DE68913521T2

DE68913521T2 - Verfahren und vorrichtung zum stranggiessen von flüssigem metall.

Info

Publication number: DE68913521T2
Application number: DE68913521T
Authority: DE
Inventors: Edwin Bartlett
Original assignee: Battelle Memorial Institute Inc
Current assignee: Battelle Memorial Institute Inc
Priority date: 1988-03-09
Filing date: 1989-03-08
Publication date: 1994-06-09
Anticipated expiration: 2009-03-09
Also published as: US4819712A; WO1989008515A1; CA1338850C; DE68913521D1; JPH03504107A; EP0403565A1; EP0403565B1

Description

Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Direktgießen eines Strangguß-Metallblechs gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Hintergrund der Erfindung

Bestehende Vorrichtungen und Verfahren zum Strangguß von geschmolzenem Metall verwenden eine Zwischenpfanne zum Abgeben des geschmolzenen Metalls auf eine Stranggußfläche. Die Gießfläche umfaßt üblicherweise einen Zylinder, der sich mit gleichbleibender Geschwindigkeit dreht und sich dicht an der Zwischenpfanne befindet, wodurch geschmolzenes Metall auf die gekühlte Fläche fließt, wo es erstarrt. Während das verfestigte Metallband über die Kuppe des rotierenden Zylinders läuft, beginnt es, sich in Quer- und Längsrichtung zusammenzuziehen, wodurch es sich von der Gießfläche trennt und radial davon ausgeworfen wird. Eine herkömmliche Gießfläche enthält gewöhnlich längs des Umlaufs verlaufende Nuten wegen ihrer günstigen Wärmeübertragungseigenschaften; die Gründe für die Nutenfläche sind wohlbekannt und brauchen nicht erläutert zu werden.
US-A-4715428 offenbart eine Vorrichtung zum Stranggießen eines Metallblechs auf einer Gießfläche, die eine Zwischenpfanne und einen Gießbehälter umfaßt.
Geschmolzenes Metall wird von der Zwischenpfanne über den Gießbehälter, der in solchem Abstand von der Gießfläche angeordnet ist, daß das geschmolzene Metall einen nach unten verlaufenden Gießspiegel zwischen der Gießfläche und dem Gießbehälter bildet, an die Gießfläche abgegeben. Der Gießbehälter umfaßt Mittel zur Strahlungskühlung des geschmolzenen Metalls in einer Zone oberhalb des geschmolzenen Metalls neben der Gießfläche.
In Patent Abstracts of Japan, Band II Nr. 1021987 (JP-A-61- 249649) wird ein Gießausguß zum Direktgießen von geschmolzenem Metall vorgeschlagen, welcher einen Zwischenpfannenteil und einen Ausgußteil umfaßt. Der Ausgußteil ist so geformt, daß er neben einer Gießfläche verläuft, die zur Bewegung von dem Ausgußteil weg eingerichtet ist, und sich unter einem Winkel von nicht mehr als 90º erweitert.
Ein Problem, das mit der bestehenden Vorrichtung besteht, ist der "Hundeknochen"-Effekt. Dieser besteht darin, daß das entstehende Gußband längs verlaufende Aufwölbungen und Rippen an jeder Seitenkante des Bandes enthält. Die Aufwölbung oder erhöhte Stärke des Bandes ist offensichtlich unerwünscht, da das beste Band für die anschließende Bearbeitung ein vollständig flaches Band ist. Die Buckel an den Querseiten des längsverlaufenden Bandes treten als Folge der Wärmeübertragungseigenschaften des rotierenden Zylinders auf.
Wenn ein stationärer Zustand des Gießvorgangs erreicht ist, entzieht der Zylinder dem geschmolzenen Metall mit gleichbleibender Geschwindigkeit Wärme und verteilt die Wärme von allen seinen Flächen im genauen Verhältnis zur Wärmemenge, die dem geschmolzenen Metall entzogen wird. Es ist klar, daß unter der Bedingung des stationären Zustandes der heißeste Teil der zylindrischen Gießfläche an der Peripherie ungefähr zwischen den Seiten des Gußbandes und ungefähr an der Stelle an der Oberfläche liegt, an der der Phasenübergang vom geschmolzenen Metall auf den festen Zustand eintritt. Von dieser Stelle an der Gießfläche verläuft ein Wärmegefälle nach allen Richtungen. Die Teile der zylindrischen Fläche, die die niedrigste Temperatur haben, liegen an den Enden, die das geschmolzene Metall überhaupt nicht berühren. Ein Temperaturprofil entlang der zylindrischen Fläche sieht wie eine Art herkömmlicher Glockenkurve aus. Die Buckel an den Seitenkanten des Gußmetalls ergeben sich