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Doppelwandige Kokille mit Zu- und Ableitungsstutzen für strömende
Kühlflüssigkeit zum Gießen von 1Vletallblöcken Kokillen, in welche hochschmelzende
Metalle vergossen werden, werden an ihren inneren Wandungen leicht durch das flüssige,
heiße Metall zerstört. Zur Vermeidung dieses Übelstandes sind bereits früher wassergekühlte
Kokillenkonstruktionen durchgeführt worden, die teils auf eine gute Wärmeleitfähigkeit
des Materials der Kokilleninnenwandung, teils auf eine Oberflächenvergrößerung der
abgekühlten Seite der Kokilleninnenwandung durch Anbringung von Kühlrippen, teils
auf eine besondere Wasserführung Bedacht nehmen: Die Innenwandungen der bekannten
wassergekühlten Kokillen, speziell zum Gießen von runden Bolzen, bestehen bisher
aus einem nahtlosen, glatten Innenrohr, das von einem Wasserbehälter umgeben ist.
Die Wasserzuleitung erfolgt einseitig durch einen Rohrstutzen, der Ablauf in der
gleichen Weise. Das Wasser ist im Innern der Kokille 'nicht zwangsläufig geführt,
so daß keine Gewähr dafür gegeben wird, daß nicht jeder der abzukühlenden Punkte
mit Sicherheit die erforderliche energische Abkühlung erhalten kann.
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Demgegenüber bedeutet es bereits einen Fortschritt, wenn das Innenrohr
mit einem aus dem Vollen des Rohres herausgearbeiteten oder ausgeschweißten Kühlrippensystem
versehen wurde, welches einen zwangsläufigen schraubenförmigen Umlauf des Kühlstromes
um das Kühlrohr bewirken soll, wobei durch Einbau von Propellerleitblechen der Kühlstrom
einen Drall erhält, so daß der durchzuführende Wärmeentzug auf die gesamte Oberfläche
des Kühlstromes verteilt wird.
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Jedoch auch diesem letzteren Kühlverfahren haften Mängel an, insofern,
als die Kühlung des jeweilig eingegossenen Niveaus an flüssigem, heißem Metall auf
seinem Umfang nur so weit durchgeführt wird, als es von der umlaufenden Kühlwasserspirale
überschnitten wird. Ferner ist die Menge des durchzutreibenden Wassers entsprechend
dem Querschnitt des einzigen Kühlkanales begrenzt. Durch den Einbau der Leitbleche
wird nur eine Torsion des Wasserfadenbündels bewerkstelligt, so. daß sich die Wärme
lediglich auf die Oberfläche dieses Wasserfadenbündels und nicht bis in das Innere
hinein verteilt. Dabei macht die so für den Wärmeentzug wirksame Oberfläche des
Wasserstromes nur einen Bruchteil der gesamten, dem Wasserstrom zur Verfügung stehenden
Kühlwassers aus.
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Um die für die Kühlung praktisch erforderliche Größe des Querschnittes
für den einzigen Kühlkanal zu bekommen, ist es nötig, den Rippen eine bestimmte
Mindesthöhe zu geben. Dadurch wird praktisch die Kühlrippe so hoch, daß dieselbe
in ihren äußeren Punkten bzw. bereits von der Mitte ab so niedrige Temperatur hat,
daß ein zu energischer Wärmeabgabe ausreichendes Temperaturgefälle, wie z. B. es
an den inneren Partien der Kühlrippen vorhanden ist, nicht mehr auftreten kann.
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Beispielsweise: Eine Kokille mit Innenrohr
mit Schraubenkühlkanäl
hat bei einem lichten Durchmesser von _15o mm eine Minimalwandstärke von 8 mm. Die
Gesamtrippentiefe von der Innenseite der Kokille bis zur Außenkante der Rippe beträgt
dann etwa 38 mm, da der Querschnitt des Kühlkanals nicht niedriger als 3o qmm gewählt
werden kann. Die Temperaturen beim Eingießen von hochschmelzenden Metallen verteilen
sich nun etwa wie folgt.
