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TECHNISCHES GEBIET
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Diese
Erfindung bezieht sich auf die Wärmefluss-Steuerung
in Stranggießanlagen,
speziell (obwohl nicht ausschließlich) in denjenigen, die für das Stranggießen von
Aluminium und Aluminiumlegierungen genutzt werden. Ganz besonders
bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren, bei dem geschmolzenes
Metall gegossen wird, um einen gegossenen Blechstreifen-Barren zu formen,
während
die Menge an Wärmeentzug
von dem gegossenen Metall gesteuert wird, um Oberflächenfehler
und Verformungen des Gießhohlraums
zu vermeiden. Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung,
die in diesem Verfahren benutzt wird.
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STAND DER TECHNIK
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Stranggießanlagen
wie Doppelgurt-Gießanlagen
und rezirkulierende Blockgussanlagen werden häufig gebraucht, um Blechstreifen-Barren
(kontinuierliche metallische Bänder)
aus geschmolzenem Metall, im speziellen Aluminiumlegierungen, zu
produzieren. In Gießanlagen
dieser Art wird ein Gießhohlraum
zwischen sich kontinuierlich bewegenden Gießoberflächen gebildet, und geschmolzenes
Metall wird auf einer kontinuierlichen Basis in den Gießhohlraum
eingebracht. Dem Metall wird über
die Gießoberflächen Wärme entzogen,
und das Metall erstarrt in der Form eines Blechstreifen-Barrens,
der aus dem Gießhohlraum
kontinuierlich durch die sich bewegenden Gießoberflächen entfernt wird. Der Wärmefluss
(oder die dem erstarrenden Metall entzogene Wärme) muss vorsichtig gesteuert
werden, um einen gegossenen Blechstreifen-Barren mit guter Oberflächenqualität zu erzielen
und Verformung des Gießhohlraums
zu vermeiden. Verschiedene Metalle (z. B. Aluminiumlegierungen)
verlangen verschiedene Wärmestrom-Stufen,
um sachgerecht auf einer kontinuierlichen Basis gießen zu können; daher
ist es wichtig, die Gießvorrichtung
steuern zu können,
um die erforderlichen Wärmestrom-Stufen
für ein
spezielles Metall, das gerade gegossen wird, bereitzustellen.
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Die
primäre
Wärmestromsteuerung
wird üblicherweise
erzielt, indem Kühlwasser
mit den Gießoberflächen in
Verbindung gebracht wird. In den meisten Gurtgießanlagen wird dies auf der
Rückseite
des Gurtes gemacht, der den Gießhohlraum
durchquert. Andere Gießanlagenarten
verwenden Kühlwasser
an Positionen, die abseits vom Gießhohlraum liegen. Der Wärmestrom
wird jedoch oft genauer durch zusätzliche Mittel abgestimmt.
Zum Beispiel wurden Gurtgießanlagen
mit porösen
Keramikschichten auf den metallischen Gurten versehen. Solche Beschichtungen
können
optional teilweise oder vollständig
mit einem hochleitfähigen
inerten Gas wie Helium gefüllt werden,
um eine weitere Verbesserung zu erzielen. In solchen Fällen haben
die Ausgaben, um eine gleichmäßige keramische
Beschichtung instand zu halten, und die Kosten des inerten Gases
solche Verfahren wirtschaftlich unattraktiv gemacht.
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Es
ist auch bekannt, eine Schicht einer nicht verdampfenden Flüssigkeit
wie Öl
auf die Gießoberflächen aufzubringen,
bevor diese in Kontakt mit dem geschmolzenen Metall kommen. Diese
Schicht wird oft "Gurtdressing" oder "Trennschicht" genannt. Die Dicke
dieser Schicht kann variiert werden, um die Steuerung des Wärmeflusses
zu den darunter liegenden Gießoberflächen zu
ermöglichen.
Jedoch kann die Benutzung solcher Öle die Oberflächenqualität des gegossenen
Blechstreifen-Barrens (speziell Barren aus Aluminiumlegierungen,
die eine große Menge
an Magnesium enthalten) nachteilig beeinflussen und dann umweltbezogene
Themen aufbringen, speziell wenn übermäßiges Auftragen nötig ist, um
den erwünschten
Grad an Wärmefluss-Steuerung
zu erreichen.
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Ein
Beispiel einer Stranggussanlage, die eine Wärmeflusssteuerung benötigt, ist
im US Patent 4,593,742 beschrieben, das am 10. Juni 1986 Hazelett
et. al. erteilt wurde und der Hazelett Strip-Casting Corporation
zugeordnet wurde. Die Vorrichtung dieses Patents ist eine Doppelgurtgießanlage,
die eine flexible Düse
verwendet, um das geschmolzene Metall in den Gießhohlraum, der zwischen den
Gurten geformt wird, zu bringen. Der Wärmefluss wird über die
Gießgurte
durch eine sich mit hoher Geschwindigkeit bewegende, aus einem flüssigen Kühlmittel bestehende
Schicht entzogen, die entlang der rückseitigen Oberflächen der
Gurte läuft.