aus einer Wärmeabführung an den Zylinderrändern in zwei Richtungen und einer Wärmeabführung in einer Richtung in der Mitte des Zylinders. Von der Mitte der Gießfläche wird die Wärme nur radial abgeführt. An den Rändern fließt die Wärme radial und in Richtung zu den Enden des Zylinders ab. Demgemäß wird die Temperatur der Gießfläche an ihren Rändern immer niedriger sein als die Temperatur in der Mitte. Da der Zylinder nahe seinen Enden eine niedrigere Konstanttemperatur hat, wird das Metall schneller abgekühlt und zieht ein größeres Volumen der Schmelze, woher die unerwünschten Seitenbuckel entstehen. Diese unerwünschte Eigenschaft des Gußmetallbandes wird größtenteils durch die anschließend zu beschreibende Vorrichtung beseitigt.
Ein weiteres Problem bei der derzeit gebräuchlichen Vorrichtung sind Typ-1- und -2-Wellen.
Typ-1- und -2-Wellen bilden sich im Gußband als querverlaufende Buckel erhöhter Metallstärke entlang des Gußbandes. Besonders in Bezug auf das Gießen von Aluminium, zum Beispiel 3105- und 3004-Legierungen, bilden sich Oxide auf der oberen Oberfläche des geschmolzenen Metalls in der Zwischenpfanne. Von Zeit zu Zeit brechen Teile dieser Aluminiumoxidkruste ab und werden entlang der oberen Oberfläche der Legierung mitgerissen, während diese durch den rotierenden Zylinder aus der Zwischenpfanne abgezogen wird. Die aufgebrochene Aluminiumoxidkruste scheint ein erhöhtes Metallvolumen mit sich zu ziehen, wenn sie aus der Zwischenpfanne abgezogen wird, und wenn sie erstarrt, erzeugt sie eine Querwelle in der Außenfläche des Gußbandes. Ob diese als eine Typ-1-Welle bezeichnete Welle durch Oberflächenspannung der Kruste oder eine Temperaturdifferenz zwischen der Kruste und der Schmelze bewirkt wird, ist nicht genau klar. Auf jeden Fall bilden sich die Typ-1-Wellen nicht und der Grund dafür ist für diese Erfindung ohne Bedeutung. Es sind Methoden zur Minimierung der nachteiligen Auswirkung von Typ-1-Wellen entwickelt worden, die nicht Teil der hier beschriebenen Erfindung sind.
Typ-2-Wellen scheinen durch einen oszillierenden Faktor eingeleitet zu werden, der bewirkt, daß das geschmolzene Metall periodisch tiefer als normal in die längs des Umfangs verlaufenden Nuten gedrückt wird, die die Gießfläche umschreiben. Die Folge ist eine querverlaufende Rippe sowohl auf der Unterseite der entstehenden Gußfläche als auch eine entsprechende, größere Aufwölbung auf der oberen Oberfläche des Gußbandes. Es wird angenommen, daß die Aufwölbungen an den beiden Oberflächen infolge der entstehenden Zunahme der Wärmeübertragung zwischen dem geschmolzenen Metall und der Gießfläche zueinander ausgerichtet sind. Speziell, wenn das geschmolzene Metall tiefer in die Umfangsnuten hineingedrückt wird, führt die erhöhte Kontaktfläche zwischen dem geschmolzenen Metall und der Gießfläche zu größerer Wärmeabfuhr, wodurch sich das geschmolzene Metall in größerer Stärke verfestigt; der obere Oberflächenbuckel ist die Folge.
Dieses Problem der Typ-2-Wellen bestand anhaltend, und es wurde keine Lösung dafür vorgeschlagen, bis eine sehr spezielle Beobachtung an einer besonderen Zufuhrvorrichtung gemacht wurde. Diese Vorrichtung enthält eine Reihe von Leitscheiben in der Zwischenpfanne, um der Gießfläche einen gleichförmigeren Strom von geschmolzenem Metall zuzuführen. Die Leitscheiben-Theorie besagt, daß die Mitte der Zwischenpfanne gedrosselt werden sollte, da das Metall naturgemäß aufgrund der Tatsache zu schnell fließt, daß die Seitenwände der Zwischenpfanne den Randfluß verzögern. Die Fläche in der Mitte eines fließenden Stroms fließt immer am schnellsten, weil dort weniger Hindernisse zur Hemmung des Flusses bestehen. Bei der Beobachtung des Betriebs der speziellen Gießvorrichtung schien dort Turbulenz in den Randbereichen der Zwischenpfanne zu bestehen, während das geschmolzene Metall auf die rotierende Gießfläche floß, und eine Beobachtung des entstehenden Gußbandes zeigte Typ-2-Wellen im Mittelteil des Bandes, aber keine Typ-2-Wellen an den Rändern des Bandes. So entstand die Theorie, daß die Einführung von Turbulenz