DE602006000811T2

DE602006000811T2 - Ausgussdüsenstruktur und Verfahren zum steigenden Gießen

Info

Publication number: DE602006000811T2
Application number: DE200660000811
Authority: DE
Inventors: Shinichiro Satte-shi Yokoya; Pär Jönsson; Line Hallgren
Original assignee: Krosaki Harima Corp
Current assignee: Krosaki Harima Corp
Priority date: 2005-08-30
Filing date: 2006-08-29
Publication date: 2008-07-03
Anticipated expiration: 2026-08-30
Also published as: EP1759789A1; DE602006000811D1; EP1759789B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Gießrohraufbau und ein Gießverfahren zur Verwendung in einem Bodengießvorgang, der so gestaltet ist, daß Metallschmelze in eine Kokille aus einem in einem unteren Abschnitt der Kokille gebildeten Einguß eingefüllt/gegossen wird, um einen Metallblock herzustellen. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Gießrohraufbau, der zum Fluidtransport zu einem in einem unteren Abschnitt einer Kokille gebildeten Einguß geeignet ist, sowie ein den Gießrohraufbau verwendendes Gießverfahren.
Als Gießvorgang zur Herstellung von Metallblöcken ist eine Technik zum Gießen von Metallschmelze in eine Kokille sowie Abkühlen/Erstarren der Metallschmelze bekannt.
Allgemein klassifiziert man diesen Gießvorgang als Bodengießvorgang (steigender oder statisch steigender Gießvorgang) oder Kopfgießvorgang (fallender oder statisch fallender Gießvorgang). Von diesen ist der Bodengießvorgang so gestaltet, daß ein Gießrohr, das geeignet ist, den Metallschmelzendurchgang zu ermöglichen, mit einem in einem unteren Abschnitt einer Kokille gebildeten Einguß (einer Öffnung) in Fluidverbindung steht, und Metallschmelze in einem Metallschmelzen-Überführungsbehälter, z. B. einer Pfanne, aus dem Einguß, d. h. aus dem unteren Abschnitt der Kokille, durch das Gießrohr in die Kokille eingefüllt/gegossen wird.
11 ist eine senkrechte Schnittansicht eines herkömmlichen Gießrohrs für den Bodengießvorgang. Gemäß 11 ist ein Gießrohr 1 mit einem Einguß 6 verbunden, der in einem Boden einer Kokille 5 gebildet ist, und Metallschmelze wird aus dem Einguß 6 in die Kokille 5 eingefüllt/gegossen, wäh rend sie einen Raum oder Strömungskanal 2 durchläuft, der im Inneren des Gießrohrs 1 gebildet ist. Bisher wird normalerweise ein zylinderförmiges Rohr mit annähernd konstantem Innendurchmesser als Gießrohr 1 verwendet.
In einem Vorgang zum Einfüllen/Gießen von Metallschmelze in die Kokille 5 durch das herkömmliche zylinderförmige Gießrohr 1 ist insbesondere in dessen Anfangsstadium eine Geschwindigkeit (Energie) in steigender oder Aufwärtsrichtung, d. h. in Axialrichtung des Gießrohrs 1, an einem Abschluß- oder oberen Ende des Gießrohrs 1 relativ hoch. Dadurch bildet die gegossene Metallschmelze eine Strömung, die die Oberfläche von zuvor eingeflossener Metallschmelze 7 in der Kokille 5 lokal anhebt und die Metallschmelze 7 heftig durchwirbelt, während sie Schlacke oder Antioxidationsmittel (Pulver) [im folgenden gemeinsam "Schlacken" genannt] mitreißt, die auf der Oberfläche der Metallschmelze 7 schwimmen, und die Schlacken über die gesamte Metallschmelze in der Kokille dispergiert/suspendiert. Somit bewirken die in die Metallschmelze 7 eingetragenen Schlacken eine Qualitätsbeeinträchtigung von Metallblöcken. Außerdem werden im lokal angehobenen Bereich die Schlacken 8 beiseite gedrückt, was einen Bereich bildet, in dem die Metallschmelze nach außen freiliegt, ein sogenanntes "offenes Auge" 9 (siehe 11), was negative Auswirkungen hat, z. B. Oxidation der Metallschmelze.
Erwarten läßt sich, daß vor Abkühlung/Erstarrung nach dem Gießen in die Kokille eine bestimmte Menge von Schlacken und nichtmetallischen Einschlüssen, die Qualitätsbeeinträchtigung von Metallblöcken verursacht, wieder zur Oberfläche der Metallschmelze aufschwimmt, was eine Menge von Stoffen reduziert, die in die Metallschmelze als ursächlicher Faktor für Qualitätsbeeinträchtigung eingetragen werden. Allerdings ist die Entfernungswirkung auf die ursächlichen Stoffe auf der Grundlage des Wiederaufschwimmens zur Oberfläche der Me tallschmelze verringert, wenn die Metallschmelze eine stärkere Strömung in der Kokille hat.
Als Maßnahmen gegen dieses Problem offenbart z. B. die JP-A-09-239494 (Patentveröffentlichung 1) eine Technik zum Stabilisieren der Oberfläche von Metallschmelze in einer Kokille (im folgenden "Metallschmelzenoberfläche" genannt). Insbesondere ist ein bei dieser Technik verwendetes Gießrohr so gestaltet, daß ein Innendurchmesserverhältnis eines oberen Endes zu einem Hauptkanal eines Zulaufs (Gießrohrs) auf mindestens 1,1 festgelegt ist und der Innendurchmesser in steigender oder Aufwärtsrichtung allmählich so zunimmt, daß er einen invers konischen Kanalabschnitt mit einer auf das 0,2- bis 2,0-fache des Innendurchmessers des oberen Endes festgelegten Länge bildet, um so einen Gießdruck von Metallschmelze zu verteilen, damit eine Aufwärtseinfüllgeschwindigkeit oder eine Strömungsgeschwindigkeit in einem axialen Mittelbereich der Metallschmelze reduziert wird.
Übersteigt bei dieser Technik ein invers konischer Winkel oder Öffnungswinkel (im folgenden "θ") des Innendurchmessers des invers konischen Kanalabschnitts des Gießrohrs in der Umgebung des Eingusses etwa 12°, wird eine wirbelartige Strömung mit einer Abwärtsströmung entgegengesetzt zur axialen Aufwärtsrichtung des Gießrohrs erzeugt, d. h. es kommt zu einem sogenannten "Strömungsabriß" in der Umgebung des Eingusses, insbesondere in der Umgebung einer Wandfläche des invers konischen Kanalabschnitts, obwohl ein Teil der Metallschmelze in einer anderen Richtung als einer Aufwärtsrichtung verteilt wird. Dies erschwert, die Aufwärtsströmungsgeschwindigkeit im axialen Mittelbereich der Metallschmelze ausreichend zu reduzieren oder eine zufriedenstellende Wirkung zu erhalten, die zur Lösung des o. g. Problems erforderlich ist.
Beim Bodengießen kommt kein solcher Behälter wie eine Zwischenpfanne zum Gebrauch in einem Stranggießvorgang zum Einsatz, die ermöglicht, daß nichtmetallische Einschlüsse, z. B. Aluminiumoxid, vor dem Gießen von Metallschmelze in eine Kokille wieder aufschwimmen. Dadurch strömen die meisten solcher nichtmetallischer Einschlüsse, die über die Metallschmelze dispergiert sind, direkt in eine Kokille. Kaum zu erwarten ist, daß die mikroskopischen nichtmetallischen Einschlüsse wieder aufschwimmen, und sie bleiben mit großer Wahrscheinlichkeit in einem dispergierten Zustand in einem Metallblock und bewirken dessen Qualitätsbeeinträchtigung.
Eine Tauchdüse, die mit einer Erzeugungseinrichtung für Wirbelströmungen versehen ist und beim Stranggießen zum Einsatz kommt, ist z. B. aus der JP-A-04-74820 und EP-A-1025933 bekannt.
In einem Bodengießvorgang von Metallschmelze besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, eine Metallschmelzenoberfläche in einer Kokille beim Gießen zu stabilisieren, ohne eine Gießgeschwindigkeit zu senken, um so Oxidation der Metallschmelze infolge von Bildung eines "offenen Auges" zu unterdrücken und die Menge von Schlacken und nichtmetallischen Einschlüssen zu reduzieren, die im Metall dispergiert werden und eine Qualitätsbeeinträchtigung von Metallblöcken verursachen. Dadurch ergibt sich eine erhöhte Qualität von Metallblöcken.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung einen Gießrohraufbau zum Gebrauch in einem Bodengießvorgang bereit, der so gestaltet ist, daß er Metallschmelze in eine Kokille aus einem im unteren Abschnitt der Kokille liegenden Einguß einfüllt. Der Gießrohraufbau verfügt über ein Gießrohr, das im Inneren einen Strömungskanal für Metallschmelze bildet, um für Fluidtransport zwischen einem Metallschmelzen-Überführungsbehälter und dem Einguß zu sorgen und Metallschmelze aus dem Metallschmelzen-Überführungsbehälter der Kokille zuzuführen, sowie eine einzelne oder mehrere Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtungen, die im Gießrohr angeordnet und geeignet sind, eine Wirbelströmung in der Metallschmelze zu erzeugen.
Ferner stellt die Erfindung ein Gießverfahren für einen Bodengießvorgang bereit, der so gestaltet ist, daß er Metallschmelze in eine Kokille aus einem in einem unteren Abschnitt der Kokille gebildeten Einguß einfüllt. Das Gießverfahren weist auf: Erzeugen einer Wirbelströmung in Metallschmelze, die ein Gießrohr durchläuft, das im Inneren einen Strömungskanal für Metallschmelze bildet, um für Fluidtransport zwischen einem Metallschmelzen-Überführungsbehälter und dem Einguß zu sorgen und Metallschmelze aus dem Metallschmelzen-Überführungsbehälter der Kokille zuzuführen.
Der Gießrohraufbau der Erfindung, der eine Wirbelströmung in Metallschmelze erzeugen kann, die das Gießrohr durchläuft, kann die im folgenden dargestellten Wirkungen erreichen.

1. Eine Aufwärtsströmungsgeschwindigkeit von Metallschmelze in einem oberen Ende des Gießrohrs ist verringert, und die aus dem Einguß in die Kokille gegossene Metallschmelze wird durch eine Zentrifugalkraft infolge der Wirbelströmung verteilt. Dies ermöglicht, Schwankungen einer Metallschmelzenoberfläche zu minimieren, d. h. die Metallschmelzenoberfläche zu stabilisieren, um so das Auftreten einer Erscheinung drastisch zu reduzieren, bei der. die Metallschmelzenoberfläche in einem Mittelbereich einer Kokille angehoben wird, um die Bildung eines "offenen Auges" zu unterdrücken.
2. Zusätzlich werden Schlacken auf der Metallschmelzenoberfläche kaum in der Metallschmelze dispergiert. Somit kann die Menge von Schlacken, die als Einschlüsse im Metall dispergiert und über die Metallschmelze verteilt sind, reduziert werden, was für eine erhöhte Qualität von Metallblöcken sorgt.
