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Vorrichtung zum Gießen von Bärren aus Aluminium und ähnlichen metallen
Bekanntlich hängen die Eigenschaften gegossener Metalle u. a. davon ab, ob man die
Erkaltung bis zur Erstarrung (Erstarrungszeit) innerhalb der durch die Grundeigenschaften
(Wärmeleitfähigkeit usw.) des betreffenden Metalls und der Umstände des einzelnen
Falles (Größe, Masse des Stückes usw.) gegebenen Möglichkeiten langsamer oder schneller
hat vor sich gehen lassen.
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Manche Metalle bieten nun insoweit Schwierigkeiten, als die geforderten
Eigenschaften sich nur dadurch erreichen lassen, daß man die Erstarrungszeit so
kurz hält, wie :es nur eben möglich ist und die so kurze Erstarrungszeit auch noch
das ganze Gußstück hindurch in hohem Grade gleich hält. Gedacht ist hierbei insbesondere
an Leichtmetalle und Leichtmetallegierungen. Als Beispiel sei in der Folge von Aluminium
die Rede.
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Die technischen Verwendungszwecke verlangen, daß das Aluminium beim
Gießen zu einem möglichst feinkristallinischen Gefüge erstarrt und das Gefüge auch
überall gleichmäßig fein ist. Ein feinkristallinisches Gefüge ist aber nur durch
außerordentlich schnelles Erstarrenlassen erreichbar. Und dazu ist das Maß der Feinheit
des Gefüges auch noch in einem besonders hohen Grade von der Erstarrungsdauer abhängig,
so daß man diese als Ganzes nicht nur außerordentlich kurz, sondern auch in einem
besonders hohen Grade den ganzen Guß hindurch gleichhaften muß, damit die Gefügefeinheit
auch eine hinreichend gleichmäßige wird.
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Mit den bisherigen Mitteln waren nun aber diese Forderungen immer
noch nicht befriedigend erfüllbar. Um dies einzusehen, sei kurz dargetan, welchen
Weg die Technik des Gießens von Aluminiumbarren in dem Bestreben, mehr und mehr
den praktischen Forderungen zu genügen, genommen hat.
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In der ersten Entwicklungsstufe hat man zum Gießen von Aluminiumbarren
einfache, d. h. vierkantige, allseitig umschlossene, oben offene Kokillen verwendet.
Man hatte aber bereits erkannt, daß man das Metall nicht einfach von oben in einem
bis zum Spiegel reichenden freien Fall eingießen darf, sondern aus möglichst geringer
und immer gleichbleibender Höhe zum Spiegel zufließen lassen muß. Um dies zu ermöglichen,
stellte man die noch leere Kokille schräg, ließ das flüssige Metall an der schrägen
Innenwand abwärts laufen und richtete nun entsprechend dem Steigen des Spiegels
die Kokille allmählich auf. So konnte man den Zuflußweg längs der Wand bis zum Spiegel
klein und gleich halten. Aber das allmähliche Aufrichten der Kokille bedingte, daß
das bereits eingegossene Metall in Bewegung blieb und auch in Bewegung bleiben mußte,
um
den Spiegel entsprechend dem jeweils erreichten geringeren Kippwinkel
der Kokille in die Waagerechte zu bringen und damit die Kokille allmählich mehr
und mehr allseitig gleichmäßig zu füllen.
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Nun hat Aluminium eine vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit, infolgedessen
kühlt es schon an sich schnell ab, wenn derWärmeabfluß nicht behindert wird. Damit
das Gefüge ein feines wird, soll es auch möglichst schnell erstarren, es soll also
der Wärmeabfluß möglichst nicht behindert werden. Es darf sich aber das zufließende
Metall, wenn man wie eben beschrieben verfährt, offenbar nicht so schnell bis zum
Dickflüssigwerden abkühlen, denn sonst verliert es ja das zur Einstellung des Spiegels
auf die waagerechte Ebene hinreichende Flüssigkeitsmaß. Vielmehr ist man gezwungen,
das Metall noch so hoch erhitzt über der Erstarrungstemperatur zum Spiegel gelangen
zu lassen, daß das Dickflüssigwerden zur Ermöglichung der Einstellung der Masse
auf den Kokillenraum hinreichend verzögert wird. Man muß also die Erstarrungszeit
künstlich verlängern. Verzögert man dabei die Erstarrung der ganzen Masse, bis die
Kokille gefüllt ist, so ist ein feinkristallinisches 'Gefüge durchweg nicht möglich.
