DE602004001042T2

DE602004001042T2 - Kokille zum abschrecken von metallen und so erhaltene blöcke

Info

Publication number: DE602004001042T2
Application number: DE602004001042T
Authority: DE
Inventors: Thomas Spadone; Robert Rey-Flandrin
Original assignee: Aluminium Pechiney SA
Current assignee: Rio Tinto France SAS
Priority date: 2003-02-18
Filing date: 2004-02-17
Publication date: 2006-12-21
Anticipated expiration: 2024-02-18
Also published as: AU2004213205A1; IS8025A; AU2004213205B2; RU2005129119A; WO2004073904A2; PL378337A1; FR2851183A1; US20060137847A1; FR2851183B1; UA80470C2; RU2335375C2; NO20053841D0; EP1597002B1; NO20053841L; WO2004073904A3; DE602004001042D1; ATE327845T1; US7258155B2; CA2515668A1; IS2328B

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gießen von Nichteisenmetallen, insbesondere von Aluminium und seinen Legierungen. Sie betrifft ganz besonders die Metallblöcke, insbesondere die stapelbaren Metallblöcke, sowie die Kokillen, mit denen sie erzeugt werden.
Stand der Technik
Die Metallblöcke werden durch Eingießen von flüssigem Metall in eine Kokille bestimmter Form hergestellt. Das flüssige Metall erkaltet, erstarrt und ergibt einen Block, der die Form des Innenraums der Kokille hat.
Die Blöcke haben zumeist eine Form, die ihre Stapellagerung und die Handhabung der erhaltenen Stapel gestattet. Dabei können die Stapel mit einem oder mehreren Gurten stabilisiert werden. Die Blöcke sind gewöhnlich mit Mitteln zur Begrenzung des Volumens der Stapel und zu deren Selbststabilisierung versehen. Bei diesen Mitteln handelt es sich typischerweise um Verriegelungselemente (engl. "interlocking means") wie erhabene Elemente (Zapfen, Wülste, Stifte, ...) und vertiefte Elemente (Kerben, Nuten, ...), die zusammenwirken, damit jeder Block durch die benachbarten Blöcke gehalten werden kann. Es wurden mehrere Block- und Kokillenformen vorgeschlagen, wie die, die in dem französischen Patent FR 1 310 651 (entspricht dem amerikanischen Patent US 3 161 477 ) von Pechiney, dem amerikanischen Patent US 3 570 664 der American Magnesium Co., den amerikanischen Patenten US 3 498 451 und US 3 671 204 von Ormet Corp., dem französischen Patent FR 2 068 802 (entspricht der britischen Anmeldung GB 1 315 134 ) von Intalco Aluminium Corp., dem sowjetischen Patent SU 1 065 076 des Instituts für wissenschaftliche Forschung und technische Studien der UdSSR für die Aluminium-, Magnesium- und Elektrodenindustrie und der französischen Anmeldung FR 2 678 185 von Sollac beschrieben sind.
Aufgabenstellung
Die Geschwindigkeit des Herstellungsprozesses von Metallblöcken durch Abkühlung und Erstarrung der Blöcke ist ein entscheidender Faktor für die Produktivität einer Gießerei. So wird in den Fertigungsstrassen zur großtechnischen Herstellung von Metallblöcken die Abführung der Wärme des in den Kokillen enthaltenen Metalls gewöhnlich mit Hilfe eines Kühlmittels beschleunigt, typischerweise mit Wasser, das mit der Außenfläche der Kokillen in Wärmekontakt gebracht wird. Angesicht der permanenten Erhöhung der Produktionskapazität der Werke für die Metallgewinnung, insbesondere der Werke für die elektrolytische Aluminiumgewinnung, kann jedoch die Herstellung der Metallblöcke zu einem Schritt werden, der die Produktion eines Werkes vermindert. Es wird daher ständig nach Lösungen gesucht, um die Herstellung der Metallblöcke zu beschleunigen und dabei die Qualität der hergestellten Metallblöcke und die Möglichkeit, sie stabil zu stapeln, zu bewahren.
Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Metallkokille zur Herstellung von Metallblöcken durch Abkühlung und Erstarrung einer flüssigen Metallmasse mit einem Ausgangsvolumen Vo, die eine innere Kühlfläche S zur Abführung der ganzen oder eines Teils der von der flüssigen Metallmasse während ihrer Abkühlung und Erstarrung abgegebenen Wärmeenergie aufweist und dadurch gekennzeichnet ist, dass die Kühlfläche S eine solche Form besitzt, dass das Metall bei der durch seine Abkühlung und Erstarrung verursachten Kontraktion des Metallvolumens Vo mit mindestens 10 % der Fläche S in Kontakt bleibt.
Bevorzugt bleibt das Metall mit mindestens 15 % der Fläche S in Kontakt, und besonders bevorzugt mit mindestens 20 % der Fläche S.
Bei ihrer Suche nach Lösungen für das sich bei der Erfindung stellende Problem stellte die Anmelderin fest, dass die effektive Abkühlzeit der Metallblöcke zwischen dem Eingießen des flüssigen Metalls in die Kokille und dem Herausnehmen des erstarrten Metallblocks unerwarteterweise wesentlich länger ist als dies aufgrund von Wärmeberechnungen angenommen wurde und dass das Ausmaß dieser Erscheinung stark von der Form selbst der Kokille abhängt. Ihr kam dann der Gedanke, dass die längere Abkühlung in Wirklichkeit weitgehend einem Wärmekontaktproblem zwischen Metall und Kokille zuschreibbar ist und stellte fest, dass die Kontraktion des Metalls bei seiner Erstarrung an vielen Stellen unerwarteterweise zu einer leichten Trennung zwischen dem Metallblock und der Kokilleninnenfläche führt. Durch diese zwar nur geringe Trennung entsteht ein Luftspalt, der die Wärmeaustausche zwischen Kokille und Kokillenwand spürbar reduziert. Die Wärmeaustausche finden dann praktisch nur noch auf den sehr beschränkten Oberflächen an der Grenzfläche zwischen Metallblock und Kokille statt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung ist die Metallkokille dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlfläche mindestens ein ebenes Oberflächenelement Si aufweist, welches vorzugsweise den ganzen oder einen Teil des Bodens der Kokille bildet, dass mindestens ein Punkt C auf einer tangentialen Ebene Pi zu dem bzw. jedem Oberflächenelement Si vorhanden ist, so dass alle jeden Punkt R der Kühlfläche S mit dem Punkt C verbindenden Geradenabschnitte D nur innerhalb der Kokille verlaufen, und dass die Gesamtfläche des bzw. der Oberflächenelemente Si mindestens 10 % der Kühlfläche S beträgt.
Bevorzugt beträgt die Gesamtfläche des bzw. der Oberflächenelemente Si mindestens 15 % der Kühlfläche S und besonders bevorzugt mindestens 20 der Kühlfläche S.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen mit einer erfindungsgemäßen Kokille herstellbaren Block aus Metall mit einer geformten Oberfläche (Gussoberfläche) Sm und einer rohen Oberfläche Sb, welcher dadurch gekennzeichnet ist, dass die geformte Oberfläche Sm mindestens ein ebenes Oberflächenelement Si aufweist, dass mindestens ein Punkt C auf einer tangentialen Ebene Pi zu dem bzw. jedem Oberflächenelement Si vorhanden ist, so dass alle jeden Punkt R der geformten Oberfläche Sm mit dem Punkt C verbindenden Geradenabschnitte D nur innerhalb des Blocks verlaufen, und dass die Gesamtfläche des bzw. der Oberflächenelemente Si mindestens 10 % der geformten Oberfläche Sm beträgt.