In diesem Patent wird die Zufuhr eines nicht reaktiven (inerten) schützenden
Gases zu dem Einlass des Gießhohlraumes
erwähnt,
das das geschmolzene Metall vor chemischem Angriff schützen soll.
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Das
US Patent 3,630,266, das am 28. Dezember 1971 Leonard Watts erteilt
wurde und der Technicon Corporation zugeordnet wurde, offenbart ebenfalls
eine Stranggussanlage, die eine Gussdüse hat, die geschmolzenes Metall
in einen gekühlten Gießhohlraum
einbringt. In diesem Fall wird ein Gas dem Bereich des Hohlraumeinlasses
zugeführt,
um die Gussdüse
abzuschirmen und um die Bildung erstarrter Metallbrücken zwischen
der Düse
und dem Hohlraum zu verhindern.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Ein
Ziel dieser Erfindung ist es, die Steuerung des Wärmeflusses
in Stranggießanlagen
zu erleichtern, die verwendet werden, um Blechstreifen- Barren aus geschmolzenem
Metall, speziell Aluminium und Aluminiumlegierungen, zu produzieren.
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Eine
weitere Absicht dieser Erfindung ist es, die Produktion von Blechstreifen-Barren
mit hoher Oberflächenqualität aus Stranggussanlagen
unter wechselnden Betriebsbedingungen zu ermöglichen.
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In
der vorliegenden Erfindung wird der "Bereich des Meniskus" erwähnt.
Dieses ist der offene Bereich (d. h. der Bereich, der kein geschmolzenes Metall
enthält)
innerhalb der Gießvorrichtung,
wo das geschmolzene Metall erstmals eine Gießoberfläche (einen Meniskus formend)
berührt
und der daher an den Meniskus angrenzt und generell im Gasaustausch
mit der Umgebung der Gießvorrichtung
steht.
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Die
vorliegende Erfindung benutzt eine gesteuerte Wasserdampf (Dampf)-Quelle,
um einen Gasstrom (üblicherweise
Luft) mit bekannter und leicht steuerbarer Feuchtigkeit zu bilden,
der benutzt wird, um den Bereich der Gießanlage in dem Bereich des
Meniskus zu fluten. Es wurde entdeckt, dass dies einen Effekt auf
den Wärmefluss
hat, der viel größer ist
als zu erwarten, wenn eine Veränderung
der thermischen Leitfähigkeit
des Gases durch das Hinzufügen
von Feuchtigkeit herbeigeführt
wird. Diese Methode kann als ein bequemer und relativ kostengünstiger
Weg verwendet werden, um thermische Verformung zu verhindern, indem
der Wärmefluss
der Gießanlage
in einer Art und Weise gesteuert wird, die insbesondere mit einer
existierenden Gießeinrichtung
verwendet werden kann, wobei nur kleine Änderungen notwendig sind.
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In
einer Hinsicht stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum
Gießen
geschmolzenen Metalls bereit, um einen gegossenen Blechstreifen-Barren zu formen,
bei dem gute Wärmeflusssteuerung möglich sein
kann. Das Verfahren führt
ständig
geschmolzenes Metall einem Gießhohlraum
zu, der zwischen einem Paar sich kontinuierlich bewegender Gießoberflächen gebildet
ist, die dem geschmolzenen Metall Wärme entziehen, um metallische
Erstarrung zu verursachen, und entfernt aus dem Gießhohlraum
kontinuierlich einen resultierenden gegossenen Blechstreifen-Barren.
Das geschmolzene Metall bildet bei einem Einlass des Gießhohlraumes mindestens
einen Meniskus an einer Stelle, wo das geschmolzene Metall erstmals
die Gießoberflächen berührt. Die
Erfindung beinhaltet das Zuführen
von Gas, das Wasserdampf im wesentlichen ohne flüssiges Wasser enthält, zu dem
Einlass des Gießhohlraumes
in dem Bereich des Meniskus (ein Bereich, der den Meniskus/die Menisken
enthält),
um den Wärmeentzug
während
des Gießens
zu steuern. Bevorzugt ist genügend
Platz zwischen den Gießoberflächen und
dem erstarrenden Blechstreifen, dass das Gas während des Gießens durch
diesen Spalt dringen kann.
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Um
ein Beispiel einer typischen Einrichtung eines typischen Verfahrens
zu nennen, bei dem die vorliegende Erfindung angewendet werden kann, kann
das Sivilotti US Patent 4,061,177 erwähnt werden.