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Das flüssige Metall hat z. B. eine Gießtemperatur von etwa 165o°.
Dann hat die innere Kokillenwandung etwa 25o° Temperatur infolge des Wärmeübergangswiderstandes:
flüssiges Metall/Kokillenwand. Die Temperatur auf der Kühlwasserseite wird sich
in dem 8 mm starken Teil der Kokillenwandung auf etwa 200° einstellen. Gleichzeitig
geht dagegen an den äußeren Teilen der Kühlrippe die Temperatur bis auf ioo° C herunter
wegen der hier vorhandenen Wandstärke von etwa 38 mm. Der Kühlwasserstrom hat eine
Temperatur von 2o° C. In den inneren Teilen steht also zwischen der Temperatur von
Kühlwasser und derjenigen der Kokillenwandung ein Temperaturgefälle von etwa 18o°
C, während dieses nach außen hin bis zu 8o° Temperaturgefälle abnimmt. Der Wärmeübergang
von der abzukühlenden Kokillenwandung an das Kühlwasser ist direkt proportional
diesem Temperaturgefälle. Mithin nimmt der Kühlwasserstrom in der äußeren Wölbung
seines Kanales nur etwa l12 der Wärmemenge auf, welche er in der nach innen liegenden
Wölbung aufnimmt. Der angestrebte Erfolg der stärkeren Abkühlung wird also durch
die notwendig ziemlich hohen Rippen nur mangelhaft erreicht.
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Zu den vorstehend geschilderten, Nachteilen kommt als für die praktische
Ausnutzbarkeit ausschlaggebendes Moment hinzu, daß die Konstruktion von Kokillen
mit aus dem Vollen herausgearbeiteten oder aufgeschweißten Kühlrippen unverhältnismäßig
teuer ist, zumal es sich bei dem Werkstoff der Innenwandung stets um hochwertiges
Material mit guter Wärmeleitfähigkeit, in der Hauptsache um Kupfer, handelt.
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Die bekannten Kokillen mit nicht unterteiltem Kühlraum haben einen
Wasserzu- und -abflußquerschnitt, der wesentlich geringer ist als der gesamte Durchflußquerschnitt
der Kokille selbst. Bei der Kokille mit unterteilter Wasserführung, die durch S`tiitzrippen
oder -bolzen, Durchführungsbleche oder Wirbelungsstifte erfolgt, entstehen gewisse
Stauungen der Strömung, die im Interesse einer möglichst intensiven Abkühlung unerwünscht
sind.
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In der Kokille gemäß der Erfindung wird ein Maximum an Kühlwirkung
dadurch erreicht, daß über die gesamte abzukühlende Oberfläche ein gleichmäßiger
starker Strom von frischer Kühlflüssigkeit geleitet wird. Dies wird ohne Unterteilung
des Kühlwasserraumes dadurch erreicht, daß i. der Kühlflüssigkeitsein-und-abführungsstutzen
im Gegensatz zu den bekannten Einrichtungen eine sehr erhebliche lichte Weite hat.
Beispielsweise ist in dem gezeichneten Ausführungsbeispiel der Zu- und Ablaufquerschnitt
gleich dem gesamten Durchflußquerschnitt der Kokille.
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a. die Verteilerrohre an der Ein- und Ausführungsstelle der Kühlflüssigkeit
den gesamten abzukühlenden Querschnitt möglichst allseitig ringförmig umschließen,
wobei es gleichgültig ist, ob dieser umschließende Ring von einem einzigen Rohr
mit gemeinsamem Zu- oder Abfluß oder von einzelnen Rohrstücken mit verschiedenen
Zu- oder Ablaufstutzen gebildet wird. Der Öffnungsquerschnitt der Verteilerrohre
besteht entweder aus einem der abzukühlenden Oberflächen angepaßten Schlitz oder
einer entsprechend angeordneten Reihe zahlreicher Einzelöffnungen, deren lichte
Weite je nach der Entfernung eines vollkommen gleichmäßigen Durchflusses proportioniert
ist.
