Stranggießanlage - Google Patents
Anfahrkopf für eine Vertikal-StranggießanlageInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Anfahrkopf für eine Vertikal-
Stranggießanlage bestehend aus einem eine Kokille im Anfahrzustand
nach unten verschließenden Angußstein (3), der aus dem
formgebenden Aufsatz (1) eine in vertikaler Richtung auf den
Angußstein gerichtete Metallschmelze aufnimmt.
Vertikal-Stranggießanlagen der eingangs genannten Art sind
beispielsweise aus dem Aluminium-Taschenbuch, 14. Auflage,
S. 22ff bekannt. Die Kokille besteht aus einem niedrigen,
wassergekühlten Ring, der vor Gießbeginn durch ein auf dem
absenkbaren Gießtisch befestigtes Bodenstück oder einem
Angußstein abgeschlossen wird. Mit einsetzender Erstarrung
des aus dem Gießofen bei niedriger Temperatur über eine
Rinne einfließenden Metalls wird der Tisch abgesenkt und
der austretende Block durch gezielte Wasseranspritzung
direkt abgekühlt.
Wenn die Unterkante des gegossenen Barrens in den Bereich
der Sekundärkühlung gelangt, wölbt sich der Barrenfuß mit
seinen Ecken nach oben vom Angußstein weg. Das Ausmaß
dieser Verwölbung wächst mit dem Seitenverhältnis und mit
dem Barrenformat. Bedingt durch die Verwölbung verliert
der Barren an Standfestigkeit auf dem Angußstein. In den
Spalt zwischen Angußstein und Barren läuft Wasser, ver
dampft und führt zum "Bumping". In Verbindung mit der
geringeren Standfestigkeit kann der Barren wackeln und
wird schief. Weiter geht durch den Spalt der Wärmekontakt
zwischen dem Angußstein und der Barrenunterseite verloren.
Bei ungünstigen Bedingungen kann der Barren auf der Unter
seite aufschmelzen oder aufbrechen und Metall kann aus
fließen, dies führt zu einer von der Sicherheit her kri
tischen Gießsituation. Ferner wird durch den Verwölbungs
vorgang auf der Barrenschmalseite in der Kokille die dort
gebildete Randschale von der kühlenden Kokillenlaufläche
abgehoben, das Wachstum der Randschale wird gestört, bei
ungünstigen Bedingungen kann die Randschale aufbrechen und
aufschmelzen und Schmelze kann nach unten austreten. Dies
führt dann einerseits wieder zu einer kritischen Gieß
situation, andererseits bilden sich an den Schmalseiten
sogenannte Bärte (eng. icicles), die bei der Weiterver
arbeitung des Barren stören. Die sogenannte Barrenfußver
wölbung bestimmt auch den Fußschrott mit, den Teil, der
vor der Weiterverarbeitung des Barren von der Unterseite
abgesägt werden muß. Der Verwölbungsvorgang läuft in der
Praxis häufig unsymmetrisch ab, dies erhöht den Fußschrott
zusätzlich und verstärkt die Tendenz zu den oben genannten
Fehlern.
Es sind eine Reihe von Maßnahmen bekannt geworden, mit
denen versucht wird, den Spannungsabbau im Barrenfuß beim
Angießen zu verringern und damit auch die Barrenfußver
wölbung.
A.T.Taylor et. al. (Metal Progress, 1957, S. 70/74) haben
mit Hilfe von Preßluft den Wirkungsbereich der Sekundär
kühlung in der Angießphase verringert und so versucht den
Spannungsaufbau bei großen Abmessungen zu reduzieren.
N.B.Bryson (Canadian Metallurgical Quarterly, 7 (1968,
S. 55/59) schlägt eine sogenannte Impulswasserkühlung vor,
bei der in der Angießphase der Kühlwasserstrom periodisch
unterbrochen wird. Dadurch kann sich die Barrenoberfläche
zeitweise wieder aufheizen und Abkühlspannungen werden
nicht in so starkem Maße aufgebaut, die Barrenfußverwöl
bung wird verringert. Für große Anlagen werden bei diesem
Verfahren aufwendige, schnellschaltende Ventile notwendig,
um die Kühlwassermengen schnell aus- und einschalten zu
können, darüber hinaus können durch das schnelle Schalten
starke Druckstöße im Leitungsnetz induziert werden.
H.Yu (Light Metals, AIME Proceedings, 1980, S. 613/628)
versucht den eigentlichen Kühlprozeß zu beeinflussen,
indem er Gase, vorzugsweise CO2, im Wasser löst. Beim
Auftreffen auf den heißen Barren soll das Gas eine dünne
isolierende Dampfschicht bilden, die die Kühlung herab
setzt, so den Spannungsaufbau reduziert und die Barren
fußverwölbung vermindert. Die Löslichkeit des CO2 im
Wasser hängt jedoch stark von der Ausgangstemperatur und
der Zusammensetzung des Wassers ab. Eine gezielte Einstel
lung der Kühlwirkung, d. h. eine auf die Wasserqualität
abgestimmte Dosierung der CO2-Zugabe, ist nur mit auf
wendigen Meßverfahren möglich.
F.E. Wagstaff (US Patent 4 693 298) schlägt in ähnlicher
Weise vor, das Kühlwasser kurz vor dem Auftreffen auf den
Barren noch in der Kokille mit Luft zu mischen. Die Luft
bläschen im Wasser sollen in gleicher Weise wirksam werden
wie das gelöste CO2. Dieses Verfahren ist unter dem
Namen TurboCRT (Curl Reduction Technology) bekannt. Es
unterliegt hinsichtlich der gezielt eingestellten Kühlung
in Abhängigkeit von der Wasserqualität ähnlichen Ein
schränkungen wie das CO2- Verfahren. Darüber hinaus ist
die gleichmäßige Verteilung der Luft im Wasser problema
tisch.