in das geschmolzene Metall während und vor der Zeit, in der es die rotierende Gießfläche berührt, Typ-2-Wellen beseitigen würde. Demgemäß wurde die Struktur der Zwischenpfanne abgeändert, um die Geschwindigkeit des fließenden Metalls zu erhöhen, während es sich der Gießfläche näherte, und dies wurde dadurch erreicht, daß der Rand der Zwischenpfanne an der Gießfläche unter Bildung eines Pfannenschnabels geneigt oder gekrümmt wurde. Diese abwärts gerichtete Neigung erhöht die Geschwindigkeit des fließenden Metalls mit Hilfe der Schwerkraft. Weitere Turbulenz wurde dadurch hervorgerufen, daß eine querverlaufende, horizontale Stange in den Strömungsweg unter der Metallfläche dicht an der Gießfläche eingebracht wurde. Dies beseitigte die Typ-2-Wellen, und es wurde erst nach weiterer Untersuchung entdeckt, daß die Turbulenz ohne Bedeutung war; schließlich wurde die Stange zur Erzeugung der Turbulenz entfernt, da andere Parameter aufgefunden wurden, die zur Minimierung der Typ-2-Wellen eingestellt werden konnten.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine rotierende Gießfläche und eine Zwischenpfanne, die sich daneben befindet, werden auf einzigartige Weise so verbunden, daß eine gleichförmigere Stärke des Gußmetallbandes entsteht und längsverlaufende Rippen an den Kanten des Bandes und querverlaufende Rippen in der Mitte des Bandes minimiert werden. Eine Struktur von besonderer Bedeutung ist die Bildung eines nach unten abfallenden oder sich krümmenden Pfannenschnabels am Zuführungsrand der Zwischenpfanne an der rotierenden Gießfläche. Der Pfannenschnabel ist an der Ablaufkante des Bodens der Zwischenpfanne gebildet. Die abfallende Fläche verläuft in wenigstens einigen Ausführungen ungleichförmig quer über die Ablaufkante. Das heißt, in einigen Ausführungen bildet der Pfannenschnabel einen 90º-Bogen, der im Boden der Zwischenpfanne beginnt und sich nach unten krümmt. An den Randteilen der Zwischenpfanne kann der Radius des Bogens so klein wie 0,95 cm (3/8 Zoll) sein, wohingegen die Neigung im Mittelteil des Ablaufendes der Zwischenpfanne viel geringer sein kann, aber wieder über einen vollen 90º-Bogen verlaufen würde.
In einer weiteren Ausführung könnte der Bogen weniger als 90º betragen, d.h. 70º, was von anderen Merkmalen des Gießvorgangs abhängt.
Bei noch einer weiteren Ausführung könnte die gekrümmte oder abfallende Fläche über den Pfannenschnabel von einer Seitenwand der Zwischenpfanne zur anderen vollständig gleichförmig sein.
Bei einer vierten Ausführung, in der die Zwischenpfanne auf eine Stelle abgesenkt ist, an der sie etwa in gleicher Höhe wie die Achse der rotierenden Gießfläche ist, kann im wesentlichen überhaupt kein gekrümmter Pfannenschnabel mehr vorhanden sein.
Man glaubt, daß die Methode zur Minimierung von Typ-2- Querrippen darin besteht, eine große Änderung in der Fließrichtung des geschmolzenen Metalls zu haben. Der Richtungswechsel tritt zwischen der Stelle, an der das geschmolzene Metall die Fläche der Zwischenpfanne verläßt, und der Stelle ein, an der das geschmolzene Metall zuerst die rotierende Gießfläche berührt.
Aus dem vorstehenden nicht deutliche Aufgaben der Erfindung werden aus einer nachfolgenden Durchsicht der Zeichnungen und der detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungen völlig verständlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist eine teilweise geschnittene Seitenansicht des rotierenden Gießrades und der flüssiges Metall zuführenden Zwischenpfanne nach dieser Erfindung;
Figur 2 ist eine vergrößerte, abgebrochene Seitenansicht am Punkt des Zusammentreffens der rotierenden Gießfläche, des geschmolzenen Metalls und der Zwischenpfanne;
Figur 3 ist eine abgebrochene Schnittansicht entlang der Linie 3-3 nach Figur 1;
Figur 4 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführung eines Zwischenpfannenschnabels gemäß dieser Erfindung;
Figur 5 ist eine abgebrochene Seitenansicht ähnlich Figur 2, die aber alternative Pfannenschnabelausführungen zeigt; und
Figur 6 ist eine Draufsicht auf die Zwischenpfanne nach Figur 4.