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Der
Wärmeentzug
kann durch einen einzelnen Wert gesteuert werden, indem der Wärmefluss oder
die Temperatur an irgendeinem Punkt entlang des Gießhohlraumes
gemessen wird und indem diese Messung mit einem Zielparameter verglichen
wird, oder der Wärmeentzug
kann mittels einer vorher festgelegten Funktion entlang des Gießhohlraumes
gesteuert werden, indem mehrfache Wärmestrom- oder Temperaturmessungen
gemacht werden. Temperaturmessungen können Temperaturmessungen an
der Bramme beinhalten, die Messungen am Ausgang des Gießhohlraumes
oder Messungen an einem Punkt hinter den Gießoberflächen innerhalb des Gießhohlraumes
beinhalten. Wärmeflüsse können zum
Beispiel ermittelt werden, indem der Temperaturanstieg des Kühlmittels
gemessen wird, das genutzt wird, um die Gießoberfläche an einem oder mehreren Orten
zu steuern, und indem der Volumenstrom des Kühlmittels gemessen wird.
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Das
Wasserdampf enthaltende Gas kann auf verschiedenen Wegen erhalten
werden. Es kann zum Beispiel gebildet werden, indem trockenes Gas und
Wasserdampf außerhalb
des Bereiches des Meniskus oder innerhalb des Bereiches des Meniskus gemischt
werden. Das Gas kann zum Beispiel zugeführt werden, indem ein poröser Block
oder ein ähnlicher
Gegenstand bereitgestellt wird, der an den Bereich des Meniskus
angrenzt, so dass der poröse Block
durch das geschmolzene Metall erwärmt wird, wobei flüssiges Wasser
in das Innere des porösen Blockes
eingespeist wird, so dass das flüssige
Wasser innerhalb des erwärmten
porösen
Blockes verdampft wird, wodurch eine Gasmischung, die Wasserdampf
enthält,
in dem Bereich des Meniskus gebildet wird. Trotzdem wird insbesondere
bevorzugt, dass das Wasserdampf enthaltende Gas als eine vorgemischte
Mischung von einer externen Anlage bereitgestellt wird. Dieses Wasserdampf
enthaltende Gas kann gebildet werden, indem trockenes Gas wie zum
Beispiel Luft mit Wasserdampf gemischt wird. Andere trockene Gase,
die verwendet werden können,
beinhalten Stickstoff oder ein inertes Gas wie Helium oder Argon.
Dieser Mischvorgang kann bei einer Temperatur ausgeführt werden,
die oberhalb des letztlich erwünschten
Taupunktes der Mischung liegt, wobei der endgültige Taupunkt erreicht wird,
indem das Wasserdampf enthaltende Gas bei der erwünschten
Taupunkttemperatur durch einen Wärmetauscher
geleitet wird, so dass überschüssiger Wasserdampf
aus der Mischung entfernt wird. Es wird jedoch bevorzugt, dass dieser
Mischvorgang ausgeführt
wird, indem die relativen Mengen an Wasserdampf und trockener Luft
gesteuert werden, die in die Mischkammer eintreten, dies in Reaktion
auf eine Messung des resultierenden, Wasserdampf enthaltenden Gasstromes.
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Der
exakte Taupunkt des Gases, das benötigt wird, um den Wärmeentzug
durch die Gießoberflächen auf
einen vorher festgelegten Wert zu steuern, kann variieren und ist
abhängig
von einer Anzahl von Parametern, wobei die Umgebungsbedingungen um
die Gießanlage
herum (da der Gießhohlraum nicht
speziell von den Außenbedingungen
abgeschirmt ist) und die Menge und Art jedweder Bandbeschichtung
oder Trennschicht, die aufgebracht werden kann, beinhaltet sind.
Generell wird die Zufuhr eines Gases, das einen Taupunkt zwischen –60°C und +70°C hat, die
Steuerung des Wärmeentzuges
unter allen Bedingungen sicherstellen. Die Gasmischung muss natürlich auf
eine Temperatur oberhalb des Taupunktes aufgeheizt werden, um verfrühten Feuchtigkeitsverlust
zu verhindern. Daher wird eine obere Grenze von +30°C generell
eher bevorzugt; und generell wird auch ein Taupunkt von mehr als –25°C die meisten
Anforderungen erfüllen.
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Die
Gießoberflächen sind
bevorzugt texturiert oder behandelt, um mikroskopische Korridore
zu bilden, um das Eindringen von Gas in den Raum zwischen den Gießelementen
und dem erstarrenden Barren zu verbessern. Zum Beispiel können die
Gusselemente kugelgestrahlt werden, um sie aufzurauen, oder eine
Textur kann durch rändelnde
oder schleifende Techniken aufgebracht werden.
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Wenn
Aluminium oder Aluminiumlegierungen in Übereinstimmung mit dieser Methode
gegossen werden, ist die Gussbarrenoberfläche im wesentlichen oxidfrei
und kann auf Enddicke gewalzt werden, ohne dass eine Reinigung nötig ist,
um die Oxide zu entfernen.