Alle diese Maßnahmen sind nur mit einem erheblichen
technischen Aufwand in der Gießereipraxis anwendbar.
Darüber hinaus verursachen sie einen nicht unerheblichen
zusätzlichen Wartungsaufwand und zusätzliche Kosten für
die Beschaffung von CO2 bzw. für die Bereitstellung und
den Verbrauch von Energie zur Drucklufterzeugung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Anfahrkopf für
eine Vertikal-Stranggießanlage der eingangs genannten Art derart
zu verbessern, daß die Angießsicherheit und Barrenstandfestigkeit
vergrößert und die Ausbildung einer Verwölbung sowie das
Auftreten von Fußschrott wesentlich reduziert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in dem Haupt
anspruch angegebenen Merkmale gelöst. Weitere, die Lösung
dieser Aufgabe in bevorzugter Weise ergänzende Merkmale
sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Durch zahlreiche Versuche hat sich gezeigt, daß das Ausmaß
der Barrenverwölbung beim Angießen in einer direkten Be
ziehung zur Verwölbungsgeschwindigkeit beim Beginn der
Verwölbung steht. Es ging nicht allein darum, durch Ver
tiefen des Angußsteins den Wärmeinhalt durch ein ver
größertes Schmelzeangebot im Barrenfuß während der An
gießphase zu erhöhen, sondern um eine gezielte Maßnahme
zur Spannungsreduzierung beim Abkühlen des Barrenfußes. Es
zeigte sich, daß durch eine Erhöhung der Steifigkeit der
auf dem Angußstein erstarrten Randschale der Verwölbungs
vorgang entscheidend reduziert werden kann. Zur Erzielung
wiederholbar guter Ergebnisse kommt es auf die genaue
Geometrie des Angußsteins an, insbesondere auf die Beziehungen
zwischen dem Ausmaß der Vertiefung und dem For
mat des Angußsteins.
Durch die erfindungsgemäß ausgebildeten Abschrägungen
zwischen dem umlaufenden Rand des Angußsteins und den
Erhebungen, erstarrt in der Angießphase im Angußstein
zunächst eine Art Kasten mit mehreren relativ hohen, steil
nach oben stehenden Wänden, die aus mechanischen Gründen
eine Versteifung des Barrenfußes bilden. Je größer die
Höhe h der Vertiefung ausgeführt wird, um so größer ist
die mechanische Versteifung des Barrenfußes. Dies führt
dazu, daß der Barrenfuß sich beim Stranggießen in der
Angießphase langsamer verformt und daß die Verwölbung
insgesamt geringer ausfällt.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Erhebung mit
einem im wesentlichen trapezförmigen Querschnitt gelingt
es dem Barren einerseits einen festen Halt zu geben, so
daß er nicht wackeln kann. Andererseits ist die am Gieß
ende erforderliche Kraft zum Abheben des Barrens vom An
gußstein durch die konische Ausbildung der Erhebung im
Vergleich zur beim rechteckförmigen Querschnitt der Er
hebung aufzuwendenden Kraft deutlich reduziert. Diese
beiden Vorteile zusammengenommen ergeben eine deutliche
Verbesserung bei der Herstellung von Walzbarren auf der
erfindungsgemäßen Stranggußanlage.
Durch eine geschickte Gestaltung der Seitenflächen der
Erhebung, beispielsweise durch Riffelung oder kontinuier
liche Winkeländerung, gelingt es den Wärmefluß von der
Schmelze in den Angußstein günstig zu beeinflussen, so daß
eine gute Abkühlung des erstarrenden Barren bei hoher
Wärmeableitung ermöglicht wird, die Erhebung von innen
gekühlt wird oder aus einem Einsatzteil besteht, daß in
den Boden des Angußsteins formschlüssig eingesetzt ist. In
einer bevorzugten Ausführungsform ist das Einsatzteil aus
einer Kupferlegierung hergestellt, die besonders günstige
Wärmeübertragungseigenschaften aufweist.
Falls trotz dieser Maßnahmen wegen der vom Wärmefluß und
der Kühlung her betrachtet ungünstigen und von der
Wärmebelastung exponierten Lage der Erhebung beim Füllen
der Kokille durch den Schmelzezufluß eine Beschädigung
droht, ist es zweckmäßig, daß die Erhebung ganz oder
teilweise geschlichtet wird. Es ist auch möglich, die zum
Schmelzeeinlauf hin gerichtete Oberseite der Erhebung zu
verkleinern und mit einem dachartigen Ansatz in die Sei
tenwände zur Vertiefung zu überführen.
Zusätzlich zu einer Innenkühlung kann auch das aus der
Kokille abfließende Kühlwasser am Fuß des Angußsteins über
Leitbleche gesammelt und in die Kühlbohrungen geleitet
werden. Diese Ausführungsform stellt eine besonders ein
fache und sichere Vorrichtung zum Kühlen des Angußsteines
dar.
Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausfüh
rungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 Erfindungsgemäßer Angußstein in Draufsicht A und
zwei Querschnitten längs B und quer C,
Fig. 2 Erfindungsgemäßer Angußstein gemäß Fig. 1 mit
dachartig abgeschrägter Oberseite,
Fig. 3 Erfindungsgemäßer Angußstein mit einer Erhebung
von elliptischem Grundriß,
Fig. 4 Erfindungsgemäßer Angußstein gemäß Fig. 3 mit
balliger Seitenfläche,
Fig. 5 Erfindungsgemäßer Angußstein mit geriffelter Sei
tenfläche,
Fig. 6 Erfindungsgemäßer Angußstein mit Einsatzteil,
Fig. 7 Erfindungsgemäßer Angußstein mit nutenförmig aus
gebildeter Oberseite der Erhebung,
Fig. 8 Erfindungsgemäßes Angußteil mit zwei parallel
verlaufenden Erhebungen,
Fig. 9 Erfindungsgemäßes Angußteil mit innengekühlter
Erhebung,
Fig. 10 Erfindungsgemäßes Angußteil mit seitlich ange
brachten Leitblechen,
Fig. 11 Erfindungsgemäßes Angußteil mit von Rand zu Rand
durchgehender Erhebung,
Fig. 12 Schematische Darstellung des Verwölbungsvorganges
und Aufbau einer Walzbarrenstranggußanlage,
Fig. 13 Vergleich der Barrenfußverwölbung Standard/
Erfindung,
Fig. 14 Verwölbung bei unterschiedlichen Wannentiefen
Standard/Erfindung,
Fig. 15 Abweichung der Barrendicke in Abhängigkeit von der
Gießlänge Standard/Erfindung.
In Fig. 1 ist der erfindungsgemäße Angußstein in der
Draufsicht gemäß Ansicht A und in zwei Schnitten B, C
dargestellt. Der Angußstein (3) weist einen umlaufenden
Rand (4) auf, der zur Vertiefung (5) hin abgeschrägt ist.
Der Winkel der Abschrägung beträgt C = 0-30° und die
Höhe des umlaufenden Randes (4) beträgt h = 60-220 mm.
So beträgt beispielsweise bei einem Barren vom Format
600×200 mm die Vertiefung erfindungsgemäß 80 mm während bei
einem Barrenformat von 2200×600 mm oder 1050×600 mm
die Vertiefung 140 mm +/- 40 mm betragen kann. Die Breite S
des umlaufenden Randes beträgt vorzugsweise 5-40 mm.
Symmetrisch zu den Mittelachsen (7), (8) des erfin
dungsgemäßen Angußsteins liegt eine Erhebung (6) im Innern
der Vertiefung (5). Sie besteht aus einem im Querschnitt
gesehen trapezförmigen Konusteil, daß abgeschrägte Seiten
flächen (11), (12) und (13) aufweist.
Die Neigung der Seitenwandung (11) und (12) liegt zwischen
30-60° (Winkel d) während die Neigung der Seitenfläche
(13) zwischen 30-36° (Winkel e) gemessen zur Senk
rechten beträgt.
Die Abstände zwischen Rand (4) und Erhebung (6) am Boden
der Vertiefung (5) betragen zwischen 0-200 mm, wobei der
Abstand zur schmalen Seite hin gemessen als a vorzugsweise
100 - 150 mm beträgt und zur Breitseite des Angußsteines
hin, gemessen als b vorzugsweise 30-100 mm beträgt. Am
Boden der Vertiefung (5) befindet sich außerdem ein Ab
laufkanal (32) für das sich in der Vertiefung ansammelnde
Kühlwasser.
Die Höhe H der Erhebung (6) beträgt vorzugsweise etwa die
Hälfte bis zwei Drittel der Höhe h der Vertiefung (5). Es
ist vorteilhaft, wenn die Kanten der Seitenwände (11),
(12) und (13) der Erhebung (6) abgerundet sind. Im Schnitt
B und C sind die Rundungsradien mit R angegeben.
Abb. 1 zeigt die einfachste mögliche Ausführung der Erfin
dung. Der Angußstein ist aus Vollmaterial herausgear
beitet. Als Grundform hat er eine wannenförmige Innen
kontur, wobei die Wannentiefe h von der Barrenbreite ab
hängig ist. Üblicherweise besitzt eine solche Wanne einen
umlaufenden Rand mit der Breite s, wobei diese Breite auf
dem Barrenumfang nicht konstant sein muß. Die Wanne ist
nicht vollständig aus dem Vollmaterial herausgearbeitet,
in der Wanne bleibt der erfindungsgemäße Konus stehen. Die
Form des Konus ist im einfachsten Fall rechteckig. Der
Abstand a wird so gewählt, daß zusätzlich Entwässerungs
bohrungen zur Verhinderung von Bumping zu den Seiten oder
nach unten angebracht werden können. Diese Bohrungen werden zum
Gießbeginn in bekannter Weise verschlossen.
Die Größe des Konus und der Wanne kann so aufeinander abge
stimmt werden, daß das Füllvolumen des Steins dem eines
herkömmlichen Angußstein entspricht. Dann ist es auch
möglich, das Verfahren des Angießens mit einem Angußstein
mit Konus mit bereits bekannten Maßnahmen zur Spannungs
reduzierung in der Angießphase wie beispielsweise der
CO2-Technik, der Pulsed-Water-Technik oder der
Turbo-Technik zu kombinieren.
Nach Fig. 2 ist die Dachebene (25) der Erhebung in Längs
richtung des Angußsteins zu den Schmalseiten hin abge
flacht. Es ergeben sich dabei schräge Dachflächen (23),
(24), die besonders vorteilhaft bei einem flachen Metall
einlauf für die Ausbildung einer stabilen Randschicht
sorgen. Die Absenkung der Dachebenen (23), (24) zu den
Schmalseiten des rechteckförmigen Angußsteins wird gerade
so gewählt, daß die auf dem Dach gebildete Randschale bei
und nach dem Verwölben des Barrenfußes in der Angießphase
nicht direkt angeströmt wird.