Läßt man hingegen noch während des Eingießens und Aufrichtens der Kokille das Erstarren
der unteren Mengen schon zu und hält nur die oberen Metallmengen noch soweit flüssig,
daß sie sich eben noch so vertei1eri können, um die Horizontalität des Spiegels
dauernd herzustellen, dann stellt sich ein allmählicher übergang von schon erstarrtem
Metall durch alle Grade der Dickflüssigkeit hindurch bis zu der für das Verteilen
erforderlichen Dünnflüssigkeit ein, und wälzt sich mit der fortgesetztem Kippbewegung
der Kokille das Metall entsprechend dem abnehmenden Maß seiner Flüssigkeit in Richtung
auf den aufzufüllenden Kokillenraum übereinander. Und die Folge dieser inneren Bewegung
des Üetalls ist eine besonders große Ungleichmäßigkeit in den Erstarrungsbedingungen.
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Die nächste Entwicklungsstufe war die, daß man in einer der vier Wände
der Kokille ihrer ganzen Höhe nach einen von oben bis zum Boden des Gießraumes reichenden,
nach demselben spaltförmig offenen Zufließkanal mit trichterförmiger Erweiterung
im oberen Wandrand vorsah. Man kippte diese Kokille nicht mehr, sondern sie blieb
vom Beginn bis zürn Ende des Eingießens aufrecht stehen, und es floß das in den
Wandtrichter gegossene Metall durch den seitlichen Spalt des Trichterkanals dem
Spiegel in seiner jeweiligen Höhe zu.
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Hiermit wurde die Verbesserung erreicht, daß das Metall, insoweit
es schon. zugeflossen war, in Ruhe blieb, also in Ruhe erstarren konnte. Es brauchte
demnach die Erstarrung auch deswegen. nicht mehr verzögert zu werden. Das zum Spiegel
fließende Metall mußte nur noch so lange flüssig gehalten werden, bis es sich von
dem Spalt aus über die ganze Spiegelfläche gleichmäßig verteilt hatte.
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Man konnte so aber immer noch nicht die gewünschte Feinheit und Gleichmäßigkeit
des Gefüges erzielen, weil die Länge des Zuflußweges durch den Kanal in der Seitenwand
mit dem Steigen des Spiegels stetig abnahm, mithin die Temperatur des Metalls beim
Erreichen des Spiegels stetig zunahm, so daß die Zufließtemperatur, wenn sie auch
zunächst der geforderten Erstarrungszeit entsprechen mochte, mit zunehmender Füllung
zunehmend höher wurde.
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Mit dem folgenden Entwicklungsschritt gelang es, den Nachteil des
mit zunehmender Füllung kürzer werdenden Zuflußweges von dem Eingußtrichter bis
zum Spiegel zu beseitigen, und zwar dadurch, daß man von dem Zufließenlassen durch
einen Wandkanal ganz absah, dafür die .Wand mit dem Eingußtrichter als besonderen
Teil ausbildete, welchen man beim Gießen in solcher Weise an der übrigen Kokille
aufwärts bewegte, daß die mit aufwärts bewegte, nach dem Kokillenraum hin für den
Abfluß offene Eingußmulde im oberen Rand dieses Wandteiles immer etwas' oberhalb
des steigenden Spiegels blieb.