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Gemäß einem
anderen Aspekt dieser Erfindung wird eine Vorrichtung bereitgestellt,
um geschmolzenes Metall zu gießen,
um einen gegossenen Blechstreifen-Barren zu formen, wobei enthalten sind:
ein Paar sich kontinuierlich bewegender Gusselemente, die so angeordnet
sind, dass ein Gießhohlraum
zwischen den gegenüberliegenden
Gießoberflächen besagter
Gießelemente
gebildet ist; eine Düse,
um kontinuierlich geschmolzenes Metall in besagten Gießhohlraum
einzubringen, wobei ein Meniskus gebildet wird, wo besagtes geschmolzenes Metall
erstmals mit besagten Gießoberflächen in Kontakt
kommt; und eine Einrichtung, um ein Gas zu produzieren, das Wasserdampf
im wesentlichen ohne flüssiges
Wasser enthält, zu
produzieren und um dieses Gas in einen Bereich von diesem Meniskus
zu leiten.
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In
der Vorrichtung beinhaltet die genannte Gas produzierende Einrichtung
bevorzugt einen Mischer, der trockenes Gas und Wasserdampf außerhalb
des Bereichs des Meniskus mischt. Bevorzugt beinhaltet die Einrichtung
einen Mischer, um trockenes Gas und Dampf zu mischen, um besagtes Wasserdampf
enthaltendes Gas zu produzieren; und die Einrichtung enthält ebenfalls
bevorzugt einen Detektor, um die Temperatur und den Wassergehalt
des Wasserdampf enthaltenden Gases zu messen und einen Rechner,
um den Taupunkt des Wasserdampf enthaltenden Gases mittels der besagten
gemessenen Temperatur und des Wassergehaltes zu berechnen. Die Einrichtung
enthält
ebenso bevorzugt Steuerungen, um die Mengen an Gas und Dampf, die durch
den Mischer gemischt werden, entsprechend den Signalen abzustimmen,
die von dem Rechner produziert werden, um besagtes Wasserdampf enthaltendes
Gas zu produzieren, das einen vorbestimmten Taupunkt hat.
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Ebenfalls
sind eine Vorrichtung und ein Verfahren beschrieben (aber nicht
in den Ansprüchen enthalten),
die benutzt wird, um eine Zuführung
von feuchtem Gas mit einem vorher festgelegten Taupunkt zu ermöglichen.
Der Taupunkt liegt typischerweise in einem Bereich von ungefähr –60°C bis +25°C. Die Vorrichtung
hat einen Mischbehälter,
um Dampf und ein trockenes Gas aufzunehmen und zu mischen; ebenfalls
hat sie einen Dampfgenerator, um Dampf herzustellen, und eine Zuführung des
trockenen Gases. Die Vorrichtung beinhaltet eine Zufuhrleitung,
um feuchtes Gas von dem Mischbehälter
zu der Gießvorrichtung
(oder einer anderen Vorrichtung) zu leiten. Die Zufuhrleitung beinhaltet
ein Detektorgerät, um
den Taupunkt des feuchten Gases zu bestimmen. Solch ein Detektorgerät beinhaltet
bevorzugt einen Detektor, um den Feuchtigkeitsgehalt des feuchten Gases,
das durch die Zufuhrleitung läuft,
zu ermitteln; zudem enthält
es einen Detektor, um die Temperatur des feuchten Gases, das durch
die Zufuhrleitung läuft,
zu ermitteln und enthält
einen Rechner, um den Taupunkt des feuchten Gases, das durch die
Zufuhrleitung läuft,
zu berechnen. Ein Regler wird ebenso bereitgestellt, um die Zufuhr
des trockenen Gases und/oder des Dampfes zu dem Mischbehälter abzustimmen,
um die feuchte Luft dazu zu bringen, einen vorher festgelegten Taupunkt
zu überschreiten.
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Es
wurde entdeckt, dass der Wechsel des Gases, das benutzt wird, um
den Bereich des Meniskus zu fluten (das "Flutungsgas") von einem im wesentlichen trockenen
Gas (Luft) zu einem Gas, das ein Taupunkt von besagten 15°C hat, zu
einer Änderung
im Wärmefluss
von 3% bis 9% führt. Dies
ist eine mindestens 10 mal größere Veränderung,
als auf der Basis thermischer Leitfähigkeit alleine vorhergesagt
würde.
Des weiteren können
für Gießanlagen,
die Öl
als Trennschicht benutzen, die auf die Gießoberflächen aufgebracht wird, die Änderungen im
Wärmefluss,
die tatsächlich
durch die Erfindung bewirkt werden, gleichwertig sein mit einem
Erhöhen der
Menge des zugeführten Öls um 20%
oder mehr, was eine wesentliche Einsparnis ist.