Zur Verdeutlichung der erfindungsgemäßen Effekte werden im
folgenden zwei Beispiele gegeben. Bei dem ersten Beispiel
handelt es sich um einen Barren der Abmessung 600×200
mm, so daß die Außenabmessung des Angußsteins ebenfalls
die Abmessungen 600×200 mm aufweisen. Für diesen Fall
kann die Dachfläche (23) der Dachebene (25) folgende Werte
aufweisen: L1 beträgt etwa 1/8 der Konuslänge und L2
etwa 1/4 der Konuslänge, wobei die Länge des Konus im
Fußbereich 480 mm und im Dachbereich 285 mm beträgt. Die
Dicke oder Breite betragen bei einer konusförmigen Aus
bildung der Erhebung im oberen Bereich 70 mm und im unte
ren Bereich 100 mm des Konusfußes.
Im zweiten Beispiel wird ein Barren der Abmessung 1000×400 mm
mit einer entsprechend bemessenen Kokille gegossen.
Der Angußstein weist dabei eine konusförmige Erhebung auf,
deren Länge im unteren Bereich (Fußebene) 870 mm und im
oberen Bereich 620 mm beträgt. Die Dicke bzw. Breite der
konusförmigen Erhebung beträgt im oberen Bereich 95 mm und
am Fußbereich 200 mm. Diese Angaben beziehen sich auf die
in Abb. 2 dargestellten Formate des Angußsteines. Die
zu den Längen L1 und L2 zugehörigen Winkel g und f
liegen im Bereich von 30-60°. Bei einer Abrundung der
Knickkante müssen die Gegenwinkel zur Bestimmung der rich
tigen Lage gebildet werden.
In Fig. 3 ist eine weitere Variante des erfindungsgemäßen
Angußsteins dargestellt, bei dem die Abflachung in Längs-
und Querrichtung einen ellipsenförmigen Grundriß aufweist,
mit den Radien R1, R2, R3 und R4. Sie haben im Beispiel
gemäß Fig. 3 folgende Verhältnisse: Bei einem Radius R3
am Fußende der Erhebung beträgt der Radius R1 etwa 70%
von R3 bei einer Breite R4 am Fußende der Erhebung beträgt
R2 etwa 75% von R4.
Ähnlich wie in Fig. 1 sind auch im Ausführungsbeispiel
nach Fig. 3 die Winkel c, d und e so zu wählen, daß der
Barren beim Schrumpfen einen festen Halt auf dem konus
artigen Sitz der Erhebung (6) hat, jedoch am Ende des
Gießvorganges leicht abgenommen werden kann. Bei einem zu
steilen Winkel von beispielsweise über 65° rutscht der
Barren auf dem Konus nach oben und findet keinen festen
Halt. Bei einem zu kleinen Winkel von weniger als 25°
verklammert sich der Barren so fest auf dem Konus, daß er
nicht mehr vom Angußstein abgehoben werden kann. Die Er
hebung mit ellipsenförmigem Grundriß hat den Vorteil, daß
für den optimalen Winkel ein größerer Bereich vorgegeben
werden kann, ohne daß der Barrenfuß zu fest aufschrumpft
oder seinen Halt verliert.
Als eine Variante zu Fig. 3 sind in der Fig. 4 die
Seitenflächen der Erhebung (16) ballig ausgeformt. Vom
Boden der Vertiefung (5) aus gesehen steigt der Winkel x
der geneigten Seitenflächen (15) kontinuierlich an, so daß
sich eine Formschrägung (28) ausbildet. Im Vergleich zu
der in Fig. 3 dargestellten Variante besitzt die Strang
gußanlage mit dem hier dargestellten Angußstein ein noch
günstigeres Betriebsverhalten in der Angußphase und am
Gießende.
Nach der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform des er
findungsgemäßen Angußsteins besitzt die Erhebung (33)
Seitenflächen (34), (35) mit geriffelter Struktur. Die
Riffelungen (14) weisen alternierende Winkel v, w auf,
wobei einer der beiden Winkel kleiner und einer größer als
der optimale Winkel ist. Dadurch kann der Barrenfuß auf
den konusförmigen Seitenflächen aufschrumpfen und gleich
zeitig nach oben rutschen. Der Barren hat somit während des
Gießens einen festen Halt. Nach Beendigung des Gießvor
ganges ist die Haftfläche zwischen Barren und geriffelten
Seitenwänden (34), (35) so klein, daß der Barren ohne
großen zusätzlichen Kraftaufwand vom Angußstein gelöst
werden kann.
Bei einer ungünstigen Schmelzezufuhr in die Kokille oder
beim Gießen von zum Kleben neigenden Legierungen sowie bei
zu heißen Schmelzen besteht die Gefahr, daß die Erhebungen
angeschmolzen und der Barrenfuß mit den Seitenflächen der
Erhebung verschweißt. Erfindungsgemäß wird dieses Problem
durch das Aufbringen von Beschichtungen oder von Schlich
ten auf die Oberfläche der Erhebung gelöst, wobei die
Beschichtungen oder Schlichten auch teilweise aufgetragen
werden können. Durch das Beschichten oder das Auftragen
von Schlichten kann der Wärmeübergang von der Schmelze in
die Erhebung so beeinflußt werden, daß die eingebrachte
Wärme aus der Erhebung in einer kürzeren Zeit abgeführt
wird als sie für die Aufheizung bis zum Anschmelzen er
forderlich sein würde. Dieses bewirkt in der Phase des
Angießens, in der sich noch keine Randschale auf der Er
hebung ausgebildet hat, einen Schutz der Erhebungs-Ober
fläche vor der einfließenden Schmelze.