3. Die Stabilisierung der Metallschmelzenoberfläche ermöglicht, die in der Metallschmelze dispergierte Schlackenmenge zu reduzieren und die Gefahr zu minimieren, daß ein als Antioxidationsmittel wirkendes Gießpulver, das auf die Me tallschmelzenoberfläche zugegeben wird, um einen Umfangsbereich der Metallschmelzenoberfläche ungleichmäßig angeordnet wird, wodurch eine erforderliche Menge von Antioxidationsmittel drastisch reduziert werden kann.

Vorzugsweise beträgt in einer Metallschmelzenströmung nach Durchlaufen der Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung ein Verhältnis (W/V) einer Umfangsgeschwindigkeit (W) in Umfangsrichtung des Eingusses zu einer Geschwindigkeit (V) in Axialrichtung des Gießrohrs, d. h. eine Drall- bzw. Wirbelzahl, mindestens 0,13 am Einguß (in einer Ausführungsform der Erfindung gemäß 2 ein stromaufwärtsseitiges oder unteres Ende eines invers konischen Kanalabschnitts). Liegt die Wirbelzahl unter 0,13, läßt sich fast keine Wirkung der Zentrifugalkraft der Wirbelströmung erhalten.
Im folgenden werden repräsentative spezifische Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
In einer ersten spezifischen Ausführungsform der Erfindung im Zusammenhang mit dem o. g. Gießrohraufbau zum Gebrauch in einem Bodengießvorgang, der so gestaltet ist, daß er Metallschmelze in eine Kokille aus einem in einem unteren Abschnitt der Kokille gebildeten Einguß einfüllt, hat das Gießrohr, das im Inneren einen Strömungskanal für Metallschmelze bildet, um für Fluidtransport zwischen einem Metallschmelzen-Überführungsbehälter und dem Einguß zu sorgen und Metallschmelze aus dem Metallschmelzen-Überführungsbehälter der Kokille zuzuführen, über die gesamte Länge des Strömungskanals folgendes: einen annähernd senkrechten Kanalabschnitt, der sich von unmittelbar unter dem Einguß in annähernd senkrechter Abwärtsrichtung erstreckt, einen annähernd waagerechten Kanalabschnitt, der sich in annähernd waagerechter Richtung erstreckt, und einen gebogenen Kanalabschnitt, der einen Übergang vom annähernd senkrechten Kanalabschnitt zum annähernd waagerechten Kanalabschnitt bildet. Mindestens eine der Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtungen liegt an einer belie bigen Position im annähernd waagerechten Kanalabschnitt auf einer Stromaufwärtsseite des gebogenen Kanalabschnitts.
Dieser Gießrohraufbau, der so gestaltet ist, daß er eine Wirbelströmung in Metallschmelze erzeugt, die das Gießrohr durchläuft, kann durch die Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung, die im annähernd waagerechten Kanalabschnitt auf einer Stromaufwärtsseite des unter dem Einguß liegenden gebogenen Kanalabschnitts liegt, die folgende Wirkung zusätzlich zu den o. g. Wirkungen der Erfindung erreichen: Nach Durchlaufen der Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung strömt die Metallschmelze wirbelnd über einen vorgegebenen Abstand zwischen der Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung und dem im unteren Abschnitt der Kokille gebildeten Einguß, und in dieser Zeitspanne können Qualitätsbeeinträchtigung verursachende nichtmetallische Einschlüsse um eine Rohrachse (die Mitte des Strömungskanals) des Gießrohrs konzentriert werden, um Dispersion der nichtmetallischen Einschlüsse über die Metallschmelze in der Kokille zu reduzieren.
In der ersten spezifischen Ausführungsform ist es notwendig, die Position und Anzahl der Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtungen im Gießrohr in Abhängigkeit von Ist-Bedingungen der Gießausrüstung, Metallschmelzeneigenschaften, Gießgeschwindigkeit usw. geeignet einzustellen. Die nachfolgende Beschreibung beruht auf einem Beispiel, in dem die Metallschmelze eine Stahlschmelze mit einer Temperatur von etwa 1600°C ist, die Gießgeschwindigkeit etwa 1,3 t/min beträgt, und ein Innendurchmesser des Gießrohrs etwa 50 mm beträgt.
Vorzugsweise liegt mindestens eine der Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtungen an einer Position auf einer Stromaufwärtsseite des gebogenen Kanalabschnitts des Gießrohrs und möglicherweise näher daran, an der der annähernd senkrechte Kanalabschnitt, der sich von unmittelbar unter dem Einguß senkrecht nach unten erstreckt, zum annähernd waagerechten Kanalabschnitt wechselt, um eine Wirbelströmung in der Me tallschmelze zu erzeugen, damit die Metallschmelze mit der Wirbelströmung in die Kokille eingefüllt werden kann.
Im folgenden wird der Grund dafür beschrieben. Hat der gebogene Kanalabschnitt des Gießrohrs einen Krümmungsradius R von höchstens etwa 100 mm, wird bei Erzeugung einer Wirbelströmung in der Metallschmelze durch die Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung auf der Stromaufwärtsseite des gebogenen Kanalabschnitts und anschließendem Durchlaufen der Metallschmelze durch den gebogenen Kanalabschnitt die Wirbelströmung leicht abgeschwächt oder gestört. Somit ist erforderlich, die Wirbelströmung den gebogenen Kanalabschnitt gut organisiert und ungestört durchlaufen zu lassen, um so das Auftreten der Abschwächung und Turbulenz zu minimieren. Dazu ist bevorzugt, daß die Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung in der Umgebung des gebogenen Kanalabschnitts liegt, insbesondere an einer Position, die vom gebogenen Kanalabschnitt höchstens 1500 mm entfernt stromaufwärts liegt. Dies ermöglicht, eine Wirbelzahl von mindestens 0,13 am Einguß zu gewährleisten, um so die Stabilität auf einer Metallschmelzenoberfläche zu wahren.
Ist der Abstand zwischen der Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung und dem Einguß auf die o. g. Weise auf einen vorgegebenen Wert festgelegt, lassen sich nichtmetallische Einschlüsse, z. B. Aluminiumoxid, mit einer spezifischen Dichte unter der der Metallschmelze um die Rohrachse (Mitte des Strömungskanals) des Gießrohrs durch eine Zentrifugalwirkung der Wirbelströmung der das Gießrohr durchströmenden Metallschmelze konzentrieren.
Die um die Rohrachse (Mitte des Strömungskanals) konzentrierten nichtmetallischen Einschlüsse werden mit hoher Wahrscheinlichkeit miteinander in Kontakt gebracht, um so durch Aggregation oder Zusammenlagerung durch Verschmelzung vergrößert zu werden. Im Vergleich mit den ursprünglichen mikroskopischen nichtmetallischen Einschlüssen, die über ei nen breiteren Bereich der Metallschmelze vorhanden sind, erfahren die vergrößerten oder zusammengelagerten nichtmetallischen Einschlüsse eine größere Auftriebskraft, was die Konzentration um die Rohrachse (Mitte des Strömungskanals) beim Strömen im Gießrohr weiter erleichtert. Verglichen mit den ursprünglichen mikroskopischen nichtmetallischen Einschlüssen erfahren ferner die vergrößerten oder zusammengelagerten nichtmetallischen Einschlüsse nach Freisetzung aus dem Einguß auch eine größere Auftriebskraft, wodurch sie eine größere Aufwärtsströmungsgeschwindigkeit haben, was das Aufschwimmen beschleunigt. Somit werden die nichtmetallischen Einschlüsse kaum in einem breiten Bereich der Metallschmelze in der Kokille dispergiert und lassen sich von der Metallschmelze leicht trennen. Dies vereinfacht, die Absorption der nichtmetallischen Einschlüsse in Pulver o. ä. auf der Metallschmelzenoberfläche zu erleichtern, um so die Dispersion über einen zu erhaltenden Metallblock weiter zu verringern.
Im Hinblick auf das ausreichende Erhalten der o. g. Mittenanordnungs-, Vergrößerungs- und Zusammenlagerungswirkung nichtmetallischer Einschlüsse auf der Grundlage der Zentrifugalwirkung ist bevorzugt, daß die Wirbelströmung im Bereich von mindestens 1000 mm vom gebogenen Kanalabschnitt in Stromaufwärtsrichtung beibehalten bleibt, d. h. daß mindestens eine der Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtungen an einer Position in mindestens 1000 mm Abstand stromaufwärts vom gebogenen Kanalabschnitt liegt.
Der Grund dafür ist folgender: Durchläuft eine Metallschmelzenströmung, die nichtmetallische Einschlüsse enthält, die um die Rohrachse (Mitte des Strömungskanals) des Gießrohrs nicht ausreichend konzentriert wurden, den gebogenen Kanalabschnitt, werden die nichtmetallischen Einschlüsse über die Metallschmelze auf einer Stromabwärtsseite des gebogenen Kanalabschnitts leicht erneut dispergiert.
Somit ist es mit Blick auf die Erfüllung sowohl der Erzeugungs- oder Erhaltungswirkung einer Wirbelströmung nach Freisetzen aus dem Einguß in die Kokille als auch der Trennwirkung nichtmetallischer Einschlüsse auf der Grundlage der Zentrifugalwirkung bevorzugt, daß mindestens eine der Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtungen im annähernd waagerechten Kanalabschnitt des Gießrohrs an einer Position im Bereich von 1000 mm bis 1500 mm vom gebogenen Kanalabschnitt in Stromaufwärtsrichtung liegt.
Zusätzlich zur o. g. oder ersten Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung kann mindestens eine zweite der Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtungen an einer beliebigen Position auf einer Stromaufwärts- oder Stromabwärtsseite der ersten Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung liegen. In diesem Fall können die Position und Anzahl der zweiten Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtungen unter Berücksichtigung der o. g. Forderung bestimmt werden, eine Wirbelzahl von mindestens 0,13 am Einguß zu erhalten.
Vorzugsweise wird eine als verdrehtes Band geformte bzw. drehbandartige Strömungssteuerplatte als jede der Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtungen verwendet. Alternativ kann jede andere geeignete Konfiguration mit einer Funktion zum Erzeugen einer Wirbelströmung zum Einsatz kommen. Beispielsweise kann die Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung eine Spiral- oder Schneckenrille oder -vorwölbung sein, die in/auf einer Innenwand des Gießrohrs gebildet ist, oder ein plattenförmiges Rillenteil, das innerhalb des Gießrohrs anzuordnen ist.
Die drehbandartige Konfiguration bezeichnet eine schneckenartige Konfiguration, die zu erhalten ist durch Positionieren einer flachen Platte in Parallelbeziehung zu einer Metallschmelzen-Strömungsrichtung (Axialrichtung des Gießrohrs) und anschließendes Verdrehen einer von entgegengesetzten Kanten der flachen Platte, die sich in senkrechter Richtung zur Metallschmelzen-Strömungsrichtung erstreckt, in senkrechter Richtung zur Metallschmelzen-Strömungsrichtung, während die andere Kante der flachen Platte fixiert ist. Vorzugsweise hat die drehbandartige Konfiguration einen Verdrehungs- bzw. Drehwinkel im Bereich von 30° bis 180°. Liegt der Drehwinkel unter 30°, wird die Umfangsgeschwindigkeit der Wirbelströmung übermäßig verringert, was Schwierigkeiten beim Erhalten der beabsichtigten Wirkung der Wirbelströmung verursacht. Übersteigt der Drehwinkel 180°, hat die Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung eine übermäßig große Länge, und in der Metallschmelze enthaltene Einschlüsse lagern sich leicht unerwünscht an die Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung an.