Die geformte Oberfläche Sm entspricht dem durch die Kokille geformten Teil der Gesamtoberfläche des Metallblocks, nämlich der Ausgangsoberfläche So. Die restliche Oberfläche des Metallblocks oder rohe Oberfläche Sb entspricht typischerweise dem oberen Teil der Ausgangsschmelze.
Die Gesamtfläche des bzw. der Oberflächenelemente Si beträgt bevorzugt mindestens 15 % der geformten Oberfläche Sm und besonders bevorzugt mindestens 20 % der geformten Oberfläche Sm.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Kokille für die Herstellung von Blöcken aus Metall.
Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur Herstellung von Blöcken aus Metall, bei dem eine erfindungsgemäße Kokille verwendet wird.
Die Erfindung eignet sich besonders für die Herstellung von Blöcken aus Nichteisenmetall, insbesondere aus Aluminium, Aluminiumlegierung, Magnesium, Magnesiumlegierung, Zink oder Zinklegierung.
Die Erfindung wird durch die beigefügten Figuren und die nachfolgende ausführliche Beschreibung, in denen eine bevorzugte Ausführungsart erläutert wird, besser verständlich.
Die 1 und 2 erläutern im Längsschnitt gesehen zwei typische Kokillen älterer Technik sowie die Kontraktionswirkung des Metalls bei seiner Abkühlung und Erstarrung.
3 stellt eine erfindungsgemäße Kokille dar.
4 zeigt im Längsschnitt gesehen eine erfindungsgemäße Kokille sowie die Kontraktionswirkung des Metalls bei seiner Abkühlung und Erstarrung.
5 stellt Kokillenformen gemäß Ausführungsvarianten der Erfindung dar.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Wie in den beigefügten Figuren gezeigt, umfasst eine Kokille (1) typischerweise eine Wand (2), welche in der Regel aus Metall und/oder Feuerfestmaterial besteht, und eine Öffnung (3) zum Eingießen des flüssigen Metalls in die Kokille. Die Wand (2) definiert einen Boden (4), Seitenwände (2') und Stirnwände (2''). Die Wand (2) besitzt eine Innenfläche (5) sowie Formelemente (6, 7, 8), welche dem Metallblock eine bestimmte Form geben sollen. Mit diesen Formelementen können insbesondere Verriegelungs- oder Handhabungselemente für den Metallblock hergestellt werden.
Das flüssige Metall (10) füllt zunächst ein Volumen Vo aus und kommt auf einem Teil So der inneren Kühlfläche S mit der Wand (2) in Kontakt. Das Verhältnis zwischen der Fläche Ao der Oberfläche So und dem Volumen Vo des flüssigen Metalls ist dann hoch und liegt typischerweise bei etwa 0,5 cm^–1. Während der Abkühlung und Erstarrung kontraktiert das Metall (wobei es ein Volumen Vo' ausfüllt, das geringer ist als Vo) und löst sich an mehreren Stellen von der Wand, so dass Luftspalte (9) entstehen. Wie dies in den 1 und 2 bei Kokillen älterer Technik gezeigt ist, ist die Fläche Ar der restlichen Kontaktoberfläche Sr wesentlich kleiner als die Ausgangsfläche Ao. Die Anmelderin schätzt, dass die mit den Kokillen älterer Technik gewonnene Fläche der restlichen Kontaktoberfläche deutlich kleiner ist als 10 % der Ausgangsfläche (typischerweise etwa 5 %). Folglich führt eine geringe Verminderung des Volumens Vo zu einer beträchtlichen Erhöhung der Temperaturbeständigkeit.