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Die Gesamtöffnungsquerschnitte der Verteilerrohre entsprechen den
Hauptzu- und-ableitungsquerschnitten. Es wird auf diese Weise eine dem Strom des
aufsteigenden Metalles parallele Kühlflüssigkeitsbewegung erzielt, die den Gußblock
möglichst allseitig mit einem Mantel von gleichmäßig stark strömender Kühlflüssigkeit
umschließt. Eine weitere Steigerung der Kühlwirkung kann dadurch erreicht werden,
daß die Bewegung dieses Kühlflüssigkeitsmantels der Richtung des aufsteigenden Metalls
entgegengeführt wird, so daß die heißeste Kühlzone stets mit dem frischesten Kühlwasser
in Berührung kommt.
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Die beschriebene Art der gleichmäßigen mantelförmigen Kü hlflü ssigkeitsführung
vermeidet zunächst den Nachteil, daß nur ein Teil des jeweils abzukühlenden Niveaus
an flüssigem Metall in direktem Wärmeaustausch mit der Kühlflüssigkeit steht, vielmehr
sind sämtliche Punkte der besonders kritischen Abkühlungszone absolut gleichen Abkühlungsbedingungen
ausgesetzt; sie gestattet vor allem auch die Durchleitung einer erheblich größeren
Menge wirksamer Kühlflüssigkeit gegenüber der oben beschriebenen schraubenförmigen
Kühlflüssigkeitsführung.
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Ohne Beeinträchtigung der Gleichmäßigkeit der Abkühlung gestattet
die vorstehend beschriebene Anordnung in jedem Fall die größtmögliche Steigerung
der Kühlwirkung durch gleichförmig turbulente Strömung.
Da die bekannte
starke Rippenvertiefung zur Vergrößerung der Kühloberfläche nicht zweckmäßig ist,
wie oben nachgewiesen wurde, wird jetzt vorgeschlagen, die Oberfläche durch eine
größere Zahl von verhältnismäßig niedrigen und dünnwandigen Kühlrippen zu vergrößern.
Diese Kühlrippen verlaufen sämtlich in Richtung des Kühlflüssigkeitsstromes. Die
Tiefe der Rippen ist im Verhältnis zur Wandstärke der Kokilleninnenwandung so bemessen,
daß auf sämtlichen Oberflächenpunkten der Rippen eine nahezu gleich hohe Temperatur
besteht. Dadurch wird gegenüber dem Kühlwasser in den Innenteilen ein zur energischen
Abkühlung erforderlich hohes Temperaturgefälle unterhalten.
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Hat z. B. die Kokillenwandung 8 mm Stärke, so ist es zweckmäßig, die
Höhe der Rippen auf etwa 2 mm zu begrenzen, so daß unter den oben skizzierten Verhältnissen
die Rippen an ihrem äußersten Punkt, der dann etwa io mm von der innersten Kokillenwand
mit etwa 25o° Temperatur entfernt liegt, auch etwa 2oo° haben. Folglich hat die
2 mm hohe Rippe in ihrem äußeren Punkt gegenüber dem 2o° warmen Kühlwasser noch
dasselbe Temperaturgefälle.
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Durch dünne Gestaltung der Rippen kann erreicht werden, daß die gesamte
Oberfläche, die durch die Rippen zusätzlich erzeugt wird, mindestens ebenso groß
ist wie bei den obenerwähnten Kühlspiralen mit großer Rippentiefe.