Die Wirbelzahl und der Drehwinkel werden jeweils in Abhängigkeit von den Maßen, der Konfiguration, dem Mechanismus und/oder den Betriebsbedingungen der Gießausrüstung variiert. Somit ist es notwendig, sie auf Optimalwerte festzulegen, während ein Zustand der Metallschmelzenoberfläche beobachtet wird.
In einer zweiten spezifischen Ausführungsform der Erfindung ist das mit der Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung wie in der ersten spezifischen Ausführungsform versehene Gießrohr mit einem invers konischen Kanalabschnitt mit einem zum Einguß allmählich zunehmenden Innendurchmesser an einem oberen Ende davon auf der Seite des Eingusses ausgebildet, damit Metallschmelze mit einer Wirbelströmung durch ihn in die Kokille gegossen werden kann. Das heißt, im Gießrohraufbau der Erfindung hat das Gießrohr ein oberes Ende auf der Seite des Eingusses, und das obere Ende ist mit einem invers konischen Kanalabschnitt mit einem Innendurchmesser ausgebildet, der zum Einguß allmählich zunimmt.
In diesem mit dem invers konischen Kanalabschnitt gebildeten Gießrohr wird eine Strömung entlang einer Innenfläche des invers konischen Kanalabschnitts durch die Zentrifugalwirkung der Wirbelströmung erzeugt, die durch die Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung zustande kommt. Insbesondere wird die Metallschmelze in Radialrichtung des Gießrohrs allmählich expandiert, um zusätzlich eine Strömung entlang der Innenfläche des invers konischen Kanalabschnitts zu erzeugen, während eine Zentrifugalkraft erhalten bleibt, ohne daß sogenannter "Strömungsabriß" infolge von senkrechten wirbelartigen Strömungen auftritt, die durch die Aufwärtsströmung erzeugt werden, und dann aus dem Einguß freigesetzt. Dies ermöglicht, eine Aufwärtseinfüllgeschwindigkeit stark zu reduzieren, ohne eine Gießgeschwindigkeit zu senken.
Vorzugsweise ist ein Verhältnis eines Innendurchmessers (D1) des oberen Endes zu einem Innendurchmesser (D2) eines unteren Endes des invers konischen Kanalabschnitts, d. h. ein Innendurchmesserverhältnis (D1/D2) im Bereich von 1,36 bis 6 festgelegt. Liegt das Innendurchmesserverhältnis unter 1,36, kann die Verringerungswirkung auf die Aufwärtseinfüllgeschwindigkeit in Axialrichtung des Gießrohrs im invers konischen Kanalabschnitt nicht ausreichend erhalten werden. Übersteigt das Innendurchmesserverhältnis 6, wird die Umfangsgeschwindigkeit der durch die Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung erzeugten Wirbelströmung übermäßig gesenkt, was die Gefahren einer Beeinträchtigung der Zentrifugalkraft der Wirbelströmung und einer Schwankung um den Umfangsbereich der Metallschmelzenoberfläche verursacht. Im Hinblick auf die Stabilisierung der Metallschmelzenoberfläche ist das Innendurchmesserverhältnis vorzugsweise auf höchstens 4,2 festgelegt.
Ein invers konischer Winkel oder Öffnungswinkel des invers konischen Kanalabschnitts ist vorzugsweise im Bereich von etwa 6° bis 120°, stärker bevorzugt auf höchstens etwa 90° festgelegt. Liegt der Öffnungswinkel unter 6°, läßt sich die Senkungswirkung auf die Aufwärtseinfüllgeschwindigkeit in Axialrichtung des Gießrohrs im invers konischen Kanalabschnitt nicht ausreichend erhalten. Übersteigt der Öffnungswinkel 120°, wird die Umfangsgeschwindigkeit der durch die Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung erzeugten Wirbelströmung übermäßig gesenkt, was die Gefahren einer Beeinträchtigung der Zentrifugalkraft der Wirbelströmung und einer Schwankung um den Umfangsbereich der Metallschmelzenoberfläche verursacht. Im Hinblick auf die Stabilisierung der Metallschmelzenoberfläche ist der Öffnungswinkel vorzugsweise auf höchstens 50° festgelegt.
Um der durch die Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung erzeugten Wirbelströmung zu ermöglichen, weiter störungsfrei zu strömen, während das Auftreten von Turbulenz vor dem Einfüllen aus dem Einguß in die Kokille minimiert wird, sind eine Umgebung eines Schnittpunkts (Meßpunkte von D2) zwischen dem invers konischen Kanalabschnitt und einem nicht konischen Kanalabschnitt auf der Seite des oberen Endes des Gießrohrs sowie eine Umgebung eines Schnittpunkts (Meßpunkte von D1) zwischen einer Bodenfläche der Kokille und dem invers konischen Kanalabschnitt vorzugsweise in einer glatten Form mit einem bestimmten Radius R oder einer Übergangskrümmung statt einer scharfen Biegung oder kantigen Form ausgebildet. Ferner ist die Innenfläche des invers konischen Kanalabschnitts vorzugsweise in einer glatten flachen oder gekrümmten Form ausgebildet.
Das o. g. Innendurchmesserverhältnis und der Öffnungswinkel des invers konischen Kanalabschnitts werden jeweils in Abhängigkeit von den Maßen, der Konfiguration, dem Mechanismus und/oder den Betriebsbedingungen der Gießausrüstung variiert. Somit ist es notwendig, sie auf Optimalwerte festzulegen, während ein Zustand der Metallschmelzenoberfläche beobachtet wird.
In einer dritten spezifischen Ausführungsform der Erfindung wird Gas aus der Umgebung der wie in der ersten oder zweiten spezifischen Ausführungsform beschriebenen Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung eingeblasen, um Gasblasen über eine Wirbelströmung von Metallschmelze im Gießrohr zu sätzlich zu dispergieren. Das heißt, im Gießrohraufbau der Erfindung weist das Gießrohr einen Gaseinblasanschluß in Fluidverbindung mit einem Bereich des Strömungskanals auf, der mit mindestens einer der Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtungen versehen ist.
Durch die Gasblasen, die über die Wirbelströmung von Metallschmelze zusätzlich dispergiert werden, können nichtmetallische Einschlüsse in der Metallschmelze eingefangen werden, um die Wirkung auf die Konzentration der nichtmetallischen Einschlüsse um die Rohrachse (Mitte des Strömungskanals) und die Vergrößerung/Zusammenlagerung der nichtmetallischen Einschlüsse weiter zu verstärken. Erreicht wird diese Wirkung durch den folgenden Mechanismus: Die Gasblasen selbst können nichtmetallische Einschlüsse wirksam aufnehmen, die über die Metallschmelze dispergiert sind. Zudem ist eine Differenz der spezifischen Dichte zwischen den Gasblasen und der Metallschmelze viel größer als die zwischen den nichtmetallischen Einschlüssen und der Metallschmelze, weshalb die Zentrifugalwirkung der Wirbelströmung die Gasblasen stärker beeinflußt als die nichtmetallischen Einschlüsse. Diese stärke re Zentrifugalwirkung erzeugt eine Gasblasenströmung zur Rohrachse (Mitte des Strömungskanals), was die Gasblasen um die Rohrachse (Mitte des Strömungskanals) weiter konzentriert (siehe 8). Diese ermöglichen, die Mittenanordnungs-, Vergrößerungs- und Zusammenlagerungswirkung auf die nichtmetallischen Einschlüsse weiter zu verstärken und erhöhen zusätzlich die Wirkung auf das Aufschwimmen der nichtmetallischen Einschlüsse in der Kokille und das Einfangen der aufgeschwommenen nichtmetallischen Einschlüsse durch das Gießpulver o. ä..
Vorzugsweise wird das Gas an einer Position benachbart zur Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung und stromabwärts davon eingeblasen, insbesondere an einer Stromabwärtskante der Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung oder zwischen der Stromabwärtskante und einer Position, die einen Abstand von 100 mm von der Stromabwärtskante in Abwärtsrichtung hat. Der Grund dafür ist folgender: Die Gasblasen werden zur Rohrachse (Mitte des Strömungskanals) durch die Wirbelströmung konzentriert, was einen Luftblasenvorhang als filmförmiges Gasblasenaggregat erzeugt, das auf einem Weg der Gasblasen gebildet wird, die sich zur Rohrachse (Mitte des Strömungskanals) wirbelnd bewegen. Beim Einblasen des Gases, bevor die Wirbelströmung eine Abschwächung beginnt, wird der Luftblasenvorhang schnell stabilisiert, was eine verstärkte Einfangwirkung auf die metallischen Einschlüsse hat. Wird das Gas an einer Position eingeblasen, die von der Stromabwärtskante der Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung einen Abstand über die o. g. Obergrenze von 100 mm hinaus hat, reduziert sich eine Distanz übermäßig, auf der die Gasblasen in der Wirbelströmung vorhanden sein können, wodurch sich die Gasblasenwirkung auf das Einfangen der nichtmetallischen Einschlüsse, Konzentrieren der nichtmetallischen Einschlüsse um die Rohrachse (Mitte des Strömungskanals) und Vergrößern/Zusammenlagern der nichtmetallischen Einschlüsse beeinträchtigt. Außerdem wird das Gas an einer Position eingeblasen, an der die Wirbelströmung relativ schwach ist, wodurch die Wirbelströmung leicht zerstört wird.
Vorzugsweise wird das Gas vom gesamten Umfang des Gießrohrs möglichst gleichmäßig eingeblasen. Dies ist wie folgt begründet: Beim Einblasen des Gases von einem breiteren Bereich des Gießrohrs kann die Größe der Gasblasen verkleinert werden, damit eine Kontaktfläche mit der Metallschmelze größer wird und sie mit der Metallschmelze mit größerer Häufigkeit in Kontakt kommen. Dadurch können die Gasblasen Gelegenheit haben, einen breiteren Bereich der Metallschmelze zu durchlaufen, d. h. eine höhere Wahrscheinlichkeit für den Kontakt mit nichtmetallischen Einschlüssen zu haben, die über die Metallschmelze dispergiert sind, um so eine verstärkte Einfangwirkung auf nichtmetallische Einschlüsse zu erreichen.
In der dritten spezifischen Ausführungsform ermöglichen die Gasblasen, die nichtmetallischen Einschlüsse effektiver und schneller einzufangen. Während also in der dritten spezifischen Ausführungsform der Abstand zwischen dem gebogenen Kanalabschnitt und der Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung (Stromabwärtskante der Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung) nicht unbedingt auf mindestens 1000 mm wie in der Beschreibung der ersten spezifischen Ausführungsform ohne das Gaseinblasen festgelegt ist, ist aber bevorzugt zu gewährleisten, ihn auf mindestens 150 mm festzulegen.
Somit ist im Hinblick auf die Erfüllung sowohl der Wirkung auf die Erzeugung oder Wahrung einer Wirbelströmung nach Freisetzung aus dem Einguß in die Kokille als auch der Wirkung auf die Trennung nichtmetallischer Einschlüsse auf der Grundlage der Zentrifugalwirkung bevorzugt, daß mindestens eine der Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtungen im annähernd waagerechten Kanalabschnitt des Gießrohrs an einer Position im Bereich von 150 mm bis 1500 mm vom gebogenen Kanalabschnitt in Stromaufwärtsrichtung liegt.