Erfindungsgemäß kann trotz der Metallkontraktion eine hohe Kontaktoberfläche beibehalten werden, und zwar durch die Verwendung einer geeigneten Form der Kokilleninnenfläche. Vorzugsweise wird die Form so gewählt, dass das Metall bei der durch seine Abkühlung und Erstarrung verursachten Kontraktion des Metallvolumens Vo mit mindestens 10 % der Kühlfläche S in Kontakt bleibt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung umfasst die Metallkokille (1), die zur Herstellung eines Metallblocks (11) durch Abkühlung und Erstarrung einer flüssigen Metallmasse (10) bestimmt ist, eine Wand (2) und eine Öffnung (3), welche Wand (2) einen Boden (4) und eine Innenfläche (5) definiert, von der ein Teil S, die sog. Kühlfläche, geeignet ist, die ganze oder einen Teil der von der Metallmasse (10) während ihrer Abkühlung und Erstarrung abgegebenen Wärmeenergie abzuführen, wobei die Wand (2) mindestens ein Formelement (6, 7, 8) aufweist, das dazu bestimmt ist, mindestens ein Verriegelungselement, Stapelelement oder Handhabungselement an den Block (11) anzuformen, und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlfläche S mindestens ein ebenes Oberflächenelement Si aufweist, welches den ganzen oder einen Teil des Bodens (4) der Kokille (1) bildet, dass mindestens ein Punkt C auf einer tangentialen Ebene Pi zu dem bzw. jedem Oberflächenelement Si vorhanden ist, so dass alle jeden Punkt R der Kühlfläche S mit dem Punkt C verbindenden Geradenabschnitte D nur innerhalb der Kokille (1) verlaufen, und dass die Gesamtfläche des bzw. der Oberflächenelemente Si mindestens 10 % der Kühlfläche S beträgt.
Mit anderen Worten kommen die Geradenabschnitte D mit keinem anderen Punkt der Oberfläche S in Kontakt, außer mit denen der Oberflächenelemente Si.
Die Gesamtfläche des bzw. der Oberflächenelemente Si beträgt bevorzugt mindestens 15 % der Kühlfläche S und besonders bevorzugt mindestens 20 % der Kühlfläche S.
Die Wirkung der Metallkontraktion, welche verursacht wird durch die Abkühlung und Erstarrung des flüssigen Metalls (10), das zunächst mit einem Teil So der Kühlfläche S in Kontakt steht, kann in annähernder Weise durch eine homothetische Kontraktion der Fläche So mit einer relativ geringen Größe K in Bezug auf den Punkt C visualisiert werden. Auf der 4 ist zu erkennen, dass die Kontraktion bei einer erfindungsgemäßen Kokille keine Überschneidung zwischen der so erhaltenen kontraktierten Oberfläche So' und der Ausgangsoberfläche So erzeugt und die Fläche jeder Oberfläche Si des Bodens (4) praktisch unverändert beibehalten werden kann (im in 4 dargestellten Fall weist der Boden zwei Oberflächen Si auf, die in 3 mit den Zeichen S₁ und S₂ gekennzeichnet sind). In Wirklichkeit wird durch die homothetische Kontraktion der Kontakt der kontraktierten Oberfläche So' mit dem bzw. den Oberflächenelementen Si durch Gleiten in ihre Ebene Pi aufrechterhalten. Bei mehr als einem Oberflächenelement Si befindet sich der Punkt C am Schnittpunkt der jeweiligen Ebenen P₁, P₂, ..., wie in 3 erläutert.
Dem Gravitationseffekt wird dadurch Rechnung getragen, dass das bzw. die Oberflächenelemente Si am Boden der Kokille liegen. In der Praxis wird der Punkt C vorzugsweise so gewählt, dass der Massenmittelpunkt des kontraktierten Volumens Vo', welches der kontraktierten Oberfläche So' entspricht, so tief wie möglich in Bezug auf die normale Gebrauchsrichtung der Kokille liegt, d. h. dass es nicht möglich ist, die kontraktierte Oberfläche So' vertikal nach unten zu verschieben, ohne eine Überschneidung zwischen So' und der Innenfläche (5) der Kokille zu erzeugen. Anders ausgedrückt: durch die homothetische Kontraktion verbleibt die kontraktierte Oberfläche So' im Gravitationsbereich so tief wie möglich in Bezug auf die Gebrauchsrichtung der Kokille. Die erfindungsgemäßen Kokillen ermöglichen es somit, eine deutlich größere Restkontaktfläche beizubehalten als die Kokillen älterer Technik.