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Die so ausgebildete Einrichtung erwies sich nun aber in der Praxis
dadurch wieder als nachteilig, daß die Wand mit der Eingußmulde, indem sie während
des Gießens aufwärts bewegt wurde, diese Bewegung auch in bezug auf die innen an
ihr liegende Masse des bereits eingegossenen Metalles ausführte, welche hierdurch
in störender ureise mitbewegt wurde.
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Hier setzt nun die vorliegende Erfindung ein. Sie übernimmt von der
eben beschriebenen Vorstufe das Merkmal, daß die Kokille eine vom oberen Rand bis
zum Boden reichende seitliche öffnung besitzt, welche mit dem besonderen. Wandkörper
während des Gießens von unten nach oben fortschreitend abdeckbar ist, und daß man
das flüssige Metall über dem entsprechend dem Spiegel steigenden oberen Rand des
Wandkörpers- hinweg von außen nach innen durch die Seitenöffnung hindurch zum Spiegel
fließen läßt. Zur Beseitigung des geschilderten Nachteils der Einrichtung nach der
Vorstufe schlägt sie aber eine solche Ausbildung vor, daß die Abdeckwand, insoweit
sie die seitliche öffnung jeweils schon abdeckt, gegen Bewegungen
in
bezug auf die Kokille, mithin auch in bezug auf die bereits in diese eingegossene
Masse, gesichert werden kann.
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Es ist dies z. B. so möglich, daß man; von der Einrichtung nach der
Vorstufe ausgehend, ein hinreichend biegsames Metallblech (Band) als eigentliches
Abdeckmittel unten an der Kokille festmacht und nun die feste Abdeckwand längs der
Außenfläche des Bleches wie bei der Einrichtung gemäß der Vorstufe aufwärts bewegt,
derart, daß sie das Blech gegen die Kokillenkantenflächen beiderseits der seitlichen
Öffnung preßt. Mit der eingegossenen Masse kommt dann nur das in bezug auf die Kokille
ruhende Blech in Berührung. Oberhalb der steigenden Oberkante des festen Wandkörpers
läßt sich das Blech, eben indem es biegsam ist, um jene herum von der seitlichen
Öffnung abgebogen halten, so daß diese insoweit noch für das Hindurchfließenlassen
des flüssigen Metalls zugänglich bleibt.
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Diese Ausführungsart läßt sich dahin abwandeln, daß man statt des
allseitig biegsamen Bleches ein nur um waagerechte Achsen biegsames Flächengebilde,
etwa ein Blech mit hinterlegten horizontal gerichteten Stäben, vorsieht. Dann kann
man an Stelle des vollflächigen festen Wandkörpers auch einen nicht vollflächigen
Körper, einen Rahmen, vorsehen, welcher lediglich die Aufgabe hat, die Flächenstreifen
längs der beiden Seitenränder des Flächengebildes von unten nach oben fortschreitend
gegen die Anliegeflächen zu beiden Seiten der Kokillenöffnung zu pressen.
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Das nur um waagerechte Achsen biegsame Flächengebilde kann man ferner
oben um Rollen legen und damit von der Kokillenöffnung, insoweit sie noch offen
sein soll, abgebogen halten. Und diese Einrichtung läßt sich weiter dahin ausbilden,
daß man mit der Rollenvorrichtung zugleich das Strammhalten und Anpressen des Flächengebildes
an die Kokillenflächen zu beiden Seiten der Kokillenöffnung bewirkt. Schließlich
kann man zu einer Vorrichtung gelangen, bei welcher das Flächengebilde ein endloses,
oben und unten um Rollen geführtes Band ist, wobei zum Zwecke des fortschreitenden
Abdeckens der Kokillenöffnung entweder die Kokille von dem umlaufenden Band oder
das umlaufende Band von der Kokille mitgenommen wird.