Vorzugsweise wird Inertgas ohne chemischen Einfluß auf die Metallschmelze, z. B. eine Oxidationsreaktion, als einzublasendes Gas verwendet. Beispielsweise ist unter den Bedingungen, daß eine Gießgeschwindigkeit im Bereich von 0,4 bis 1,8 Tonnen/min und eine Metallschmelzengeschwindigkeit im Gießrohr im Bereich von 0,5 bis 2 m/s liegt, ein einzublasendes Gasvolumen vorzugsweise im Bereich von 0,0003 bis 0,002 Nm³/min angesichts einer Maximierung der Gasblasenwirkung bei Wahrung der Wirbelströmung festgelegt. Liegt das Gasvolumen unter 0,0003 Nm³/min, läßt sich nahezu keine Einfangwirkung auf nichtmetallische Einschlüsse auf der Grundlage des eingeblasenen Gases erhalten. Übersteigt das Gasvolumen 0,002 Nm³/min, hat die das Gießrohr durchströmende Me tallschmelze eine übermäßig niedrige Dichte, was Instabilität in der Metallschmelzenströmung und die Gefahr von Verstopfung des Gießrohrs infolge von Abkühlung in einigen Fällen verursacht.
In einer vierten spezifischen Ausführungsform der Erfindung ist mit dem Gießrohraufbau weiter beabsichtigt, eine stabile Wirbelströmung in der Metallschmelze innerhalb des Gießrohrs verglichen mit der ersten spezifischen Ausführungsform zu erzeugen. Insbesondere hat im Gießrohraufbau zum Gebrauch in einem Bodengießvorgang, der so gestaltet ist, daß er Metallschmelze in eine Kokille aus einem in einem unteren Abschnitt der Kokille gebildeten Einguß einfüllt, das Gießrohr, das im Inneren einen Strömungskanal für Metallschmelze bildet, um für Fluidtransport zwischen einem Metallschmelzen-Überführungsbehälter und dem Einguß zu sorgen und Metallschmelze aus dem Metallschmelzen-Überführungsbehälter der Kokille zuzuführen, über die gesamte Länge des Strömungskanals folgendes: einen annähernd senkrechten Kanalabschnitt, der sich von unmittelbar unter dem Einguß in annähernd senkrechter Abwärtsrichtung erstreckt, einen annähernd waagerechten Kanalabschnitt, der sich in annähernd waagerechter Richtung erstreckt, und einen gebogenen Kanalabschnitt, der einen Übergang vom annähernd senkrechten Kanalabschnitt zum annähernd waagerechten Kanalabschnitt bildet. Mindestens eine erste von Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtungen liegt an einer beliebigen Position im annähernd waagerechten Kanalabschnitt auf einer Stromaufwärtsseite des gebogenen Kanalabschnitts, und mindestens eine zweite der Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtungen liegt an einer beliebigen Position im annähernd senkrechten Kanalabschnitt auf einer Stromabwärtsseite des gebogenen Kanalabschnitts.
In der vierten spezifischen Ausführungsform liegt mindestens eine erste der Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtungen an einer beliebigen Position im annähernd waagerechten Kanalabschnitt wie in der ersten spezifischen Ausführungsform, und optional liegen eine oder mehrere der Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtungen auf der Stromaufwärtsseite der ersten Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung. Zusätzlich liegt mindestens eine zweite der Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtungen, die an einer beliebigen Position im annähernd senkrechten Kanalabschnitt liegt, der sich von unterhalb des Eingusses senkrecht nach unten erstreckt, auf der Stromabwärtsseite der ersten Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung, um eine Wirbelströmung in der Metallschmelze innerhalb des Gießrohrs weiter stabil zu erzeugen, so daß die Metallschmelze mit der stabilen Wirbelströmung in die Kokille gegossen werden kann.
In Fällen, in denen die Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung nur im annähernd waagerechten Kanalabschnitt liegt, wird eine erzeugte Wirbelströmung beim Gießen in die Kokille infolge von starker Abschwächung schwach, die durch Durchlaufen des gebogenen Kanalabschnitts auf der Stromabwärtsseite der Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung verursacht wird, und die zweite Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung mit der gleichen Konfiguration wie in der ersten spezifischen Ausführungsform kann auch im annähernd senkrechten Kanalabschnitt wirksam angeordnet sein, der sich von unterhalb des Eingusses senkrecht erstreckt.
Eine spezifische Konfiguration und Funktion/Wirkung der zweiten Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung sind die gleichen wie die der in der ersten spezifischen Ausführungsform beschriebenen Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung. Der Grad der Wirbelströmung beim Gießen in die Kokille läßt sich fallweise in Abhängigkeit von Ist-Bedingungen der Gießausrüstung, einer Gießgeschwindigkeit, Metallschmelzeneigenschaften usw. sowie unter Berücksichtigung der o. g. Forderung spezifisch bestimmen, die Wirbelströmung eine Wirbelzahl von mindestens 0,13 beim Gießen in die Kokille haben zu lassen. Jeweilige Konfigurationen und Positionen der ersten und zweiten Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung können so eingestellt sein, daß die o. g. Bedingungen und diese Forderung erfüllt sind.
In einer fünften spezifischen Ausführungsform der Erfindung ist das mit den mehreren Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtungen wie in der vierten Ausführungsform versehene Gießrohr mit einem invers konischen Kanalabschnitt mit einem zum Einguß allmählich zunehmenden Innendurchmesser in einem oberen Ende davon auf der Seite des Eingusses ausgebildet.
Wie in der zweiten spezifischen Ausführungsform wird in der fünften spezifischen Ausführungsform auf der Grundlage des invers konischen Kanalabschnitts eine Strömung entlang einer Innenfläche des invers konischen Kanalabschnitts durch eine Zentrifugalkraft der Wirbelströmung erzeugt, die durch die Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung zustande kommt. Insbesondere wird die Metallschmelze aus dem Einguß eingefüllt, nachdem ihre Wirbelströmung so expandiert ist, daß sie entlang der Innenfläche des invers konischen Kanalabschnitts strömt, während die Zentrifugalkraft störungsfrei beibehalten bleibt, ohne daß der sogenannte "Strömungsabriß" auftritt. Dies ermöglicht, eine Aufwärtseinfüllgeschwindigkeit so zu verteilen, daß sie um die Mitte des Strömungskanals in seitlicher Richtung der Kokille konzentriert ist, um so die Aufwärtseinfüllgeschwindigkeit stark zu reduzieren, ohne die Gießgeschwindigkeit zu senken. Die Bedingungen, z. B. Form, dieses invers konischen Kanalabschnitts sind die gleichen wie in der zweiten spezifischen Ausführungsform.
In einer sechsten spezifischen Ausführungsform der Erfindung wird Gas in einer Umgebung jeder der mehreren Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtungen wie in der vierten spezifischen Ausführungsform eingeblasen, um Gasblasen über die Metallschmelze im Gießrohr zu dispergieren und die Metallschmelze mit den Gasblasen in die Kokille gießen zu lassen.
Wie in der dritten spezifischen Ausführungsform ermöglichen die in der sechsten spezifischen Ausführungsform über die Wirbelströmung der Metallschmelze dispergierten Gasblasen, die Gasblasenwirkung auf das Einfangen der nichtmetallischen Einschlüsse, Konzentrieren der nichtmetallischen Einschlüsse um die Rohrachse (Mitte des Strömungskanals) und Vergrößern/Zusammenlagern der nichtmetallischen Einschlüsse weiter zu verstärken. Zusätzlich können die Gasblasen, die eine größere Auftriebskraft als die nichtmetallischen Einschlüsse erfahren, die Aufschwimmwirkung der nichtmetallischen Einschlüsse in der Metallschmelzenströmung nach Freisetzung aus dem Einguß in die Kokille beschleunigen.
Wie in der dritten spezifischen Ausführungsform wird das Gas vorzugsweise an einer Position benachbart zu der am weitesten stromaufwärts liegenden Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung und stromabwärts davon sowie vom gesamten Umfang des Gießrohrs eingeblasen. Grund dafür ist, daß zusätzlich zu dem in der dritten spezifischen Ausführungsform beschriebenen Grund die sechste Ausführungsform primär dazu bestimmt ist, für eine Kompensationsfunktion zu sorgen, wenn die Funktion/Wirkung des Gießrohraufbaus gemäß der dritten spezifischen Ausführungsform nicht ausreicht.
Der Gaseinblasanschluß kann in der Umgebung jeder der mehreren Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtungen vorgesehen sein. In diesem Fall läßt sich die gleiche Wirkung wie beim Gießrohraufbau erhalten, der so gestaltet ist, daß er das Gas nur an einer Position benachbart zu der am weitesten stromaufwärts liegenden Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung und stromabwärts davon einbläst.
Wird die Wirbelströmung beim Gießen in die Kokille infolge von starker Abschwächung schwach, die durch Durchlaufen des gebogenen Kanalabschnitts auf der Stromabwärtsseite des annähernd waagerechten Kanalabschnitts verursacht wird, oder nehmen die eingeblasenen Gasblasen in ihrer Größe zu und wer den ungleichmäßig verteilt, ist bevorzugt, das Gasvolumen zu reduzieren, das in der Umgebung der im annähernd senkrechten Kanalabschnitt liegenden Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung einzublasen ist, vergleicht man es mit dem Gießrohraufbau,. der so gestaltet ist, daß er das Gas an einer einzelnen Position einbläst. Im Gießrohraufbau mit den mehreren Gaseinblasanschlüssen wird das Gesamtvolumen von einzublasendem Gas leicht übermäßig erhöht, was Schwierigkeiten beim Erhalten der Wirkung auf die Bildung einer erwünschten Wirbelströmung im Gegensatz zum beabsichtigten Zweck verursacht. Somit ist bevorzugt, ein Verhältnis zwischen jeweiligen Gasvolumina aus den mehreren Gaseinblasanschlüssen so einzustellen, daß das einzublasende Gesamtgasvolumen in Abhängigkeit von der Anzahl von Gaseinblaspositionen an einer Änderung gehindert wird. Das optimale Verhältnis kann in Abhängigkeit von Ist-Bedingungen der Gießausrüstung, einer Gießgeschwindigkeit, Metallschmelzeneigenschaften, einer beabsichtigten Qualität von Metallblöcken usw. auf fallweiser Grundlage bestimmt werden.
In der sechsten spezifischen Ausführungsform können der Grad der Wirbelströmung beim Gießen in die Kokille und der Grad der Gasverteilung in Abhängigkeit von Ist-Bedingungen der Gießausrüstung, Gießgeschwindigkeit, Metallschmelzeneigenschaften, einer beabsichtigten Qualität von Metallblöcken usw. sowie unter Berücksichtigung der o. g. Forderung fallweise spezifisch bestimmt werden, so daß die Wirbelströmung eine Wirbelzahl von mindestens 0,13 beim Gießen in die Kokille haben kann. Jeweilige Konfigurationen und Positionen der mehreren Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtungen können so eingestellt sein, daß die o. g. Bedingungen und diese Forderung erfüllt sind.