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Diese besondere Art der Ausführung der lamellaren Kühlrippen hat weiterhin
den Vorteil einer wesentlich billigeren Herstellungsweise. Die oben beschriebene
Kokille mit schraubenförmigen 30 X 3omm starken Kühlkanälen braucht für ihre
Herstellung ein Kupferrohr mit 15omm Bohrung und 226 mm äußerem Durchmesser, wogegen
das Vergleichsrohr gemäß Erfindung bei 15o mm Bohrung nur 170 mm Außendurchmesser
braucht. Die Gewichte dieser Rohre verhalten sich wie 4: 1, was sich ganz entsprechend
in den Herstellungskosten äußert. Die Anbringung der lamellaren Schlitze erfordert
ihrerseits keine Schwierigkeiten, dä diese mit einer einfachen Säge eingeschnitten
werden können.
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Ein Ausführungsbeispiel für einen runden Bolzen i5o mm Bohrung und
1500 mm Länge zeigen die beiliegenden Zeichnungen. Es wird gezeigt in Abb. i ein
senkrechter Schnitt, Abb. 2 der Grundriß und Abb. 3 der in größerem Maßstab dargestellte
Querschnitt eines Kokilleninnenrohres gemäß der Erfindung.
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Abb.4 zeigt den Grundriß der Wasserzuführung mit Verteilerrohr und
proportionierten Öffnungen.
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Abb. 5 stellt einen vertikalen Schnitt der Wasserabführung mit Verteilerrohr
und proportionierten Öffnungen dar.
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i bildet den lichten, ausnutzbaren Kokillen.. raum. Derselbe wird
seitlich mantelförmig durch das Kupferrohr 2 und am Boden durch das Verschlußstück
3 begrenzt. Das Verschlußstück 3 ist gleichzeitig als Kokillenfuß ausgebildet. Das
Rohr 2 sitzt im Stahlrohr 4, welches nach außen hin die äußere Umgrenzung der Kokille
und nach innen, zusammen mit dem Kupferrohr 2, den kreisringförmigen Kühlwasserkanal
5 bildet.
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Je am oberen Ende und am unteren des Rohres 4 ist eine ringförmige
Erweiterung 6 und 7 mit den Flanschenanschlußstücken 8 und 9 zur Zu- und Ableitung
des Kühlwassers zum Kühlkanal 5 angebracht. Die Abdichtung des Innenrohres 2 gegen
das Außenrohr 4 erfolgt durch die Gummiringe i i, welche mittels der Stopfbüchsenringe
io angezogen werden. Am unteren Ende ist das Innenrohr 2 durch den geteilten Ring
12 und entsprechende Aussparungen im Innen- und Außenrohre gegen axiale Verschiebungen
gesichert. Das andere Ende des Innenrohres ist dagegen zur Ermöglichung einer freien
Wärmeausdehnung in der oberen ringförmigen Erweiterung axial verschiebbar gelagert.
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Der durch den Ringkanal 5 fließende Wasserstrahl umgibt das in den
lichten Kokillenraum hineingebrachte abzukühlende Metall allseitig mantelförmig
im Sinne des neuen Kühlverfahrens. Zur Unterstützung der Kühlwirkung der strömenden
Kühlflüssigkeit ist das Kupferinnenrohr in der Längsrichtung mittels eines dünnen
Sägeblattes in eine große Anzahl schmaler Rippen 13 aufgeschlitzt.
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In Abb. 3 sind diese Rippen 13 in vergrößert gezeichnetem Querschnitt
des Innenrohres 2 dargestellt.
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In Abb. 4 und 5 sind die proportionierten Verteileröffnungen 14 im
Zuflußrohr und 15 im Abflußrohr gezeigt.
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Die vorgeschlagene Konstruktion ist ohne weiteres auch auf Blöcke
von eckigem Querschnitt anwendbar, wobei es gleichgültig ist, ob die Kokille geteilt
oder ungeteilt ausgeführt wird.
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Die außerordentlich starke Kühlwirkung bei einer Kokille dieser Anordnung
gestattet die Verwendung von gasförmigen Kühlmitteln.