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Diese
Erfindung ist speziell bevorzugt für die Benutzung in Stranggussanlagen,
die verlängerte Gießhohlräume haben.
Solche Gießanlagen
beinhalten Block- und Doppelgurt-Gießanlagen. In solchen Stranggussanlagen
müssen
die Gießoberflächen oft eine
hohe Wärmemenge
in dem Bereich des Meniskus beinhalten, und dieser Wärmefluss
nimmt generell weiter entlang des Gießhohlraumes ab. Es wurde entdeckt,
dass die vorliegende Erfindung den anfänglich hohen Wärmefluss
reduziert, indem die Wärmeflussspitze
verbreitert und gesenkt wird, was aus dem geschmolzenen Metall resultiert,
das anfangs die Gasoberflächen
berührt,
oder indem der anfängliche
Wärmefluss
reduziert wird und der Wärmefluss weiter
entlang des Hohlraumes erhöht
wird; dies bewirkt eine Reduktion der thermischen Belastung der Gießoberfläche.
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Es
wird besonders bevorzugt, Block- oder Doppelgurt-Gießanlagen
mit einer flüssigen
Trennschicht zu benutzen, wobei diese Trennschicht zum Beispiel
ein organisches Material wie Öl
oder Feststoffmischungen in solchen flüssigen Trägern sein kann. Die Trennschicht
wird bevorzugt auf die Gießoberfläche aufgebracht,
bevor diese in Kontakt mit dem geschmolzenen Metall gerät, und kann
mit einigen Mitteln nach dem Gießhohlraum entfernt werden.
Systeme für
das Aufbringen und Entfernen derartiger Trennschichten sind zum
Beispiel im US Patent 5,636,681 (Sivilotti et al.) beschrieben.
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In
Fällen,
in denen der anfängliche
Wärmefluss
sehr hoch ist, können
thermisch induzierte Verformungen in der Gießoberfläche auftreten. Es wurde entdeckt,
dass die vorliegende Erfindung diesen anfänglich hohen Wärmestrom
senken kann und den Fluss einheitlicher entlang des Gießhohlraumes
verteilen kann, wodurch das Potential für Verformungen der Gießoberfläche reduziert
wird.
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Es
wird angenommen, dass in dem Bereich, wo der Meniskus die Gießoberfläche berührt, und
für einen
beträchtlichen
Abstand hinter diesem Punkt ein mikroskopischer Spalt zwischen dem
erstarrenden Metall und den Gießoberflächen vorhanden
ist, der mit dem Bereich des Meniskus in Verbindung steht. Gas und
Wasserdampf, die in diesem Bereich des Meniskus bereitgestellt werden,
dringen in diesem Bereich über
einen eine mikroskopische Verbindung schaffenden Spalt ein, und
dieser Effekt des Gases und des Wasserdampfes auf den Wärmefluss
verbindet sich mit dem Effekt der Trennschicht über eine beachtliche Strecke
(d. h. deutlich hinter dem Meniskus), was einen wesentlichen Effekt
auf die Verteilung des Wärmeflusses
hat.
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Es
wird vermutet, dass der mikroskopische Spalt ein Resultat der Rauheit
der Oberfläche
ist (die durch Behandlungen wie das vorher genannte Strahlen oder
Rändeln
der Oberfläche
erreicht werden kann) und dem Schrumpfen des erkaltenden Metalles.
In diesem Spalt beginnt die flüssige
Trennschicht zu verdampfen und eine Dampfschicht zu bilden, die den
Wärmefluss
zwischen dem Metall und der Gießoberfläche und
dadurch die Abkühlgeschwindigkeit des
Metalls verändert.
Die Anwesenheit von Wasserdampf in diesem Spalt verändert weiterhin
den Wärmefluss
in diesem Spalt.
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Das
Wasserdampf enthaltende Gas wird in einer Menge zugeführt, die
ein kontinuierliches Fluten des den Meniskus enthaltenden Bereichs
verursacht, um die umgebende atmosphärische Luft von dort auszuschließen. Trotzdem
darf der Volumenstrom oder der Druck des Gases nicht so hoch sein, dass
der Meniskus während
des Betriebes abgefälscht
oder versetzt wird.
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Die
Gießoberflächen werden
bevorzugt gekühlt,
indem ein Kühlmittel
(generell Wasser) an der rückwärtigen Seite
der Gießoberfläche in dem
Bereich aufgebracht wird, wo die Gießoberfläche und der gegossene Blechstreifen
in der Nähe
voneinander sind. Kühlmittel
wird bevorzugt von einem Punkt vor dem Bereich des Meniskus bis
zu einem Punkt, wo der gegossene Metallbarren vollständig erstarrt ist,
aufgebracht. Genügend
Kühlmittel
wird auf der rückwärtigen Seite
der Gießoberflächen vor
dem Bereich des Meniskus aufgebracht, um sicherzustellen, dass die
Oberflächentemperatur
der Gießoberfläche unmittelbar
vor dem Kontakt mit dem geschmolzenen Metall in dem Gießhohlraum
geringer als 100°C
ist und bevorzugt geringer als 50°C.