Vorzugsweise wird Inertgas ohne chemischen Einfluß auf die Metallschmelze, z. B. Oxidationsreaktion, als einzublasendes Gas verwendet. Beispielsweise ist unter den Bedingungen, daß eine Gießgeschwindigkeit im Bereich von 0,4 bis 1,8 Tonnen/min und eine Metallschmelzengeschwindigkeit im Gießrohr im Bereich von 0,5 bis 2 m/s liegt, das einzublasende Gesamtgasvolumen angesichts des Ausgleichs zwischen Maximierung der Gasblasenwirkung und Beibehaltung der Wirbelströmung vorzugsweise im Bereich von etwa 0,0003 bis 0,002 Nm³/min festgelegt.
In den o. g. spezifischen Ausführungsformen der Erfindung können jeweilige Merkmale der ersten bis dritten spezifischen Ausführungsform alle gemeinsam realisiert sein, um für eine weiter verstärkte Wirkung auf die Reduzierung nichtmetallischer Einschlüsse, die in der Metallschmelze in der Kokille enthalten sind, und eine weiter erhöhte Blockqualität im Vergleich mit den Fällen zu sorgen, in denen die Merkmale einzeln realisiert sind.
Ferner können die vierte bis sechste spezifische Ausführungsform, in denen mindestens eine der Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtungen sowohl im annähernd senkrechten Kanalabschnitt als auch im annähernd waagerechten Kanalabschnitt liegt, alle gemeinsam realisiert sein, um für eine weiter verstärkte Wirkung auf die Reduzierung nichtmetallischer Einschlüsse, die in der Metallschmelze in der Kokille enthalten sind, und eine weiter erhöhte Blockqualität im Vergleich mit den Fällen zu sorgen, in denen die Merkmale einzeln realisiert sind. Zu beachten ist, daß die vierte bis sechste spezifische Ausführungsform jeweils dazu bestimmt sind, für eine Kompensationsfunktion zu sorgen, wenn die Funktion/Wirkung der Gießrohraufbauten gemäß der ersten bis dritten spezifischen Ausführungsform infolge des gebogenen Kanalabschnitts auf der Stromabwärtsseite der am weitesten stromabwärts liegenden Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung usw. nicht ausreichen, und daher nicht unbedingt realisiert sind, wenn die Funktion/Wirkung in den Gießrohraufbauten gemäß der ersten bis dritten spezifischen Ausführungsform ausreichend erhalten werden kann.
In einer siebenten spezifischen Ausführungsform der Erfindung im Zusammenhang mit dem Gießrohraufbau zum Gebrauch in einem Bodengießvorgang, der so gestaltet ist, daß er Metallschmelze in eine Kokille aus einem in einem unteren Abschnitt der Kokille gebildeten Einguß einfüllt, liegt die Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung zum Erzeugen einer Wirbelströmung in der Metallschmelze im Gießrohr, das im Inneren einen Strömungskanal für Metallschmelze bildet, um für Fluidtransport zwischen einem Metallschmelzen-Überführungsbehälter und dem Einguß zu sorgen und Metallschmelze aus dem Metallschmelzen Überführungsbehälter der Kokille zuzuführen, an einer Position benachbart zum Einguß.
In der siebenten spezifischen Ausführungsform wird eine Wirbelströmung in der Umgebung des Eingusses durch die Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung erzeugt, die im Gießrohr an einer Position benachbart zum Einguß liegt. Dadurch wird eine Aufwärtsströmungsgeschwindigkeit der aus dem Einguß eingefüllten Metallschmelze verringert, und die Metallschmelze wird auf der Grundlage einer durch die Wirbelströmung erzeugten Zentrifugalkraft verteilt, um so Schwankung einer Metallschmelzenoberfläche zu reduzieren und die Metallschmelzenoberfläche zu stabilisieren, damit die Erscheinung wirksam unterdrückt wird, daß die Metallschmelzenoberfläche lokal angehoben wird, d. h. die Bildung eines "offenen Auges". Zusätzlich läßt sich eine Schlackenmenge auf der Metallschmelzenoberfläche reduzieren, die in der Metallschmelze aufgenommen wird. Dies ermöglicht, Mischung und Dispersion von Schlacken als Einschlüsse in der Metallschmelze zu reduzieren, um so für erhöhte Qualität von Metallblöcken zu sorgen. Ferner ermöglicht die Stabilisierung der Metallschmelzenoberfläche, in der Metallschmelze dispergierte Schlacken zu reduzieren und die Gefahr zu senken, daß ein als Antioxidationsmittel wirkendes Gießpulver, das auf die Metallschmelzenoberfläche zugegeben wurde, um einen Umfangsbereich der Metallschmelzen oberfläche ungleichmäßig angeordnet wird, wodurch eine erforderliche Menge von Antioxidationsmittel drastisch reduziert werden kann.
In der siebenten Ausführungsform können der Grad der Wirbelströmung beim Gießen in die Kokille und der Grad der Gasverteilung in Abhängigkeit von Ist-Bedingungen der Gießausrüstung, Gießgeschwindigkeit, Metallschmelzeneigenschaften, beabsichtigten Qualität von Metallblöcken usw. sowie unter Berücksichtigung der o. g. Forderung fallweise spezifisch bestimmt werden, so daß die Wirbelströmung eine Wirbelzahl von mindestens 0,13 beim Gießen in die Kokille haben kann. Die Konfiguration und Positionierung der Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung können so eingestellt sein, daß die o. g. Bedingungen und diese Forderung erfüllt sind.
In einer achten spezifischen Ausführungsform der Erfindung ist das Gießrohr, das mit der Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung versehen ist, die benachbart zum Einguß wie in der siebenten spezifischen Ausführungsform liegt, mit einem invers konischen Kanalabschnitt mit einem zum Einguß allmählich zunehmenden Innendurchmesser an einem oberen Ende davon auf der Seite des Eingusses wie in der zweiten und fünften spezifischen Ausführungsform ausgebildet. In diesem Fall liegt die Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung in einem Stromaufwärtsbereich des invers konischen Kanalabschnitts.
Wie in der zweiten und fünften spezifischen Ausführungsform wird in der achten spezifischen Ausführungsform auf der Grundlage des invers konischen Kanalabschnitts eine Strömung entlang einer Innenfläche des invers konischen Kanalabschnitts durch eine Zentrifugalkraft der Wirbelströmung erzeugt, die durch die Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung zustande kommt. Insbesondere wird die Metallschmelze aus dem Einguß eingefüllt, nachdem ihre Wirbelströmung so expandiert ist, daß sie entlang der Innenfläche des invers konischen Kanalabschnitts strömt, während die Zentrifugalkraft störungs frei beibehalten bleibt, ohne daß der sogenannte "Strömungsabriß" auftritt. Dies ermöglicht, eine Aufwärtseinfüllgeschwindigkeit so zu verteilen, daß sie um die Mitte des Strömungskanals in seitlicher Richtung der Kokille konzentriert ist, um so die Aufwärtseinfüllgeschwindigkeit stark zu reduzieren, ohne die Gießgeschwindigkeit zu senken. Die Bedingungen, z. B. die Form dieses invers konischen Kanalabschnitts, sind die gleichen wie in der zweiten und fünften spezifischen Ausführungsform.
In einer neunten spezifischen Ausführungsform der Erfindung wird Gas in einer Umgebung der benachbart zum Einguß liegenden Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung wie in der siebenten spezifischen Ausführungsform eingeblasen, um Gasblasen über die Metallschmelze im Gießrohr zu dispergieren und die Metallschmelze mit den Gasblasen in die Kokille gießen zu lassen.
Wie in der dritten und sechsten spezifischen Ausführungsform ermöglichen die in der neunten spezifischen Ausführungsform über die Wirbelströmung der Metallschmelze dispergierten Gasblasen, die Gasblasenwirkung auf das Einfangen der nichtmetallischen Einschlüsse, Konzentrieren der nichtmetallischen Einschlüsse um die Rohrachse (Mitte des Strömungskanals) und Vergrößern/Zusammenlagern der nichtmetallischen Einschlüsse weiter zu verstärken. Zusätzlich können die Gasblasen, die eine größere Auftriebskraft als die nichtmetallischen Einschlüsse erfahren, die Aufschwimmwirkung der nichtmetallischen Einschlüsse in der Metallschmelzenströmung nach Freisetzung aus dem Einguß in die Kokille beschleunigen.
Vorzugsweise wird das Gas an einer Position benachbart zur Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung und stromabwärts davon sowie vom gesamten Umfang des Gießrohrs eingeblasen. Der Grund dafür ist mit dem in der dritten spezifischen Ausführungsform beschriebenen identisch.
In der neunten spezifischen Ausführungsform können der Grad der Wirbelströmung beim Gießen in die Kokille und der Grad der Gasverteilung in Abhängigkeit von Ist-Bedingungen der Gießausrüstung, Gießgeschwindigkeit, Metallschmelzeneigenschaften, beabsichtigten Qualität von Metallblöcken usw. sowie unter Berücksichtigung der o. g. Forderung fallweise spezifische bestimmt werden, so daß die Wirbelströmung eine Wirbelzahl von mindestens 0,13 beim Gießen in die Kokille haben kann. Die Konfiguration und Positionierung der Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung können so eingestellt sein, daß die o. g. Bedingungen und diese Forderung erfüllt sind.
Vorzugsweise wird Inertgas ohne chemischen Einfluß auf die Metallschmelze, z. B. Oxidationsreaktion, als einzublasendes Gas verwendet. Beispielsweise ist unter den Bedingungen, daß eine Gießgeschwindigkeit im Bereich von 0,4 bis 1,8 Tonnen/min und eine Metallschmelzengeschwindigkeit im Gießrohr im Bereich von 0,5 bis 2 m/s liegt, ein einzublasendes Gesamtgasvolumen angesichts des Ausgleichs zwischen Maximierung der Gasblasenwirkung und Beibehaltung der Wirbelströmung vorzugsweise im Bereich von 0,0003 bis 0,002 Nm³/min festgelegt.
In der Erfindung ist der Strömungskanal im Gießrohr nicht auf eine spezifische Schnittform in senkrechter Richtung zur Metallschmelzen-Strömungsrichtung beschränkt. Im Hinblick auf eine Erleichterung der Wirbelströmungsbildung, Unterdrückung der Abschwächung der Wirbelströmung, Beseitigung eines Strömungsstagnation verursachenden Abschnitts und Erleichterung der Mittenanordnung nichtmetallischer Einschlüsse ohne ungleichmäßige Verteilung ist die Schnittform des Strömungskanals vorzugsweise in einer Form ohne eine Ecke mit einem bestimmten Radius R, stärker bevorzugt in einer Kreisform ausgebildet.
Wie zuvor beschrieben, sorgt die Erfindung für die im folgenden dargestellten Wirkungen.

1. Eine Aufwärtseinfüllgeschwindigkeit von Metallschmelze, die in die Kokille gegossen wird, kann drastisch reduziert werden, ohne eine Gießgeschwindigkeit zu senken. Dies ermöglicht eine Stabilisierung einer Metallschmelzenoberfläche, um eine Menge von nichtmetallischen Einschlüssen und Schlacken, die sich aus Antioxidationsmittel zusammensetzen und in die Metallschmelze aufgenommen werden, sowie ihre Dispersion über die Metallschmelze zu reduzieren, während die Bildung eines "offenen Auges" unterdrückt wird, um Oxidation der Metallschmelze zu verhindern.