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Der zuletzt beschriebenen Vorrichtung ähnliche Vorrichtungen sind
an sich zwar bekannt, jedoch nur in Anwendung auf baulich und der Arbeitsweise nach
gänzlich anders geartete und vom Standpunkt der Zwecke, denen der Erfindungsgegenstand
dient, weitabliegende Gießeinrichtungen. Die seitliche Öffnung der Kokille von unten
nach oben fortschreitend abzudecken und dabei den bereits abdeckenden Teil in bezug
auf die Kokille keine Bewegung ausführen zu lassen, kann gemäß der Erfindung noch
auf die Art ermöglicht werden, daß man bei jedem einzelnen Gießvorgang die Abdeckwand
aus einzelnen Teilen geringer Höhe von unten nach oben fortschreitend aufbaut.
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Die Erfindung besteht weiter darin, das flüssige Metall nicht wie
bei der zuletzt beschriebenen vorbekannten Einrichtung von dem oberen Randteil der
während des Gießens steigenden Wand zum Spiegel fließen zu lassen, sondern hierfür
.eine besondere Gießrinne oder Gießhülle vorzusehen, welche oberhalb des steigenden
oberen Randes der Abdeckwand durch die seitliche Öffnung hindurch in den Gießraum
geführt wird und deren Mündung in beliebig geringer Höhe über dem Spiegel oder auch
in den Spiegel reichend gehalten werden kann.
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Hiermit wird eine weitere wesentliche Verbesserung des Gießverfahrens
erzielt. Es sollen ja mit der Einrichtung Aluminiumbarren von dem verlangten feinkristallinis
c 'hen und überall gleichmäßigen Gefüge ge- t' gossen werden können, also Körper
von beträchtlichen Ausmaßen des waagerechten Querschnittes, es soll also eine Kokille
von entsprechend großen waagerechten Innenmaßen in solcher Weise gefüllt werden
können, daß die Erstarrung nicht nur nicht verzögert, sondern sogar noch nach Möglichkeit
beschleunigt wird, und dazu soll auch noch die Bedingung erfüllt werden, daß das
flüssige Metall so ruhig wie nur irgend möglich zum Spiegel fließt, nicht auf ihn
fällt und die obere Schicht durchwühlt.
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Bei der besagten vorbekannten Einrichtung mußte sich das in die Mulde
im oberen Rand der steigenden Abdeckwand eingegossene flüssige Metall von dieser
Wand aus über die große Spiegelfläche verteilen können, es mußte also die Temperatur
beim Erreichen des Spiegels (Zuflußtemperatur) noch so hoch über der Erstarrungstemperatur
gehalten werden, daß das Flüssigkeitsmaß für die sichere und auch hinreichend schnelle
und gleichmäßige Verteilung über die ganze Spiegelfläche ausreichte. Es wurden damit
der bereits gegossenen Masse immer wieder Überschußwärmen zugeführt, welche den
Erstarrungsvorgang verzögerten. Zudem wurden die überschußwärmen auch nicht gleichmäßig
der ganzen Füllmasse, sondern in erhöhtem Maße der Füllmenge in der Nachbarschaft
der Abdeckwand zugeführt, so daß dort die Erstarrung gegenüber der Erstarrung in
den entfernteren Raumbereichen zurückblieb.
Läßt man dagegen das
Metall dem Spiegel mittels einer Gießrinne oder Gießtülle zufließen, so kann man
es an jeder beliebigen Stelle der ausgedehnten Spiegelfläche zufließen lassen, und
kann man ferner während des Gießens mit der Mündung der Gießrinne von einer Stelle
zur anderen gehen. Man braucht also nicht damit zu rechnen, daß das zufließende
Metall von der jeweiligen Stelle der Spiegelfläche aus sich über die ganze Spiegelfläche
verteilen muß. Mithin kann man die Zuflußtemperatur so niedrig über dem Erstarrungspunkt
halten, daß eben noch ein Verteilen auf einen mehr oder weniger großen Teilbereich
der Spiegelfläche möglich ist und dann sofort der Erstarrungsvorgang einsetzt.