Eine weitere Lösung zur Überwindung des dargestellten
Wärmeproblems besteht gemäß Fig. 6 darin, daß der Anguß
stein nicht aus einem vollen Block herausgearbeitet ist
sondern daß die Erhebung aus einem anderen Metall vor
zugsweise einer Kupferlegierung gefertigt wird und in den
Angußstein formflüssig eingesetzt wird. Zusätzlich kann
der Einsatz (26) in den Boden (27) des Angußsteins (3)
verschraubt oder eingeschrumpft werden. Bei dieser Lösung
kann das Einsatzteil (26) in der Angußphase seine volle
Kühlwirkung entfalten, da die Erhebung aus einer Kupfer
legierung termisch höher belastet werden kann als bei
einem Angußblock aus einer Aluminiumlegierung.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der erfin
dungsgemäße Angußstein in der wannenförmigen Vertiefung
(5) mit einer Erhebung (38) versehen, die auf ihrer Ober
seite in Längsrichtung mit einer Nut (26) ausgestattet
ist. Die Tiefe der Nut (26) ist so bemessen, daß der Bar
renfuß auf dem konusförmigen Teil der
Erhebung nach oben
rutschen kann ohne aus dem Nuteingriff herauszufallen. Die
Breite der Nut ist so bemessen, daß sie mit der Metall
schmelze gut ausgefüllt werden kann, so daß sich ein
fester Steg am Barrenfuß bildet, der in die Nut (26) ein
greift.
Wenn der Winkel e der Seitenfläche der Erhebung auf der
Längsseite größer ist als der optimale Winkel, drückt sich
der Barren durch die Schrumpfung auf dem Konus nach oben.
Dabei kann es dazu kommen, daß der Barren sich auf den
beiden Längsseiten unterschiedlich hebt. Dies hat zur
Folge, daß der Barren im Fußbereich einen Knick bekommt.
Durch die Nut wird der Barren so geführt, daß er auf bei
den Seiten gleichmäßig auf dem Konus nach oben rutscht und
einen festen Halt hat. Grundsätzlich kann die Nut auch
durch eine oder mehrere Bohrungen oder durch eine andere
Führung ersetzt werden.
Gemäß Fig. 8 sind mehrere parallel verlaufende Erhebungen
(33), (34) in Längsrichtung in der Vertiefung des Anguß
steins angeordnet. Im Vergleich zu dem in Fig. 1 darge
stellten Angußstein mit nur einer Erhebung kann die Höhe
hs in dem vorliegenden Beispiel kleiner gehalten werden,
so daß sich das durch die Umrandung (4) eingeschlossene
Volumen im Vergleich zu den vorangehenden Beispielen ver
größert. Das Schmelzeaufnahmevermögen des Angußsteins
gemäß Fig. 8 ist insbesondere für schwer vergießbare Le
gierungen günstiger.
In Fig. 9 ist ein erfindungsgemäßer Angußstein mit mehre
ren Kühlwasserbohrungen (29) in der Erhebung (6) darge
stellt. Als Kühlmedium wird vorzugsweise Wasser verwendet.
Das Kühlmedium kann auch mittels üblicher Einsätze gezielt
bis in besonders belastete Bereiche der konusförmigen
Erhebung gelenkt werden. In Fig. 9 sind als Einsätze Kühl
spiralen dargestellt. Der Wasserzulauf ist mit (39) be
zeichnet und mündet in eine Wasserkammer (40) von der aus
die Kühlspirale mit dem Kühlmedium beaufschlagt werden.
Der Wasserablauf ist über eine Leitung (41) direkt aus der
Kühlspirale heraus durch die Wandung des Angußsteines
geführt.
Falls die Versorgung mit Kühlwasser über die separate
Kühlwasserleitung nicht ausreicht, kann zusätzlich auch
die Sekundärkühlung der Stranggußanlage genutzt werden.
Dabei wird das Sekundärkühlwasser mittels einer Angußstein
(3) angebrachten Auffangvorrichtung gesammelt und über
Bohrungen (31) in das Innere des Angußsteins abgeleitet.
Die Auffangvorrichtung besteht vorzugsweise aus Leitble
chen (30), die direkt an der Unterseite des Angußsteins
befestigt sind. Der Wasseraustritt erfolgt über eine Lei
tung (42), die in der Mittelachse (8) unterhalb der
Erhebung (6) angeordnet ist. Das Sekundärwasser ist mit
Pfeilen (43) angedeutet. Da die Kühlung nur beim Füllen
des Angußsteins und der Kokille bis zum Einfahren der
Barrenunterkante in den Bereich der Sekundärkühlung erfor
derlich und sinnvoll ist, reicht es aus, daß die Kühlwas
serversorgung auch allein durch das aus der Sekundärküh
lung abgezweigte Wasser bewerkstelligt wird.
Die Ausführungsform nach Fig. 11 zeigt einen in Längsrich
tung vom umlaufenden Rand (4) durchgehenden Erhebungsteil
(17), der einen trapezförmigen Querschnitt aufweist. Die
geneigten Seitenflächen (18), (19) lassen relativ breite
Rinnen b entstehen, so daß hier vorzugsweise leicht ver
gießbare Legierungen wie z. B. Reinaluminium eingesetzt
werden können.