2. Zusätzlich ermöglicht die Dispersionsverringerung nichtmetallischer Einschlüsse, die Qualitätsbeeinträchtigung von Metallblöcken verursachen, eine erhöhte Qualität von Metallblöcken zu erreichen.
3. Weiterhin kann die Kontakthäufigkeit zwischen nichtmetallischen Einschlüssen und einer Innenwand des Gießrohrs beim Zuführen von Metallschmelze reduziert werden, um Verschleißschäden der Innenwand des Gießrohrs infolge von Ablation und chemischer Korrosion zu unterdrücken, damit eine stabile Metallschmelzenströmung gewahrt bleibt und für erhöhte Haltbarkeit eines Materials des Gießrohrs gesorgt ist.
4. Der herkömmliche Gießrohraufbau, der nur den invers konischen Kanalabschnitt im Gießrohr hat, konnte die Stabilisierungswirkung auf eine Metallschmelzenoberfläche nur dann ausreichend erhalten, wenn der Öffnungswinkel in einem relativ engen Bereich von höchstens etwa 12° festgelegt war. Dagegen kann erfindungsgemäß der Öffnungswinkelbereich verglichen mit dem herkömmlichen Gießrohraufbau drastisch erhöht sein, um einem breiten Bereich von Betriebsbedingungen Rechnung zu tragen. Dadurch kann ein Innendurchmesser des in einem Feuerfestteil gebildeten Eingusses verkleinert sein, um erhöhte Haltbarkeit des Feuerfestteils zu erreichen und Me tall in die Kokille gießen zu lassen, während eine stabile Metallschmelzenoberfläche über eine lange Zeitspanne gewahrt bleibt.
5. Auch in Fällen, in denen der annähernd senkrechte Kanalabschnitt oder die Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung nicht in einem Abschnitt des Gießrohrs gebildet/angeordnet werden kann, der in einem Raum zwischen dem Boden der Kokille und der Ausrüstung oder dem Erdboden darunter liegt, weil der Raum eng ist, kann die Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung im annähernd waagerechten Kanalabschnitt liegen, um die o. g. Wirkungen 1 bis 4 zu erhalten.

Anhand der Zeichnungen wird nunmehr eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
1 zeigt eine Kokille und einen Teil eines Gießrohraufbaus gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in der Umgebung der Kokille, wobei 1(a) eine allgemeine senkrechte Schnittansicht ist und 1(b) eine vergrößerte senkrechte Schnittansicht eines Teils des Gießrohraufbaus in der Umgebung einer Strömungssteuerplatte 3H ist.
2 ist eine vergrößerte senkrechte Schnittansicht eines invers konischen Abschnitts und eines Eingusses. in 1;
3 zeigt ein Beispiel für die Strömungssteuerplatte, wobei 3(a) eine Vorderansicht ist (wobei ein Drehwinkel (θs) einen beliebigen Wert hat) und 3(b) eine Seitenansicht ist (wobei der Drehwinkel (θs) 180° beträgt);
4 ist eine Draufsicht auf ein weiteres Beispiel für die Strömungssteuerplatte;
5 ist eine senkrechte Schnittansicht eines Gießrohraufbaus gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
6 ist eine Fotografie eines Teilstücks einer Wasseroberfläche in einem Wassermodellversuch im BEISPIEL I (Erfindungsbeispiel (6) in Tabelle 1);
7 ist eine Fotografie eines Teilstücks einer Wasseroberfläche in einem Wassermodellversuch im BEISPIEL I (Vergleichsbeispiel (1) in Tabelle 1);
8 ist eine Fotografie eines Gießrohrs in einem Zustand, in dem nur Luft in eine Wirbelwasserströmung in einer Wassermodell-Versuchsvorrichtung im BEISPIEL I mit Hilfe des Gießrohrs der Erfindung eingeblasen wird;
9 ist eine Fotografie eines Teilstücks einer Wasseroberfläche in einem Wassermodellversuch im BEISPIEL III (Erfindungsbeispiel (23) in Tabelle 2);
10 ist eine Fotografie eines Teilstücks einer Wasseroberfläche in einem Wassermodellversuch im BEISPIEL III (Vergleichsbeispiel (3) in Tabelle 2); und
11 ist eine senkrechte Schnittansicht eines herkömmlichen Gießrohrs für den Bodengießvorgang.
Gemäß 1 ist ein Gießrohr 1 mit einem Einguß 6 verbunden, der in einem Boden einer Kokille 5 gebildet ist. Metallschmelze wird durch einen Raum oder Strömungskanal 2 nach oben geführt, der im Inneren des Gießrohrs 1 gebildet ist, und aus dem Einguß 6 in die Kokille 5 eingefüllt/gegossen.
Das Gießrohr 1 hat einen annähernd senkrechten Kanalabschnitt 1A, der sich von unmittelbar unter dem Einguß 6 der Kokille 5 in annähernd senkrechter Abwärtsrichtung erstreckt, einen annähernd waagerechten Kanalabschnitt 1B, der sich in annähernd waagerechter Richtung erstreckt, und einen gebogenen Kanalabschnitt 1C, der einen Übergang vom annähernd senkrechten Kanalabschnitt 1A zum annähernd waagerechten Kanalabschnitt 1B vollführt. Die als Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung dienende Strömungssteuerplatte 3H liegt im annähernd waagerechten Kanalabschnitt 1B auf einer Stromaufwärtsseite des gebogenen Kanalabschnitts 1C im Raum 2 an einer Position, die vom gebogenen Kanalabschnitt einen Abstand von etwa 300 mm hat. Ein oberes Ende des Strömungskanals 2 auf einer Stromabwärtsseite des gebogenen Kanalabschnitts 1C (oberes Ende des annähernd senkrechten Kanalabschnitts 1A auf der Stromabwärtsseite des gebogenen Kanalabschnitts 1C) ist als invers konischer Kanalabschnitt 4 mit einem Innendurchmesser ausgebildet, der zum Einguß 6 allmählich zunimmt. Die Strömungssteuerplatte 3H ist so betriebsfähig, daß sie eine Wirbelströmung in der Metallschmelze erzeugt, die den Strömungskanal 2 durchläuft, und ermöglicht der Metallschmelze mit der Wirbelströmung, aus dem Einguß 6 in die Kokille 5 eingefüllt/gegossen zu werden. Das Gießrohr 1 hat mehrere Gaseinblasanschlüsse 10, die in Umfangsrichtung an einer Position unmittelbar stromabwärts von der Strömungssteuerplatte 3H angeordnet sind.
Ferner weist der in 1(a) dargestellte Gießrohraufbau eine Strömungssteuerplatte 3V auf, die im annähernd senkrechten. Kanalabschnitt 1A liegt. Läßt sich aber eine beabsichtigte Wirkung nur durch die Strömungssteuerplatte 3H erzielen, kann die Strömungssteuerplatte 3V entfallen.
2 ist eine vergrößerte senkrechte Schnittansicht des invers konischen Abschnitts in 1. Der invers konische Abschnitt 4 ist in einer invers konischen Form ausgebildet, die einen Innendurchmesser hat, der von einem unteren Ende (Innendurchmesser D2) zu einem oberen Ende (Innendurchmesser D1) allmählich zunimmt, um einen invers konischen Winkel oder Öffnungswinkel (θ) zu bilden, und das obere Ende steht mit dem Einguß 6 in Fluidverbindung.
3 zeigt ein Beispiel für die Strömungssteuerplatte, wobei 3(a) eine Vorderansicht und 3(b) eine Seitenansicht ist. Die Strömungssteuerplatte 3 hat eine schneckenartige Konfiguration, d. h. eine drehbandartige Konfiguration, mit einem Drehwinkel (θs), der mit einem Zustand äquivalent ist, nachdem eine flache Platte parallel zu einer Strömungsrichtung von Metallschmelze im Strömungskanal 2 (Metallschmelzen-Strömungsrichtung) waagerecht positioniert wird und dann eine linke Kante 3a der flachen Platte in senkrechter Richtung zur Metallschmelzen-Strömungsrichtung im Hinblick auf eine rechte Kante 3b der flachen Platte verdreht wird.
4 ist eine Draufsicht auf ein weiteres Beispiel für die Strömungssteuerplatte. Bei dieser Strömungssteuerplatte 3 ist eine Platte mit einer bestimmten Dicke in Metallschmelzen-Strömungsrichtung mit mehreren Nuten 3d, die jeweils von einem Außenumfang zu einem Mittelbereich von ihr etwas geneigt sind, und einem kreisförmigen Raum 3p gebildet, der im Mittelbereich gebildet ist, zu dem die Nuten 3d zusammenlaufen. Diese Nuten 3d sind so betriebsfähig, daß sie durchlaufenden Metallschmelzen eine Umfangsgeschwindigkeit verleihen und die Metallschmelzen zum Mittelbereich bewegen, während die Umfangsgeschwindigkeit erhöht wird, um so eine Wirbelströmung zu bilden, die gegen den Uhrzeigersinn wirbelt.
5 ist eine senkrechte Schnittansicht_. eines Gießrohraufbaus gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Gemäß 5 ist ein Gießrohr 1 mit einem Einguß 6 verbunden, der in einem Boden einer Kokille 5 gebildet ist. Metallschmelze wird durch einen Raum oder Strömungskanal 2 nach oben geführt, der im Inneren des Gießrohrs 1 gebildet ist, und aus dem Einguß 6 in die Kokille 5 eingefüllt/gegossen.
Bei diesem Gießrohraufbau liegt eine als Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung dienende Strömungssteuerplatte 3 im Strömungskanal 2 an einer Position benachbart zum Einguß 6, und ein oberes Ende des Strömungskanals 2 auf einer Stromabwärtsseite der Strömungssteuerplatte 3 (oberes Ende des Gießrohrs 1) ist als ein invers konischer Kanalabschnitt 4 mit einem Innendurchmesser ausgebildet, der zum Einguß 6 allmählich zunimmt. Die Strömungssteuerplatte 3 ist so betriebsfähig, daß sie eine Wirbelströmung in der Metallschmelze erzeugt, die den Strömungskanal 2 durchläuft, und ermöglicht der Metallschmelze mit der Wirbelströmung, aus dem Einguß 6 in die Kokille 5 eingefüllt/gegossen zu werden. Der invers konische Kanalabschnitt und die Strömungssteuerplatte 3 haben jeweils den gleichen Aufbau wie in 2 und 3.
Der folgende Versuch wurde mit Hilfe von Gießrohraufbauten durchgeführt, die die o. g. Merkmale der Erfindung als Erfindungsbeispiele hatten.
BEISPIEL I
Geprüft wurden gemäß einem Versuch auf der Grundlage von numerischer Simulation und Wassermodellsimulation jeweilige Einflüsse einer Position der Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung, des invers konischen Abschnitts und des Gaseinblasens auf die Stabilität einer Wasseroberfläche, die als Äquivalent der Metallschmelzenoberfläche diente, und die Anzahl organischer Teilchen, die als Äquivalent von Einschlüssen dienten.