Der exakte Wert der Größe K, "Homothetie-Verhältnis" genannt, ist für die Erfindung nicht entscheidend, wenn sie für die mit den Metallen erhaltenen Wärmekontraktionswerte repräsentativ ist. Es genügt, ein Homothetie-Verhältnis K von weniger als ca. 1 % zu verwenden, um die geeigneten Kühlflächenformen zu bestimmen. Die in den beigefügten Figuren dargestellten Volumenkontraktionen des Metalls von Vo zu Vo' wurden zur besseren Verdeutlichung des Erfindungsprinzips absichtlich übertrieben.
Die Oberflächenelemente Si sind vorteilhaft um einen Winkel α_i in Bezug auf die initiale Normalhöhe N des flüssigen Metalls (10) geneigt. Die Normalhöhe N verläuft dabei typischerweise parallel zum Außenrand (16) der Öffnung (3) der Kokille (1). Der Winkel α_i ist vorzugsweise kleiner als 30° und vorzugsweise kleiner als 20°, um das Volumen des Metallblocks zu optimieren und unter diesem gleichzeitig Platz zu gewinnen, um beim Stapeln der hergestellten Metallblöcke einen Gurt durchführen zu können.
Zur Ausbildung der Formelemente (6, 7, 8, 14, 15) weist die Kühlfläche S normalerweise mehr als 5 verschiedene Oberflächenelemente auf, nämlich mindestens zwei Seitenwände (2'), zwei Stirnwände (2'') und einen Boden (4). Die in 3 dargestellte Kokille zum Beispiel weist mindestens 10 verschiedene Oberflächenelemente auf (einschließlich der Seitenwände (2')).
Die erfindungsgemäße Kokille weist typischerweise eine gerade Zahl von Oberflächenelementen Si auf. Um ihre Herstellung zu vereinfachen und zur leichteren Gewinnung einer sehr großen Restkontaktfläche beträgt die Zahl der Oberflächenelemente Si vorzugsweise 2 (wie in den 3 und 4 dargestellt). Die Oberflächenelemente Si grenzen dabei vorzugsweise aneinander an (wie in 3 dargestellt), um die Restkontaktfläche maximieren zu können.
3 stellt eine besonders vorteilhafte Ausführungsart der Erfindung dar, bei der zwei Oberflächenelemente Si vorgesehen sind, bezeichnet mit S1 und S2, die nicht in der gleichen Ebene liegen und sich im Punkt C schneiden. 5 stellt Varianten der Erfindung dar, bei denen der Boden (4) zusätzliche Formelemente (14, 15) aufweist.
Die Oberflächenelemente Si können unterschiedliche Flächen Ai haben und um einen unterschiedlichen Winkel α₁ geneigt sein. Um die Herstellung und Verwendung der erfindungsgemäßen Kokille zu vereinfachen, besitzt diese vorteilhaft eine Hauptachse A und eine Symmetrieebene B senkrecht zu ihrer Hauptachse A, wobei der Punkt C in der Symmetrieebene B liegt. Bei dieser Ausführungsart ist der Winkel α₁ für die symmetrisch angeordneten Oberflächenelemente Si gleich. In diesem Fall verläuft der Außenrand (16) der Öffnung (3) der Kokille (1) vorzugsweise weitgehend gerade und quer zur Ebene B und die initiale Normalhöhe N des flüssigen Metalls (10) weitgehend parallel zum Außenrand (16).
Vorzugsweise ist keiner der Winkel zwischen den Elementen der Innenfläche der Kokille kleiner als 90°, um die Bildung von Bereichen in der Kokille zu verhindern, in denen sich der Metallblock festklemmen könnte und die sein Herausnehmen erschweren würden.