Eine schematische Darstellung des Verhaltens der Rand
schale im Bereich der Schmalseiten einer Walzbarrenstrang
gußanlage zeigt die Fig. 12. Der zeitliche Ablauf ist mit
T1-T4 angegeben, wobei die Ausbildung der Verwölbung im
Barrenfuß (42) erkennbar ist. Mit Ziffer (1) ist ein Heiß
kopf mit Überhang F bezeichnet. Der Angußstein (3) ist in
die Kokille (2) eingefahren und der Einfüllvorgang be
ginnt. Bei T2 hat sich die Randschale vollständig ausge
bildet und bei T3 knickt der Barren durch den Schrump
fungsvorgang ein. In den gepunkteten Bereichen können
Ausseigerungen auftreten.
Fig. 13 zeigt die mit einer beispielhaften Ausführung
eines erfindungsgemäßen Angußsteins für ein Format von
1100×400 mm erzielte Verringerung der Barrenfußver
wölbung gegenüber einem herkömmlichen Angußstein bei
gleichen Gießbedingungen. Der herkömmliche Angußstein
hatte eine Tiefe von 60 mm, der Angußstein gemäß Fig. 1
eine Tiefe von 160 mm und einen Konus von 100 mm. Die
Verwölbung wurde während des Angießens mittels linearer
Wegaufnehmer erfaßt, die Meßstellen befanden sich auf den
Mitten der Schmalseite, dargestellt ist jeweils der
Mittelwert der links und rechts (oder vorne und
hinten) gemessenen Werte. Die Verwölbung am Ende der An
gießphase wurde von ca. 33 mm auf ca. 18 mm auf jeder
Seite reduziert. Wie man aus dem Verlauf der Verwölbungs
geschwindigkeit, das ist die Geschwindigkeit, mit der sich
die Schmalseiten vom Angußstein weg hochheben, ablesen
kann, wird durch den Angußstein mit Konus vor allem die
Verwölbungsgeschwindigkeit bei Beginn der Verwölbung redu
ziert. Diese Geschwindigkeit liegt bei dem herkömmlichen
Angußstein mit ca. 50 mm/min auf jeder Seite in Höhe der
Gießgeschwindigkeit. Bei einer ungleichmäßigen Verteilung
der Verwölbung auf die beiden Schmalseiten bedeutet dies,
daß sich eine der Schmalseiten entgegengesetzt zur Gieß
richtung nach oben in die Kokille bewegen kann. Bei Heiß
kopfwalzbarrenkokillen kann es dann zu einer Beschädigung
des Heißkopfs kommen. Durch den Angußstein mit Konus wird
die maximale Verwölbungsgeschwindigkeit auf weniger als 20
mm/min reduziert. Selbst bei einer einseitigen Verwölbung
bliebe die resultierende Verwölbungsgeschwindigkeit der
anderen Seite mit weniger als 40 mm/min kleiner als die
Absenkgeschwindigkeit.
Die geringere Verwölbung hat auch einen kleineren Spalt
zwischen Kokille und Angußstein zur Folge. In diesen Spalt
dringt Wasser ein, das Wasser verdampft und der Barren
kann auf dem Angußstein zu "tanzen" (bumping) anfangen.
Diesem Effekt versucht man durch Drainagebohrungen im
Bereich der Schmalseiten in der Wanne zu begegnen. Diese
Bohrungen werden bei Gießbeginn mit Stopfen aus Aluminium
verschlossen. Die Stoppen werden in die Barrenunterseite
mit eingegossen und durch die Verformung des Barrenfußes
aus den Bohrungen gezogen. Bevor das in den Spalt eindrin
gende Wasser den Barren zum Bumping bringt, kann es durch
diese Bohrungen abfließen. Durch die geringere Verformung
bei dem Angußstein mit Konus dringt in den Spalt weniger
Wasser ein, deshalb sind weniger Drainagebohrungen notwen
dig.
In Fig. 12 ist schematisch angedeutet, wie sich die Rand
schale 43 im Bereich der Schmalseiten beim Verwölbungsvor
gang von der Lauffläche der Kokille abhebt und einen Spalt
mit stark verringertem Wärmeentzug aus der Randschale
hervorruft. Als Folge des Wärmestaus können Seigerungen
entstehen bis hin zum völligen Aufschmelzen der Schale.
Durch die mit dem Angußstein mit Konus verbundene gerin
gere Verwölbung wird
dieser Spalt kleiner. Weiter bewirkt
die geringere Verwölbungsgeschwindigkeit eine größere
absolute Absenkgeschwindigkeit der Randschale in diesem
Bereich, der kritische durchbruchgefährdete Bereich wird
schneller aus der Kokille bis in den Bereich der Sekundär
kühlung abgesenkt. In der Praxis zeigt sich eine deutlich
verringerte Neigung zur Bildung von Steigerungen sowie der
daraus resultierenden Bärte ergeben.