Daher wird bevorzugt, dass die Gießgurte nicht vorgeheizt werden.
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Eine
Vielzahl verschiedener Metalle kann gemäß der Erfindung gegossen werden,
im speziellen solche mit relativ niedrigen Schmelzpunkten. Die Erfindung
ist jedoch von besonderem Wert für
das Gießen
von Aluminium und dessen Legierungen. Es ist tatsächlich überraschend,
dass die Erfindung für Aluminium
und Aluminiumlegierungen verwendet werden kann, wenn man an die
Reaktivität
von Aluminium in der Gegenwart von Wasserdampf denkt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein vertikaler Querschnitt einer Metall zuführenden Düse und angrenzenden Teilen
der Gießgurte
einer Doppelgurtmetallgießanlage,
die eine bevorzugte Form dieser Erfindung darstellt;
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2 ist
ein vergrößerter vertikaler
Querschnitt, der Details eines Teils der Metall zuführenden Düse aus 1 zeigt;
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3 ist
ein weiter vergrößerter vertikaler Querschnitt,
der Details der Metall zuführenden
Düse und
dem Meniskus zeigt;
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4 ist
ein Seitenaufriss, der ein Beispiel eines Dampfgenerators und Speichers
zeigt, der für den
Gebrauch in der vorliegenden Erfindung geeignet ist, wobei ein flexibler
Schlauch teilweise im Querschnitt gezeigt ist;
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5 ist
ein Seitenaufriss, der ein Beispiel eines Dampfsteuersystems zeigt,
das für
den Gebrauch in der vorliegenden Erfindung geeignet ist; eine Mischkammer
ist im Querschnitt gezeigt;
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6 ist
ein Seitenaufriss, der eine Mischkammer, einen Einlass für trockene
Luft und einen Auslass für
feuchte Luft aus 5 zeigt; und
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7 ist
ein schematisches Diagramm, das zeigt, wie der Wärmeentzug von den Gießoberflächen innerhalb
der Gießanlage
abgestimmt und gesteuert werden kann, indem ein Wasserdampf enthaltendes
Gas genutzt wird, um den Wärmestrom
auf der Grundlage von Temperaturen und Volumenstrom von Kühlwasser
zu variieren.
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BESTE AUSFÜHRUNGSART
DER ERFINDUNG
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1 zeigt
ein Ende einer Doppelgurtgießanlage 10,
die mit einem Düsengestell 11 ausgestattet
ist, das Zufuhrköpfe 12 enthält, die
feuchte Luft bei einem vorher festgelegten Taupunkt zu der Gurtgießanlage
im Bereich 18 eines metallischem Meniskus (in 3 gezeigt)
leiten. Die Düsengestelle 11 sind bereitgestellt
für den
Oberteil und den Unterteil und halten eine Metall zuleitende Düse 15 am
Platz, so dass diese zwischen den zwei sich bewegenden Gurten der
Gurtgießanlage
liegt. Die Düsengestelle
bestehen jeweils aus einem soliden Stahlblock 17, um die
Düse 15 an
ihrem Platz zu halten. Diese Blöcke sind
an einem hohlen Rahmen 19 verschraubt, der wiederum eine
Wasserkühlkammer 20 und
eine Luftkammer 21 enthält.
Die Luftkammer wird von einer Vorrichtung, die Luft und Feuchtigkeit
wie unten beschrieben mischt, über
ein Rohr 22 versorgt. Die Verbindung des Rohres 22 mit
der Kammer 21 ist bei 23 gezeigt. Ein länglicher
Schlitz 25 existiert zwischen dem Block 17 und
dem Rahmen 19, der sich seitlich über die Breite der Düse (hier
im Querschnitt gezeigt) ausdehnt, und Löcher 24, die durch
den Rahmen 19 gebohrt sind, verbinden den Schlitz 25 mit
der Luftkammer 21. Der Teil von Block 17 zwischen
dem Schlitz 25 und einem schmalen Spalt 26 zwischen Block 17 und
dem angrenzenden Gurt 16 beinhaltet eine Vielzahl an seitlich
in regelmäßigen Abständen vorgesehenen
Fugen 27 (siehe 2), die fluchtend mit der Laufrichtung
der Bänder 16 sind.
Daher strömt
die meiste Luft von der Luftkammer 21 hoch durch Löcher 24 und
entlang eines Schlitzes 25. Vom Schlitz 25 bewegt
sich ein einheitlicher Fluss feuchter Luft durch die Fugen 27 und
tritt in den schmalen Spalt 26 zwischen dem Block 17 und
dem angrenzenden Gurt 16 ein. Diese feuchte Luft setzt
ihren Fluss fort durch einen schmalen Spalt zwischen der Düse 15 und
dem angrenzenden Gurt 16 zu dem Bereich des Meniskus 18,
wie er in 3 gezeigt ist.