Die Verriegelungselemente umfassen typischerweise erhabene Elemente (Zapfen, Wülste, Stifte, ...) und vertiefte Elemente (Kerben, Nuten, ...), die zusammenwirken, damit jeder Block durch die benachbarten Blöcke gehalten werden kann. Die Stapelelemente umfassen typischerweise erhabene bzw. vertiefte Elemente (wie Einbuchtungen), die es ermöglichen, die Blöcke optimal zu stapeln, und/oder die es ermöglichen, Mittel zur Stabilisierung des Stapels anzubringen, wie zum Beispiel Gurte. Die Handhabungselemente umfassen typischerweise erhabene und/oder vertiefte Elemente, welche Greifmittel bilden, wie "Lappen" oder Griffe.
Die Erfindung betrifft auch einen Block (11) aus Metall mit einer geformten Oberfläche Sm und einer rohen Oberfläche Sb, welcher mindestens ein Element gewählt unter den Verriegelungselementen, Stapelelementen und Handhabungselementen aufweist und dadurch gekennzeichnet ist, dass die geformte Oberfläche Sm mindestens ein ebenes Oberflächenelement Si aufweist, dass mindestens ein Punkt C auf einer tangentialen Ebene Pi zu dem bzw. jedem Oberflächenelement Si vorhanden ist, so dass alle jeden Punkt R der geformten Oberfläche Sm mit dem Punkt C verbindenden Geradenabschnitte D nur innerhalb des Blocks (11) verlaufen, und dass die Gesamtfläche des bzw. der Oberflächenelemente Si mindestens 10 % der geformten Oberfläche Sm beträgt.
Wie bei erfindungsgemäßen Kokille entsteht somit durch eine homothetische Kontraktion der Oberfläche Sm mit einer bestimmten Größe K in Bezug auf den Punkt C keine Überschneidung zwischen der so erhaltenen kontraktierten Oberfläche Sm' und der geformten Oberfläche Sm.
Bevorzugt beträgt die Gesamtfläche des bzw. der Oberflächenelemente Si mindestens 15 % der geformten Oberfläche Sm und besonders bevorzugt mindestens 20 % der geformten Oberfläche Sm.
Jedes Oberflächenelement Si ist vorteilhaft um einen Winkel α_i in Bezug auf die rohe Oberfläche Sb des Metallblocks geneigt, wodurch das Volumen des Metallblocks optimiert und unter diesem gleichzeitig Platz gewonnen werden kann, um beim Stapeln der Metallblöcke einen Gurt durchführen zu können. Der Winkel α_i ist vorzugsweise kleiner als 30° und besonders bevorzugt kleiner als 20°. Die Anmelderin stellte fest, dass der so erhaltene Freiraum deshalb besonders vorteilhaft ist, weil er die Verwendung eines Gurtes aus einem weichen Werkstoff wie Polyester gestattet, der bei gestapelten Blöcken einen guten Halt des Stapels gewährleistet, ohne dass die Gefahr besteht, dass er sich bei der Handhabung des Stapels abnutzt. Ohne diesen Freiraum kann der Gurt nämlich am Boden schleifen und sich dabei abreiben. Bei einem Block mit einer Gesamtlänge von etwa 70 cm genügt es in der Regel, wenn die Höhe N des Freiraums unter dem hergestellten Block 6 bis 12 mm beträgt.
Um seine Herstellung zu vereinfachen, weist der erfindungsgemäße Block typischerweise eine gerade Zahl von Oberflächenelementen Si und vorzugsweise zwei Oberflächenelemente Si auf. Im letztgenannten Fall grenzen die beiden Oberflächenelemente Si typischerweise aneinander an.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsart der Erfindung besitzt der Block eine Hauptachse A und eine Symmetrieebene B senkrecht zu seiner Hauptachse A, wobei der Punkt C in der Symmetrieebene B liegt. Bei dieser Ausführungsart ist der Winkel α₁ für die symmetrisch angeordneten Oberflächenelemente Si gleich. Die Zahl der Oberflächenelemente Si beträgt vorzugsweise 2 (wie in den 3 bis 5 dargestellt). Die Oberflächenelemente Si grenzen dabei vorzugsweise aneinander an (wie in den 3 und 4 dargestellt).