In Fig. 14 sind die Ergebnisse der Versuche zur Verringe
rung der Verwölbung bei Verwendung eines Angußsteins mit
Konus für ein Format von 600×200 mm im Vergleich mit
einem herkömmlichen Angußstein dargestellt. Verglichen
werden ein herkömmlicher Angußstein mit unterschiedlichen
Tiefen zwischen 0 mm und 80 mm und ein erfindungsgemäßer
Angußstein mit Konussen von 40 mm, 60 mm und 80 mm Höhe
bei einer Wannentiefe von 80 mm sowie ein weiterer erfin
dungsgemäßer Angußstein mit einer Tiefe von 60 mm und
einem Konus von 40 mm. Die Angießbedingungen waren in
allen Versuchen gleich, insbesondere wurden die selben
Gießgeschwindigkeiten und Kühlwassermengen benutzt. Beim
herkömmlichen Angußstein zeigt sich, daß ab einer Wannen
tiefe von 20 mm die Verwölbung mit zunehmender Wannentiefe
abnimmt von über 18 mm auf Werte um 12 mm bei einer Wan
nentiefe von 80 mm. Durch den Konus kann die Verwölbung
weiter verringert werden. Eine zunehmende Konushöhe wirkt
sich dabei in einer zusätzlichen Versteifung des Barren
fußes, d. h. in einer weiteren Reduzierung der Verwölbung
aus. Bei einem Konus von 80 mm beträgt die Verwölbung nur
noch 8 bis 9 mm. Auch bei dem 60 mm tiefen Angußstein wird
im direkten Vergleich die Verwölbung durch den Konus um
ca. 1 bis 2 mm zusätzlich reduziert. Eine bloße Vertiefung
der Wanne ohne Konus führt, wie in Abb. 13 gezeigt wird,
in der für die oben beschriebenen Versuche mit dem Anguß
stein von 80 mm Tiefe sowie mit den Angußsteinen mit
Konussen die Barrendicke auf den Mitten der Längsseiten in
Gießrichtung aufgetragen sind, zu einem ungünstigeren
Schrumpfverhalten des Barren im Fußbereich. Bedingt durch
die große Wärmemenge bei dem Stein ohne Konus baut sich in
der Angießphase ein tieferer Sumpf auf, der zu einem
außerordentlich starken Schrumpfen im Anschluß an die
Barrenfußverdickung führt.
1 - Verwölbung (Konus)
2 - Verw. Geschw. (Konus)
3 - Verwölbung (Standard)
4 - Verw. Geschw. (Standard)
2 - Verw. Geschw. (Konus)
3 - Verwölbung (Standard)
4 - Verw. Geschw. (Standard)
- 80 mm Rand + 0 mm Konus
+ 80 mm Rand + 40 mm Konus
*
+ 80 mm Rand + 40 mm Konus
*
80 mm Rand + 60 mm Konus
⌀ 80 mm Rand + 80 mm Konus
*
⌀ 80 mm Rand + 80 mm Konus
*
60 mm Rand + 40 mm Konus
Claims (28)
1. Anfahrkopf für eine Vertikal-Stranggießanlage bestehend aus
einem eine Kokille im Anfahrzustand nach unten verschließenden
Angußstein (3), der aus dem formgebenden Aufsatz (1)
eine in vertikaler Richtung auf den Angußstein gerichtete
Metallschmelze aufnimmt,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Angußstein (3) aus einem etwa dem Format der Kokille entsprechenden Block besteht, in den eine im wesentlichen wannenförmige Vertiefung (5) eingearbeitet ist, wobei die Vertiefung mit einem umlaufenden Rand (4) abgegrenzt ist,
daß in die Vertiefung (5) symmetrisch zu den Mittelachsen (7, 8) des Angußsteins mindestens eine Erhebung (6) angeordnet ist, wobei die Seitenwände des umlaufenden Randes (4) und der Erhebung (6) zur Vertiefung (5) hin abgeschrägt sind.
daß der Angußstein (3) aus einem etwa dem Format der Kokille entsprechenden Block besteht, in den eine im wesentlichen wannenförmige Vertiefung (5) eingearbeitet ist, wobei die Vertiefung mit einem umlaufenden Rand (4) abgegrenzt ist,
daß in die Vertiefung (5) symmetrisch zu den Mittelachsen (7, 8) des Angußsteins mindestens eine Erhebung (6) angeordnet ist, wobei die Seitenwände des umlaufenden Randes (4) und der Erhebung (6) zur Vertiefung (5) hin abgeschrägt sind.
2. Anfahrkopf für eine Vertikal-Stranggießanlage nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Abschrägung zwischen dem umlaufenden Rand (4) und
der Erhebung (6) im Querschnitt gesehen V-förmig verläuft.
3. Anfahrkopf für eine Vertikal-Stranggießanlage nach einem
der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Verlauf der Schenkel der V-förmig geneigten Seitenflächen
unsymmetrisch ausgebildet ist, wobei die Seitenflächen
(9, 10) des umlaufenden Randes (4) in einem Winkel
c von 0° bis 30° zur Senkrechten geneigt sind, während die
Seitenflächen (11, 12) der Erhebung (6) in einem Winkel d
von 25° bis 65° zur Senkrechten geneigt sind.
4. Anfahrkopf für eine Vertikal-Stranggießanlage nach einem
der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wandung des Angußsteins und/oder der Erhebung eine
eine Bombierung aufweist, zum Ausgleich der beim Schrumpfen eines
rechteckförmigen Barrens auftretenden Querschnittsveränderung.
5. Anfahrkopf für eine Vertikal-Stranggießanlage nach einem
der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß beim rechteckförmigen Querschnitt der Winkel e der
Seitenflächen (13) auf den Längsseiten der Erhebung (6) zwischen
30° und 36°, gemessen zur Senkrechten, und auf den
schmalen Seiten (11, 12) zwischen 30° und 60° zur Senkrechten
beträgt.
6. Anfahrkopf für eine Vertikal-Stranggießanlage nach einem
der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei einem rechteckförmigen Querschnitt der Abstand A
zwischen den Seitenwänden des Randes (4) und der Erhebung
(6) am Boden der Vertiefung (5) an der Schmalseite 100 mm
bis 150 mm und der Abstand B an der Längsseite zwischen 30 mm
und 100 mm beträgt.
7. Anfahrkopf für eine Vertikal-Stranggießanlage nach einem
der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest ein Paar sich gegenüberliegender Seitenflächen
der Erhebung (6) stufenförmige Riffelungen (14) aufweisen.