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Für Metalle wie das Aluminium, welche infolge großer Wärmeleitfähigkeit
vergleichsweise schnell erstarren, deren Erstarrungszeit man zudem möglichst abzukürzen,
schließlich auch noch in so hohem Grade gleichzuhalten bestrebt sein muß, um die
gewünschten Eigenschaften und überall möglichst gleichmäßig entstehen zu lassen,
ist alles dies von entscheidender Bedeutung.
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Von welcher Bedeutung es ist, das Metall jeder beliebigen Stelle des
Spiegels zufließen lassen zu können, ersieht man schon aus der Tatsache, daß sich
beim Gießen von Aluminiumbarren trichterförmige Vertiefungen, sogenannte Lunker,
in der bereits gegossenen Masse bilden, welche man bei den Verfahren mit den bisherigen
Kokillen ohne andere Nachteile nicht so schnell ausfüllen konnte als sie entstanden.
Man war daher gezwungen, sie nachträglich noch auszugießen, doch waren hierbei trotz
aller Sorgfalt die gewesenen Lunker immer noch im Gefüge erkennbar und im nachherigen
verschiedenen Verhalten bemerkbar und diese Verschiedenheiten nicht mehr herauszubringen.
Bei dem Verfahren mit der Kokille nach der Erfindung und unter Benutzung einer Gießrinne
oder Gießtülle kann man hingegen trotz der tiefstmöglichen Zuflußtemperatur die
Bildung von Lunkern praktisch völlig vermeiden, eben indem man das flüssige Metall
unbehindert jeweils dort zufließen lassen kann, wo es im Augenblick am meisten benötigt
wird, und indem man auch die Zuflußmenge in der Zeiteinheit beliebig groß halten
kann, ohne auf die völlige Ruhe des Zufließens verzichten zu müssen oder, wie bei
der Einrichtung mit der Eingußmulde in der steigenden Wand, die Gleichmäßigkeit
der Erstarrungsdauer innerhalb des ganzen Stückes zu gefährden.
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Die Zuflußmenge in der Zeiteinheit kann man dadurch innerhalb weiter
Grenzen beliebig groß halten, ohne die Stromgeschwindigkeit steigern zu müssen und
damit dem Zufließen die erforderliche Ruhe zu nehmen, daß man, statt das Gefälle
innerhalb der Rinne zu erhöhen, den Strömungsquerschnitt derselben entsprechend
groß hält. Das Gefälle innerhalb der Rinne soll, eben um ein hinreichend ruhiges
Zufließen zu gewährleisten, entsprechend gering bleiben, jedenfalls nicht über ein
geringes Höchstmaß gesteigert werden. Neben der Gewährleistung völliger Ruhe innerhalb
der schon gegossenen Masse durch das Vermeiden der Bewegung der Abdeckung in bezug
auf die Kokille liegt ja auch gerade der Vorteil der Einrichtung darin, daß sie
bei beliebig geringer Fallhöhe von der Gießrinne zum Spiegel auch jedes beliebig
kleine Gefälle innerhalb der Rinne ermöglicht.
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Die Zuflußmenge in der Zeiteinheit könnte man auch damit beliebig
groß halten, daß man nicht nur eine Gießrinne, sondern, mehrere vorsähe, welche
durch dieselbe Seitenöffnung oder durch mehrere Seitenöffnungen, etwa zwei an gegenüberliegenden
Seiten, in die Kokille zu führen wären.
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Auf der Zeichnung ist eine Einrichtung nach der Erfindung in einer
der schon genannten beispielsweisen Ausführungsformen dargestellt.
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Abb. i ist eine Seitenansicht, Abb. 2 eine Vorderansicht, Abb.3 eine
Draufsicht in größerem Maß= stabe, Abb. ¢ eine Einzelheit.
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Es ist i die die ganze Einrichtung tragende Standplatte. Die Kokille
4 befindet sich zwischen den senkrechten Teilen des Joches 12, in dessen oberem
Querteil die das Handrad 15 tragende Spindel 14 sitzt, welche an der Kokille 4 angreift,
so daß diese durch Drehen des Handrades 15 zwischen den senkrechten Teilen des Joches
12 auf- und abwärts bewegbar ist.