Um die Handhabung der erfindungsgemäßen Blöcke zu erleichtern, weisen diese vorzugsweise Handhabungselemente (13) auf, typischerweise zwei Stirnelemente, sogenannte "Lappen", wie in 4 dargestellt.
Der erfindungsgemäße Block, der typischerweise ein stapelbarer Block ist, kann mit der erfindungsgemäßen Kokille hergestellt werden.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung von Blöcken aus Metall, bei dem ein Volumen Vo Flüssigmetall in eine erfindungsgemäße Kokille gegossen wird, die Kokille einem Kühlmittelfluss ausgesetzt wird (typischerweise Wasser) und der Block nach Abkühlung und Erstarrung des Metalls herausgenommen wird.
Das Metall ist typischerweise Aluminium, eine Aluminiumlegierung, Magnesium, eine Magnesiumlegierung, Zink oder eine Zinklegierung.
Die Erfindung ermöglicht die Herstellung von Blöcken ohne Blasen und Risse, welche durch Lunker im abkühlenden Metall entstehen.
Sie ermöglicht es weiterhin, das Festklemmen der Blöcke in der Kokille durch Wärmekontraktion zu vermeiden. Das Entformen der Blöcke wird dadurch erleichtert, was wiederum dazu beiträgt, die Herstellungsschritte der Blöcke zu beschleunigen.
Versuche
Es wurden Vergleichsversuche mit ähnlichen Metallkokillen durchgeführt wie die, die in 2 (Stand der Technik) und 3 (Erfindung) dargestellt sind. Bei dem Metall handelte es sich um Aluminium. Das vergossene Metallvolumen betrug typischerweise 23 bzw. 28 kg.
Die Erstarrungszeiten betrugen mehr als 350 s bei den Kokillen älterer Technik bzw. etwa 335 s bei den erfindungsgemäßen Kokillen. Zudem waren die mit den Kokillen älterer Technik erhaltenen Erstarrungszeiten stark gestreut (Standardabweichung > 30 s), während sie mit den erfindungsgemäßen Kokillen wenig gestreut waren (Standardabweichung < 3 s). Die mit den erfindungsgemäßen Kokillen hergestellten Blöcke waren in der Regel lunker- und rissfrei.
Die gesamte Innenfläche (Seitenwände (2') inbegriffen) der Kokillen nach dem Stand der Technik und nach der Erfindung betrug etwa 2300 cm². Die Anmelderin schätzt, dass der Wert der Restkontaktfläche etwa 5 % der Gesamtfläche bei den Kokillen älterer Technik und etwa 20 % der Gesamtfläche bei den erfindungsgemäßen Kokillen betrug.

1: Metallkokille
2: Wand
2': Seitenwände
2'': Stirnwände
3: Öffnung
4: Boden
5: Innenfläche
6, 7, 8: Formelemente
9: Luftspalte
10: flüssiges Metall
11: Block
12: freie Oberfläche des flüssigen Metalls
13: Handhabungselemente
14, 15: Formelemente
16: Außenrand der Kokillenöffnung

Claims

Metallkokille (1) zur Herstellung eines Blocks (11) durch Abkühlung und Erstarrung einer flüssigen Metallmasse (10) mit einer Wand (2) und einer Öffnung (3), welche Wand (2) einen Boden (4) und eine Innenfläche (5) definiert, von der ein Teil S, die sog. Kühlfläche, geeignet ist, die ganze oder einen Teil der von der Metallmasse (10) während ihrer Abkühlung und Erstarrung abgegebenen Wärmeenergie abzuführen, wobei die Wand (2) mindestens ein Formelement (6, 7, 8) aufweist, das dazu bestimmt ist, mindestens ein Verriegelungselement, Stapelelement oder Handhabungselement an den Block (11) anzuformen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlfläche S mindestens ein ebenes Oberflächenelement Si aufweist, welches den ganzen oder einen Teil des Bodens (4) der Kokille (1) bildet, dass mindestens ein Punkt C auf einer tangentialen Ebene Pi zu dem oder jedem Oberflächenelement Si vorhanden ist, so dass alle jeden Punkt R der Kühlfläche S mit dem Punkt C verbindenden Geradenabschnitte D nur innerhalb der Kokille (1) verlaufen, und dass die Gesamtfläche des oder der Oberflächenelemente Si mindestens 10 % der Kühlfläche S entspricht.