In diesem Versuch war ein als Gießrohr gemäß 1 verwendetes Rohr mit einem gebogenen Abschnitt (gebogenen Kanalabschnitt) mit einem Krümmungsradius von etwa 120 mm ausgebildet, und eine als Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung dienende einzelne Strömungssteuerplatte lag im annähernd waagerechten Abschnitt (annähernd waagerechten Kanalabschnitt) des Rohrs an einer Position, die vom gebogenen Abschnitt einen Abstand von etwa 150 mm bis etwa 1000 mm in Stromaufwärtsrichtung hatte. Die drehbandartige Strömungssteuerplatte gemäß 3 wurde als Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung verwendet. Eine Axiallänge (L) und ein Drehwinkel (θs) der Strömungssteuerplatte waren im Bereich von 30 bis 120 mm bzw. im Bereich von 30° bis 180° festgelegt.
Ein invers konischer Abschnitt (invers konischer Kanalabschnitt) war im Rohr an einer Position ausgebildet, die dem oberen Ende des Gießrohrs entsprach. Ein Öffnungswinkel (θ) und ein Innendurchmesserverhältnis (D1/D2) eines oberen Endes (D1) zu einem unteren Ende (D2) des invers konischen Abschnitts wurden auf verschiedene Weise geändert.
Zwölf Löcher, die jeweils 0,5 mm Durchmesser hatten und als Gaseinblasanschlüsse dienten, waren im Rohr an einer Position benachbart zu einer Stromabwärtskante der Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung gebildet und in Umfangsrichtung des Rohrs in gleichen Abständen angeordnet, um Luft einzublasen, während ein Gesamtvolumen der Luft geändert wurde. Eine Strömungsgeschwindigkeit des Wassers kurz vor Durchlaufen der Strömungssteuerplatte war im Bereich von 0,7 bis 1,5 m/s festgelegt.
In diesem Versuch wurde eine Drall- bzw. Wirbelzahl sowohl anhand eines numerischen Berechnungsergebnisses als auch eines Meßergebnisses für die Strömungsgeschwindigkeit erhalten, wobei ein Laser-Strömungsmesser in einer Wassermodell-Versuchsvorrichtung verwendet wurde. Eine Einteilung des Zustands des "offenen Auges" in mehrere Stufen erfolgte durch Prüfen eines Zustands der Wasseroberfläche auf der Grundlage von Sichtbeobachtung und eines Videobilds und Klassifizieren einer Kombination aus einem sensorischen Bewertungsergebnis anhand der Sichtbeobachtung und einem Meßwert anhand des Videobilds.
Die als nichtmetallische Einschlüsse verwendeten organischen Teilchen hatten einen Durchmesser von etwa 1 mm und eine spezifische Dichte von etwa 0,8, und ein wasserabweisendes Mittel war zur Beschichtung ihrer Oberflächen aufgespritzt, um ihre Wasserbenetzbarkeit zu senken. Gemessen wurde die Anzahl von Restteilchen in einem als Kokillenäquivalent verwendeten Behälter durch Freisetzen der organischen Teilchen in Wasser aus einem Wasserzufuhranschluß mit einer Rate von 200 Teilchen/min und Messen des Verhaltens von Teilchen, die als Pulveräquivalent auf der Metallschmelzenoberfläche dienten, und den aus einem Einguß des Behälters eingefüllten organischen Teilchen im Behälter mit Hilfe eines Videobilds. Jeweilige Strömungswege der Teilchen (Einschlüsse). und Gasblasen im Wasser innerhalb des Rohrs wurden durch numerische analy tische Simulation abgeschätzt. Das Ergebnis dieses Versuchs wurde durch einen Relativindex auf der Grundlage von 100 als Darstellung eines Vergleichsbeispielwerts (Vergleichsbeispiel (1) in Tabelle 1) dargestellt, der auf dem herkömmlichen Gießrohraufbau basierte.
Tabelle 1 zeigt das o. g. Ergebnis. 6 ist eine Fotografie eines Teilstücks einer Wasseroberfläche im Wassermodellversuch für das Erfindungsbeispiel (6) in Tabelle 1, und 7 ist eine Fotografie eines Teilstücks einer Wasseroberfläche im Wassermodellversuch für das Vergleichsbeispiel (1) in Tabelle 1.
Unter den Erfindungsbeispielen, die den Gießrohraufbau der Erfindung verwenden, um eine Wirbelströmung durch die Strömungssteuerplatte zu erzeugen, wurde selbst im Erfindungsbeispiel (1) in Tabelle 1, bei dem der Öffnungswinkel (θ) des invers konischen Kanalabschnitts 0° (null Grad) beträgt, das Innendurchmesserverhältnis (D1/D2) 1,0 beträgt, und die Wirbelzahl (W/V) im Bereich von 0,13 bis 1,0 liegt, d. h. sogar dann, wenn eine Wirbelströmung mit Hilfe eines Gießrohraufbaus ohne invers konischen Kanalabschnitt in einem oberen Ende eines Strömungskanals davon erzeugt wird, die Wirkung auf die Reduzierung des "offenen Auges" und die Stabilisierung der Metallschmelzenoberfläche beobachtet.
Wurde gemäß den Erfindungsbeispielen (2) bis (4), bei denen das obere Ende des Strömungskanals im Gießrohr als invers konischer Kanalabschnitt ausgebildet ist, der Öffnungswinkel (θ) auf 16,8° erhöht und das Innendurchmesserverhältnis (D1/D2) auf 2,0 gesteigert, war die Metallschmelzenoberfläche stärker stabilisiert, wenn der Öffnungswinkel und/oder das Innendurchmesserverhältnis erhöht wurden. Gemäß den Erfindungsbeispielen (5) bis (8) war die Metallschmelzenoberfläche extrem stabilisiert, wenn der Öffnungswinkel (θ) auf 50° erhöht und das Innendurchmesserverhältnis (D1/D2) auf 4,2 gesteigert wurde. Während gemäß dem Erfindungsbeispiel (9) die Metallschmelzenoberfläche fast ohne "offenes Auge" und "freiliegendem Oberflächenbereich in der Metallschmelzenoberfläche (im folgenden "freiliegender Oberflächenbereich" genannt)" stabilisiert war, wurde bei Erhöhung des Öffnungswinkels (6) auf 90° und Steigerung des Innendurchmesserverhältnisses (D1/D2) auf 6 eine geringfügige Turbulenz in einem Umfangsbereich davon beobachtet.
Im Vergleichsbeispiel (1) in Tabelle 1, bei dem der Öffnungswinkel (θ) 0° beträgt, das Innendurchmesserverhältnis (D1/D2) 1,0 beträgt, und die Wirbelzahl (W/V) null ist, d. h. in dem Fall, in dem keine Wirbelströmung vorliegt (keine Strömungssteuerplatte verwendet wird) und das Gießrohr weder den in seinem oberen Ende gebildeten invers konischen Abschnitt noch den Gaseinblasanschluß hat, wurde ein großes "offenes Auge" infolge einer hohen Aufwärtsströmungsgeschwindigkeit in Axialrichtung des Gießrohrs gebildet, und die Metallschmelzenoberfläche war instabil.
Im Vergleichsbeispiel (2) in Tabelle 1, bei dem der Öffnungswinkel (θ) im Bereich von 12° bis 20° liegt, das Innendurchmesserverhältnis (D1/D2) 1,3 beträgt, und die Wirbelzahl (W/V) null ist, d. h. in dem Fall, in dem der invers konische Kanalabschnitt im oberen Ende des Gießrohrs gebildet ist, aber keine Wirbelströmung vorliegt und das Gießrohr keinen Gaseinblasanschluß hat, wurde ein großes "offenes Auge" infolge einer hohen Aufwärtsströmungsgeschwindigkeit in Axialrichtung des Gießrohrs gebildet, und die Metallschmelzenoberfläche war instabil, obwohl die Anzahl organischer Teilchen als nichtmetallische Einschlüsse in der Kokille gegenüber dem Vergleichsbeispiel (1) etwas reduziert war.
Wie das Versuchsergebnis zeigt, kann bei diesen Versuchsbedingungen die Wirbelzahl (W/V) vorzugsweise im Bereich von 0,13 bis 2,5, stärker bevorzugt im Bereich von 0,3 bis 1,7 festgelegt sein. Der Öffnungswinkel (θ) des invers konischen Kanalabschnitts kann vorzugsweise im Bereich von 6° bis 90° festgelegt sein, und das Innendurchmesserverhältnis (D1/D2) kann vorzugsweise im Bereich von 1,36 bis 6 festgelegt sein. Stärker bevorzugt kann der Öffnungswinkel (θ) des invers konischen Kanalabschnitts im Bereich von 16,8° bis 50° festgelegt sein, und das Innendurchmesserverhältnis (D1/D2) kann im Bereich von 2 bis 4,2 festgelegt sein.
Das Volumen von Luft als einzublasendes Gas in Tabelle 1 ist ein Wert, der auf ein Volumen von Argongas bei einer Gießgeschwindigkeit von etwa 1,3 t/min bei tatsächlicher Gießtechnik umgewandelt ist. Ist gemäß Tabelle 1 dieses fik tive Argongasvolumen auf 0,0003 Nm³/min oder darüber festgelegt, beginnt die Anzahl organischer Restteilchen als nichtmetallische Einschlüsse, erheblich abzunehmen. Beträgt aber das fiktive Argongasvolumen 0,003 Nm³/min, beginnt die Wirbelströmung, gestört zu werden, und die Metallschmelzenoberfläche (Wasseroberfläche) beginnt, destabilisiert zu werden. Somit ist nachgewiesen, daß das einzublasende Argongasvolumen vorzugsweise im Bereich von etwa 0,0003 bis 0,002 Nm³/min festgelegt sein kann.
BEISPIEL II
Ein Gießversuch wurde mit Hilfe einer Gießausrüstung durchgeführt, die den Gießrohraufbau der Erfindung gemäß 5 verwendete.
Bei diesem Versuch wurde eine Stahlschmelze mit einer Temperatur von 1580°C als Metallschmelze verwendet. Die Gießgeschwindigkeit betrug 1,3 t/min, und ein Gießvolumen betrug 10 t. In der Strömungssteuerplatte war die Länge (L) auf 60 mm festgelegt, und der Drehwinkel (θs) war auf 60° festgelegt. Im invers konischen Abschnitt war der Öffnungswinkel (θ) auf 32° festgelegt, und das Innendurchmesserverhältnis (D1/D2) war auf 3 festgelegt.
Als Vergleichsbeispiel wurde ein Gießversuch unter den gleichen Bedingungen wie im vorstehenden BEISPIEL II mit der Ausnahme durchgeführt, daß das herkömmliche Gießrohr, das mit einem Strömungskanal mit im wesentlichen keinem invers konischen Abschnitt oder einem invers konischen Abschnitt mit einem invers konischen Winkel bis 6° gemäß 11 ausgebildet war, als Gießrohr zum Einsatz kam.
Als Ergebnis hatten die Erfindungsbeispiel nahezu kein "offenes Auge"/keinen "freiliegenden Oberflächenbereich", und eine Menge von Antioxidationsmittel, das auf die Metallschmelzenoberfläche zuzugeben war, war auf einen kleinen Wert reduziert. Dagegen wurde im Vergleichsbeispiel ein "offenes Auge" mit etwa 200 mm Durchmesser gebildet.