8. Anfahrkopf für eine Vertikal-Stranggießanlage nach einem
der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die stufenförmig ausgebildeten Riffelungen (14) der
Erhebung (6) alternierende Winkel v, w aufweisen.
9. Anfahrkopf für eine Vertikal-Stranggießanlage nach einem
der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Winkel x der Seitenflächen (15) der Erhebung (16)
zur Senkrechten gemessen vom Boden der Vertiefung (5) ausgehend
kontinuierlich ansteigt.
10. Anfahrkopf für eine Vertikal-Stranggießanlage nach einem
der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Seitenflächen (18, 19) der Erhebung (17) in Längsrichtung
ununterbrochen bis an den Rand der Schmalseiten
(20, 21) des Angußsteins verlaufen.
11. Anfahrkopf für eine Vertikal-Stranggießanlage nach einem
der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der obere Rand (4) eine Breite zwischen 5 mm und 40 mm
aufweist.
12. Anfahrkopf für eine Vertikal-Stranggießanlage nach einem
der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Höhe H der Erhebung (6, 16, 17) im Querschnitt gesehen
zwischen 40% und 100% der Höhe h des Randes (4)
beträgt.
13. Anfahrkopf für eine Vertikal-Stranggießanlage nach einem
der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Verhältnis zwischen der Höhe h des Randes (4) und
der größten Weite der Vertiefung (5) in Längsrichtung zwischen
1 : 2 bis 1 : 3 beträgt.
14. Anfahrkopf für eine Vertikal-Stranggießanlage nach einem
der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die dem Metalleinlauf (22) zugewandte Oberseite (25)
der Erhebung (6, 16, 17) von der Mitte ausgehend zu den
Seiten hin abgeflacht ist.
15. Anfahrkopf für eine Vertikal-Stranggießanlage nach einem
der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Mittenbereich der Erhebung (6, 16, 17) auf der
Oberseite eben ist und zu der Vertiefung (5) hin über
schräge Dachebenen abfällt.
16. Anfahrkopf für eine Vertikal-Stranggießanlage nach einem
der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Oberseite (25) der Erhebung (6, 16, 17) mehrere
Bohrungen oder Nuten (26) zur Ausbildung einer formschlüssigen
Verbindung mit der erstarrten Metallschmelze aufweist.
17. Anfahrkopf für eine Vertikal-Stranggießanlage nach einem
der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Erhebung (6, 16, 17) und die Oberseite (25) in der
Draufsicht einen ellipsenförmigen Grundriß (27) aufweisen.
18. Anfahrkopf für eine Vertikal-Stranggießanlage nach einem
der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die umlaufende Seitenfläche (15) der Erhebung (16) nach
außen gewölbt bzw. ballig geformt ist und eine Formschräge
(28) aufweist.
19. Anfahrkopf für eine Vertikal-Stranggießanlage nach einem
der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Erhebung (6, 16, 17) als Einsatzteil (26) ausgebildet
ist, das aus einem im Vergleich zum Material des
Angußsteins wärmeleitfähigeren und hochtemperaturfesteren
Material besteht und in den Boden (27) des Angußsteins (3)
formschlüssig eingesetzt ist.
20. Anfahrkopf für eine Vertikal-Stranggießanlage nach einem
der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Einsatzteil (26) aus einer Kupferlegierung besteht.
21. Anfahrkopf für eine Vertikal-Stranggießanlage nach einem
der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Erhebung (6, 16, 17) zumindest an der Dachfläche mit
einer gegenüber dem Barrenfuß wärmeisolierenden Beschichtung
versehen wird.
22. Anfahrkopf für eine Vertikal-Stranggießanlage nach einem
der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Erhebung (6, 16, 17) zumindest an der Dachfläche
oberflächenbeschichtet ist.
23. Anfahrkopf für eine Vertikal-Stranggießanlage nach einem
der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Erhebung (6, 16, 17) ganz oder teilweise
geschlichtet ist.
24. Anfahrkopf für eine Vertikal-Stranggießanlage nach einem
der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Übergang von der Bodenebene der Vertiefung (5) zur
Seitenwand der Erhebung (6) abgerundet ist und einen Rundungsradius
kleiner als 5 mm aufweist.
25. Anfahrkopf für eine Vertikal-Stranggießanlage nach einem
der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Erhebung (6, 16, 17, 26) mindestens eine Kühlwasserbohrung
(29) aufweist.
26. Anfahrkopf für eine Vertikal-Stranggießanlage nach einem
der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Angußstein (3) seitliche Leitbleche (30) zum Auffangen
des aus der Kokille (2) abfließenden Kühlwassers
aufweist, und daß das am Fuß der Leitbleche (30) angesammelte
Kühlwasser in die Kühlbohrungen (31) geleitet wird.
27. Anfahrkopf für eine Vertikal-Stranggießanlage nach einem
der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß am Boden der Vertiefung (5) Drainagebohrungen (32)
angeordnet sind.
28. Anfahrkopf für eine Vertikal-Stranggießanlage nach einem
der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwei parallel und in Längsrichtung des Angußsteins (3)
verlaufende Erhebungen (33, 34) vorhanden sind, die einen
trapezförmigen Querschnitt aufweisen, wobei der Abstand C
zwischen den parallel verlaufenden Erhebungen größer ist
als der Abstand D, E zum Rand (4) des Angußsteins (3), und
daß die Drainagebohrungen (32, 35) in der Vertiefung (36, 37)
zwischen den parallelen Erhebungen angeordnet sind.
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