Kokille nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtfläche des oder der Oberflächenelemente Si mindestens 15 % der Kühlfläche S entspricht.
Kokille nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtfläche des oder der Oberflächenelemente Si mindestens 20 % der Kühlfläche S entspricht.
Kokille nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Oberflächenelement Si um einen Winkel α_i in Bezug auf die initiale Normalhöhe N des flüssigen Metalls (10) geneigt ist.
Kokille nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel α_i kleiner als 30° und vorzugsweise kleiner als 20° ist.
Kokille nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine gerade Zahl von Oberflächenelementen Si aufweist.
Kokille nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei Oberflächenelemente Si aufweist.
Kokille nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Oberflächenelemente Si aneinander grenzen.
Kokille nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Hauptachse A und eine Symmetrieebene B senkrecht zu ihrer Hauptachse A besitzt und dass der Punkt C in der Symmetrieebene B liegt.
Block (11) aus Metall mit einer Gussoberfläche Sm und einer Rohoberfläche Sb, mit mindestens einem Element gewählt unter den Verriegelungselementen, Stapelelementen und Handhabungselementen und dadurch gekennzeichnet, dass die Gussoberfläche Sm mindestens ein ebenes Oberflächenelement Si aufweist, dass mindestens ein Punkt C auf einer tangentialen Ebene Pi zu dem oder jedem Oberflächenelement Si vorhanden ist, so dass alle jeden Punkt R der Gussoberfläche Sm mit dem Punkt C verbindenden Strecken D nur innerhalb des Blocks (11) verlaufen, und dass die Gesamtfläche des oder der Oberflächenelemente Si mindestens 10 % der Gussoberfläche Sm entspricht.
Block nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtfläche des oder der Oberflächenelemente Si . mindestens 15 % der Gussoberfläche Sm entspricht.
Block nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtfläche des oder der Oberflächenelemente Si mindestens 20 % der Gussoberfläche Sm entspricht.
Block nach irgendeinem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Oberflächenelement Si um einen Winkel α_i in Bezug auf die Rohoberfläche Sb des Blocks geneigt ist.
Block nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel α_i kleiner als 30° und vorzugsweise kleiner als 20° ist.
Block nach irgendeinem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass er eine gerade Zahl von Oberflächenelementen Si aufweist.
Block nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass er zwei Oberflächenelemente Si aufweist.
Block nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Oberflächenelemente Si aneinander grenzen.
Block nach irgendeinem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Hauptachse A und eine Symmetrieebene B senkrecht zu seiner Hauptachse A besitzt und dass der Punkt C in der Symmetrieebene B liegt.
Verwendung der Kokille nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9 für die Herstellung von Blöcken aus Metall.
Verwendung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall ein Nichteisenmetall ist.
Verwendung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Nichteisenmetall unter Aluminium, Aluminiumlegierungen, Magnesium, Magnesiumlegierungen, Zink und Zinklegierungen gewählt ist.
Verfahren zur Herstellung von Blöcken aus Metall, bei dem ein Volumen Vo von flüssigem Metall in eine Kokille nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9 gegossen wird, die Kokille einem Kühlmittelfluss aussetzt wird und der Block nach Abkühlung und Erstarrung des Metalls herausgenommen wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall ein Nichteisenmetall ist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Nichteisenmetall unter Aluminium, Aluminiumlegierungen, Magnesium, Magnesiumlegierungen, Zink und Zinklegierungen gewählt wird.