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3 zeigt
zwei Menisken M, wo das geschmolzene Metall 28 erstmals
die Oberflächen
der Gießgurte 16 oben
und unten bei dem Gießhohlraum berührt. Stromabwärts von
jedem Meniskus M bildet sich festes Metall 29, das an den
Gurt 16 angrenzt. Feuchte Luft fließt in den Bereich 18 jedes
Meniskus M durch einen schmalen Spalt 26' zwischen der Düse 15 und den Gurten 16.
Diese feuchte Luft bewegt sich dann in Laufrichtung der Gurte 16 über einen
mikroskopischen Spalt (nicht gezeigt) zwischen dem Metall, das gegossen
wird, und den Gurten 16; dieser mikroskopische Spalt erstreckt
sich von jedem Bereich 18 des Meniskus M über einen
Abstand zwischen dem Gurt 16 und dem entstehenden festen Metall 29,
wodurch der Spalt den Wärmefluss
vom Metall durch den angrenzenden Gurt beeinflusst.
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4 zeigt
den Dampf erzeugenden Teil 30 der Anlage. Dieser beinhaltet
einen elektrisch geheizten Kessel 31, der einen Wassereinlass 32,
einen Abfluss 33 und einen Dampfauslass 34 hat,
der mit einem Abschaltventil 35 verbunden ist. Der in dem
Kessel 31 erzeugte Dampf wird in einen Speicher 36 (in
der Form eines waagerechten Rohres mit einem Abfluss 37)
eingespeist, von wo er über
einen flexiblem Schlauch 38 zu einem Dampfsteuersystem (siehe 5)
strömt.
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Wie
in 5 gezeigt, strömt
der Dampf von dem flexiblen Schlauch 38 durch ein einstellbares Ventil 48.
Dem Kessel 31 (4) wird soviel elektrische Energie
zugeführt,
dass der Druck bei 9 psi gehalten wird. Der Dampfstrom gelangt durch
einen Wärmetauscher 50,
dann über
ein pneumatisch gesteuertes Ventil 52 durch einen zweiten
Speicher 51, und dann über
ein Rohr 53 zum Mischer 54. Das Rohr 53 läuft durch
den Wärmetausch-Bereich 50,
so dass der vom Kessel 31 einströmende Dampf das Rohr 53 aufheizt,
wobei der in den Mischer 54 eingeführte Dampf wieder aufgeheizt
wird. Ein Rohr 60 zieht Kondensat aus dem zweiten Speicher 51 ab, wenn
ein Ventil 61 geöffnet
ist.
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6 zeigt
eine andere Ansicht des Mischers 54 (eine Seitenansicht
der linken Seite von 5). Verdichtete trockene Luft
von einem Kompressor und einer mit Silikagel trocknenden Säule (nicht
gezeigt) wird über
ein Ventil 55 zu dem Mischer 54 geführt, wo
sie gut mit dem über
das Rohr 53 (5) zugeführten Dampf gemischt wird und über ein
Rohr 56, in welchem ein relative Feuchtigkeit und Temperatur
messender Sensor 57 eingebaut ist, der Gießanlage
zugeführt
wird. Das Trocknen der Luft vor Eintritt in den Mischer ermöglicht es,
die letztendliche Feuchtigkeit der feuchten Luft zu steuern.
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Die
Temperatur und die relative Feuchtigkeit, die von Sensor 57 gemessen
werden, gelangen als Eingabedaten in einen Computer (nicht gezeigt),
der den Taupunkt der am Sensor vorbei fließenden Luft festlegt und das
Ventil 52 einstellt, um die Menge des dem Mischer zugeführtem Dampfes
zu ändern,
so dass der Taupunkt innerhalb eines erwünschten Bereichs um den Sollwert
herum bleibt.
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Infolgedessen
kann ein geeignetes Computerprogramm bereitgestellt werden, das
den Taupunkt der feuchten Luft steuert, die zu dem Gieß-Hohlraum um die Metall
zuführende
Düse gebracht
wird. Dadurch kann der Wärmefluss
des Gießverfahrens
genau gesteuert werden, und es kann in den Fällen, in denen Öl oder andere
Trennschichten bereitgestellt werden, die Menge an Öl oder anderen bei
den Gieß-Gurten
aufgebrachten Trennmitteln vermindert und vielleicht völlig überflüssig gemacht
werden.
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7 zeigt,
wie die wie oben geartete Vorrichtung genutzt werden kann, um den
Wärmeentzug von
Gießflächen innerhalb
einer Gießanlage 70 zu variieren
und zu steuern. Die Gießflächen innerhalb der
Gießanlage
werden durch Wasser gekühlt,
das von einer Wasserversorgung 72 zu einem Einlass 71 geleitet
wird. Nachdem das Kühlwasser
die Gießoberflächen gekühlt hat,
wird das Kühlwasser
gesammelt und über
einen Auslass 73 aus der Gießanlage entfernt, und es kehrt
zu der Wasserersorgung zurück.