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Die Kokille ¢ hat eine vom Boden die ganze Höhe hindurch. reichende
seitliche Öffnung 6, oberhalb des Bodens ist sie also im waagerechten Schnitt hufeisenförmig.
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Vor der Längsöffnung 6 sind in einem ortsfesten Gestell 17 zwei Kettenräderpaare
18 und i9 lose drehbar angeordnet, über welche eine endlose Kette 2o läuft, deren
Glieder, die Schlußplatten 22, über Bolzen 21 gelenkig miteinander verbunden sind.
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Die Schlußplatten 22 dienen dazu, beim Abwärtsbewegen der Kokille
4 deren Längsöffnung 6 von unten nach oben fortschreitend und ohne Relativbevv-eguug
zu ihr abzudecken. Hierzu sind seitlich unten an der Kokille 4 (Abb. 4) Mitnehmerhaken
23 angebracht, welche von oben über ein Paar verlängerte Gelenkbolzen 2 ia der Kette
2o greifen können,
womit die Bewegung der Kokille ,1 auf die Kette
2o mit den Verschlußspalten 22 übertragen wird.
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Die aus Rollen und Federn bestehende Vorrichtung 8 dient dazu, die
Kokille 4. fest gegen die Verschlußplatten 22 zu pressen.
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Die Arbeitsweise der Vorrichtung ist folgende Angenommen, die noch
leere Kokille befinde sich in ihrer obersten Lage. Die Offnung 6 wird unten durch
die oberste, schon in senkrechter Ebene befindliche Verschlußplatte 22 der Kette
2o abgedeckt und die Mitnehmer 23 greifen über die verlängerten Bolzen Zia. Wird
nun die Kokille q. während des Gießens durch Drehen des Handrades 15 allmählich
gesenkt, so nehmen die Mitnehmer 23 die Kette 2o mit hinunter, so daß eine Verschlußplatte
22 nach der anderen in die Verschlußlage an der Kokille gelangt, mit anderen Worten
die Längsöffnung 6 von unten nach oben fortschreitend abgedeckt, mithin eine ringsum
geschlossene Gießform von zunehmender Tiefe gebildet wird. Dabei führen die Verschlußplatten
22, wenn sie die Abschlußlage an der Kokille q. erreicht haben, keine Bewegung mehr
zu dieser und der bereits gegossenen Masse aus.
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Die jeweils folgende Verschlußplatte 22 erreiche die Abschlußlage
erst kurz bevor der steigende Spiegel in die Höhenebene der oberen Kante der nächstunteren
Verschlußplatte 22 gelangt. Ist die Kokille 4 gefüllt und damit ganz unten angekommen,
so kann - für den nächsten Guß - durch eine auf den Vierkant 24. aufgesteckte Kurbel
die Kette 2o allein so weit gedreht werden, daß die verlängerten Bolzen 2 ia wieder
in die Anfangsstellung gelangen.
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Die Achsen der die Verschlußplatten 22 miteinander verbindenden Gelenke
(Achsen der Bolzen 2 i) sind zweckmäßig so angeordnet, daß sie in den Ebenen der
der Kokille ;1 zugewendeten Abdeckflächen der Verschlußplatten ä2 oder doch diesen
Ebenen sehr nahe liegen. Es müssen dann natürlich die Stoßkantenflächen der Verschlußplatten
22 nach rückwärts im Winkel auseinanderlaufen, damit einerseits die Abdeckflächen
unmittelbar aneinander anschließen und anderseits die Platten doch die Gelenkbewegungen
nach rückwärts über die Rollen 18 und i g ausführen können. So erreicht man, daß
die Abdeckflächen der Verschlußplatten 22 sich auch nicht bei den Biegungen um die
Rollen 18, ig vonemander entfernen, mithin eine geschlossene Wandfläche auch schon
vor Erreichen der Abdecklage bieten.