BEISPIEL III
Berechnet wurden eine mittlere Umfangsgeschwindigkeit (W) nach Durchlaufen der Strömungssteuerplatte, eine mittlere Geschwindigkeit in Axialrichtung des Gießrohrs und eine Strömung in der Kokille sowohl anhand eines numerischen Berechnungsergebnisses als auch anhand eines Meßergebnisses in einer Wassermodell-Versuchsvorrichtung (eine Strömungsgeschwindigkeitsmessung mit Hilfe eines Laser-Strömungsmessers und eine Messung des "offenen Auges" mit Hilfe eines Videobilds), um das folgende Simulationsergebnis zu erhalten.
Geprüft wurden in diesem Versuch eine Wirbelzahl (W/V) einer Metallschmelzenströmung nach Durchlaufen der Strömungssteuerplatte und ein Zustand der Metallschmelzenoberfläche durch verschiedenartiges Ändern eines Öffnungswinkels (θ) und eines Innendurchmesserverhältnisses (D1/D2) eines oberen Endes (D1) zu einem unteren Ende (D2) im invers konischen Abschnitt unter den folgenden Bedingungen: eine Länge (L) der Strömungssteuerplatte betrug 30 bis 60 mm; ein Drehwinkel (θs) der Strömungssteuerplatte betrug 30° bis 120°; eine Strömungsgeschwindigkeit von Wasser vor Durchlaufen der Strömungssteuerplatte betrug 0,7 bis 1,5 m/s.
Tabelle 2 zeigt das Versuchsergebnis. 9 ist eine Fotografie eines Teilstücks des Wassermodellversuchs für das Erfindungsbeispiel (23) in Tabelle 2, und 10 ist eine Fotografie eines Teilstücks des Wassermodellversuchs für das Vergleichsbeispiel (3) in Tabelle 2.
Unter den Erfindungsbeispielen, die den Gießrohraufbau der Erfindung verwenden, um eine Wirbelströmung durch die Strömungssteuerplatte zu erzeugen, wurde selbst im Erfindungsbeispiel (18) in Tabelle 2, bei dem der Öffnungswinkel (θ) des invers konischen Kanalabschnitts 0° (null Grad) beträgt, das Innendurchmesserverhältnis (D1/D2) 1,0 beträgt, und die Wirbelzahl (W/V) im Bereich von 0,13 bis 1,0 liegt, d. h. sogar dann, wenn eine Wirbelströmung mit Hilfe eines Gießrohraufbaus ohne invers konischen Kanalabschnitt in einem oberen Ende eines Strömungskanals davon erzeugt wird, die Wirkung auf die Reduzierung des "offenen Auges" und die Stabilisierung der Metallschmelzenoberfläche beobachtet.
Wurde gemäß den Erfindungsbeispielen (19) bis (21), bei denen das obere Ende des Strömungskanals im Gießrohr als invers konischer Kanalabschnitt ausgebildet ist, der Öffnungswinkel (θ) auf 16,8° erhöht und das Innendurchmesserverhältnis (D1/D2) auf 2,0 gesteigert, war die Metallschmelzenoberfläche stärker stabilisiert, wenn der Öffnungswinkel und/oder das Innendurchmesserverhältnis erhöht wurden. Gemäß den Erfindungsbeispielen (22) bis (25) war die Metallschmelzenoberfläche extrem stabilisiert, wenn der Öffnungswinkel (θ) auf 50° erhöht und das Innendurchmesserverhältnis (D1/D2) auf 4,2 gesteigert war. Während gemäß dem Erfindungsbeispiel (26) die Metallschmelzenoberfläche fast ohne "offenes Auge" und "freiliegenden Oberflächenbereich" stabilisiert war, wurde bei Erhöhung des Öffnungswinkels (θ) auf 90° und Steigerung des Innendurchmesserverhältnisses (D1/D2) auf 6 eine geringfügige Turbulenz in einem Umfangsbereich davon beobachtet.
Im Vergleichsbeispiel (3) in Tabelle 2, bei dem der Öffnungswinkel (θ) im Bereich von 12° bis 20° liegt, das Innendurchmesserverhältnis (D1/D2) im Bereich von 1,0 bis 1,3 liegt, und die Wirbelzahl (W/V) null ist, d. h. in dem Fall, in dem keine Wirbelströmung vorliegt (keine Strömungssteuer platte verwendet wird), wurde ein großes "offenes Auge" infolge einer hohen Aufwärtsströmungsgeschwindigkeit in Axialrichtung des Gießrohrs gebildet, und die Metallschmelzenoberfläche war instabil.
Wie das Versuchsergebnis zeigt, kann bei diesen Versuchsbedingungen die Wirbelzahl (W/V) vorzugsweise im Bereich von 0,13 bis 2,5, stärker bevorzugt im Bereich von 0,3 bis 1,7 festgelegt sein. Der Öffnungswinkel (θ) des invers konischen Kanalabschnitts kann vorzugsweise im Bereich von 6° bis 90° festgelegt sein, und das Innendurchmesserverhältnis (D1/D2) kann vorzugsweise im Bereich von 1,36 bis 6 festgelegt sein. Stärker bevorzugt kann der Öffnungswinkel (θ) des invers konischen Kanalabschnitts im Bereich von 16,8° bis 50° festgelegt sein, und das Innendurchmesserverhältnis (D1/D2) kann im Bereich von 2 bis 4,2 festgelegt sein.
Anwenden läßt sich die Erfindung auf das Gießen von Stahlblöcken auf der Grundlage von Bodengießen von Stahlschmelze und einen Gießbetrieb in eine Kokille zum Bodengießen von Metallguß und jeder anderen Metallschmelze.

Claims

Gießrohrstruktur zum Gebrauch in einem Bodengießvorgang, der so gestaltet ist, daß er Metallschmelze in eine Kokille aus einem in einem unteren Abschnitt der Kokille gebildeten Einguß einfüllt, mit: einem Gießrohr, das im Inneren einen Strömungskanal für Metallschmelze bildet, um für Fluidtransport zwischen einem Metallschmelzen-Überführungsbehälter und dem Einguß zu sorgen und Metallschmelze aus dem Metallschmelzen-Überführungsbehälter der Kokille zuzuführen; und einer einzelnen oder mehreren Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtungen, die im Gießrohr vorgesehen und geeignet sind, eine Wirbelströmung in der Metallschmelze zu erzeugen.
Gießrohrstruktur nach Anspruch 1, wobei: das Gießrohr über die gesamte Länge des Strömungskanals folgendes hat: einen annähernd senkrechten Kanalabschnitt, der sich von unmittelbar unter dem Einguß in annähernd senkrechter Abwärtsrichtung erstreckt, einen annähernd waagerechten Kanalabschnitt, der sich in annähernd waagerechter Richtung erstreckt, und einen gebogenen Kanalabschnitt, der einen Übergang vom annähernd senkrechten Kanalabschnitt zum annähernd waagerechten Kanalabschnitt bildet; und mindestens eine der Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtungen an einer beliebigen Position im annähernd waagerechten Kanalabschnitt auf einer Stromaufwärtsseite des gebogenen Kanalabschnitts liegt.
Gießrohrstruktur nach Anspruch 1, wobei: das Gießrohr über die gesamte Länge des Strömungskanals folgendes hat: einen annähernd senkrechten Kanalabschnitt, der sich von unmittelbar unter dem Einguß in annähernd senkrechter Abwärtsrichtung erstreckt, einen annähernd waagerechten Kanalabschnitt, der sich in annähernd waagerechter Richtung erstreckt, und einen gebogenen Kanalabschnitt, der einen Übergang vom annähernd senkrechten Kanalabschnitt zum annähernd waagerechten Kanalabschnitt bildet; mindestens eine erste der Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtungen an einer beliebigen Position im annähernd waagerechten Kanalabschnitt auf einer Stromaufwärtsseite des gebogenen Kanalabschnitts liegt; und mindestens eine zweite der Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtungen an einer beliebigen Position im annähernd senkrechten Kanalabschnitt auf einer Stromabwärtsseite des gebogenen Kanalabschnitts liegt.
Gießrohrstruktur nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtung im Strömungskanal des Gießrohrs an einer Position benachbart zum Einguß liegt.
Gießrohrstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Gießrohr ein oberes Ende auf der Seite des Eingusses hat, wobei das obere Ende mit einem invers konischen Kanalabschnitt ausgebildet ist, der einen Innendurchmesser hat, der zum Einguß allmählich zunimmt.
Gießrohrstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Gießrohr einen Gaseinblasanschluß in Fluidverbindung mit einem Bereich des Strömungskanals aufweist, der mit mindestens einer der Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtungen versehen ist.
Gießrohrstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei jede der Wirbelströmungs-Erzeugungseinrichtungen aus einer drehbandartigen Strömungssteuerplatte besteht, die in einer schneckenartigen Konfiguration mit einem Drehwinkel ausgebildet ist, der mit einem Zustand äquivalent ist, nachdem eine flache Platte parallel zu einer Metallschmelzen-Strömungsrichtung positioniert und dann eine von entgegengesetzten Kanten der flachen Platte, die sich in senkrechter Richtung zur Metallschmelzen-Strömungsrichtung erstreckt, um einen Winkel im Bereich von 30° bis 180° in senkrechter Richtung zur Metallschmelzen-Strömungsrichtung verdreht wird, während die andere Kante der flachen Platte fixiert ist.
Gießverfahren für einen Bodengießvorgang, der so gestaltet ist, daß er Metallschmelze in eine Kokille aus einem in einem unteren Abschnitt der Kokille gebildeten Einguß einfüllt, mit: Erzeugen einer Wirbelströmung in einer Metallschmelze, die ein Gießrohr durchläuft, das im Inneren einen Strömungskanal für Metallschmelze bildet, um für Fluidtransport zwischen einem Metallschmelzen-Überführungsbehälter und dem Einguß zu sorgen und Metallschmelze aus dem Metallschmelzen-Überführungsbehälter der Kokille zuzuführen.
Gießverfahren nach Anspruch 8, wobei das Gießrohr über die gesamte Länge des Strömungskanals folgendes hat: einen annähernd senkrechten Kanalabschnitt, der sich von unmittelbar unter dem Einguß in annähernd senkrechter Abwärtsrichtung erstreckt, einen annähernd waagerechten Kanalabschnitt, der sich in annähernd waagerechter Rich tung erstreckt, und einen gebogenen Kanalabschnitt, der einen Übergang vom annähernd senkrechten Kanalabschnitt zum annähernd waagerechten Kanalabschnitt bildet, wobei: die Wirbelströmung an einer beliebigen Position im annähernd waagerechten Kanalabschnitt auf einer Stromaufwärtsseite des gebogenen Kanalabschnitts und/oder an einer beliebigen Position im annähernd senkrechten Kanalabschnitt auf einer Stromabwärtsseite des gebogenen Kanalabschnitts erzeugt wird.
Gießverfahren nach Anspruch 8, wobei die Wirbelströmung im Strömungskanal des Gießrohrs an einer Position benachbart zum Einguß erzeugt wird.
Gießverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, das aufweist: allmähliches Expandierenlassen einer Strömung von Metallschmelze, die ein oberes Ende des Gießrohrs auf der Seite des Eingusses durchläuft, in Radialrichtung des Gießrohrs, wenn die Metallschmelze nach oben strömt.
Gießverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, das aufweist: Einmischen von Gasblasen in die Wirbelströmung der Metallschmelze.