Ein Wärmetauscher 74 kann
vorgesehen sein, um dem Kühlwasser überschüssige Wärme zu entziehen,
bevor es wieder benutzt wird. Der Volumenstrom des Kühlwassers
wird von einem Durchflussmesser 75 gemessen; die Temperatur
des Kühlwassers
wird gemessen, bevor dieses in die Gießanlage bei 76 eintritt
und nachdem es aus der Gießanlage bei 77 austritt.
Die Informationen über
Volumenstrom und Temperatur, die zusammen (oder zum Berechnen genutzt)
für den
Wärmeentzugs-Grad der Gießanlage
stehen, wird einer Anzeigeeinheit oder einem durch einen Computer
gesteuerten Regler 78 zugeführt; entweder wird dann ein
Steuersignal berechnet und über
einen Anschluss 80 zu einem Wasserdampferzeuger 79 gesendet,
oder die Anzeigeeinheit wird abgelesen und der (Wasserdampf-)Erzeuger manuell
entsprechend der angezeigten Informationen eingestellt. Dieses Signal
(oder manuelle Einstellung) verursacht, dass der Erzeuger den Taupunkt
des Gases 81, das dem Bereich des Meniskus der Gießanlage
zugeführt
wird, variiert. Indem der Taupunkt auf diesem Weg geeignet variiert
wird, kann der Wärmeentzug
von der Gießvorrichtung
auf einem konstanten Wert gehalten werden oder kann variiert werden,
um bessere Oberflächeneigenschaften
oder ähnliches
zu bewirken. In einer Gießanlage, wie
sie im US-Patent 4,061,177 beschrieben ist, sind mehrere Kühlzonen
vorgesehen; indem die obere Methode angewandt wird, kann der Wärmeentzug von
jeder Zone festgelegt werden, was es erlaubt, den Wärmeentzug
mit einer vorher festgelegten Funktion zu vergleichen und danach
einzustellen. Die Beziehung zwischen dem Taupunkt und dem Grad an
Wärmeentzug
kann im Vorhinein für
eine spezielle Gießanlage
oder ein Metall, das gegossen wird, bestimmt werden, so dass eine
passende Wärmeentzugs-Funktion
festgelegt werden kann.
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Die
Erfindung wird außerdem
durch die folgenden Beispiele veranschaulicht, welche nicht dazu gedacht
sind, den Schutzbereich der Erfindung einzugrenzen.
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BEISPIEL 1
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Eine
AA1145-Legierung wurde in einer Doppelgurt-Gießanlage vom in 1 gezeigten
Typ auf eine Dicke von 15,8 mm und eine Breite von 1175 mm gegossen, Öl-Schmiermittel
wurde oben und unten an den Gurten beigefügt. Bei trockener Luft (–60°C Taupunkt),
die bei einem Gesamtstrom von 50 scfm durch die Vorrichtung (oben
und unten) strömte,
betrug der am Eingang des Gieß-Hohlraumes
gemessene Wärmefluss
im Mittel 52, 75 Einheiten (die Wärmefluss-Einheiten sind beliebige
Messungen vom relativen Wärmefluss),
die Temperatur in der Umgebung der Gießanlage betrug 38°C.
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Die
Feuchtigkeit des Luftstroms wurde dann auf einen Taupunkt von 21°C eingestellt;
dabei sank die Eingangs-Durchflussmenge auf einen Durchschnittswert
von 50,8 Einheiten. Die Änderung
der durchschnittlichen Eingangs-Durchflussmenge von ungefähr 3,6%
war mindestens 10 mal höher
als die Änderung
der thermischen Leitfähigkeit
der Luft, die vom Hinzufügen
von Wasserdampf herrührte.
Die Verringerung des Wärmeflusses,
die durch das Einbringen von Wasserdampf verursacht wurde, entsprach
ungefähr
der Änderung
des Wärmestromes, die
durch eine Steigerung des aufgebrachten Schmiermittels um ca. 30%
bis 40% auftreten würde.
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BEISPIEL 2
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Eine
AA1100-Legierung wurde auf eine Dicke von 15,8 mm und eine Breite
von 1175 mm gegossen. Die Eingangs-Durchflussmenge betrug durchschnittlich
53,3 Einheiten. Wie schon vorher wurde trockene Luft bei einem Gesamtstrom
von 50 scfm genutzt. Die Feuchtigkeit wurde dann auf einen Taupunkt
von 15°C
eingestellt, und die Eingangs-Durchflussmenge sank auf einen durchschnittlichen
Wert von 51,6 Einheiten.