Beschreibung der bevorzugten Ausführung

Betrachtet man Figur 1, so ist ein zylindrischer Gießzylinder 10 mit einer Umfangsgießfläche 12 dargestellt, der sich entgegen dem Uhrzeiger um eine horizontale Achse 14 dreht. Die Gießfläche 12 ist in dichter Nähe zu einer Zwischenpfanne 16 angeordnet, die einen Körper von geschmolzenem Metall 18 enthält.
Die Zwischenpfanne enthält eine Bodenwand 20, eine Stirnwand 22 und ein Paar von Seitenwänden 24 und 26, siehe Figuren 4 und 6.
Eine Betrachtung von Figur 4 zeigt, daß die vorderen Stirnflächen 28 und 30 der Seitenwände 24 und 26 in Anpassung an die Gießfläche 12 gekrümmt sind.
Betrachtet man insbesondere Figuren 1 und 2, so findet man, daß die Bodenwand 20 dicht an der Gießfläche 12 angebracht ist, aber geringfügig im Abstand davon angeordnet ist, um einen Spalt zu lassen. Das flüssige Metall fließt in diesen wobei die linke Sette des in Figur 2 gezeigten Gießspiegels durch die sich nach oben drehende Gießfläche 12 aufwärts gezogen wird. Aus Gründen, die anschließend erläutert werden, ist der Teil der Bodenwand 20, der am dichtesten an der Gießfläche 12 liegt, zur Bildung eines Pfannenschnabels gekrümmt, abfallend oder abgeschrägt ausgebildet. Der Pfannenschnabel ist zur Änderung der Fließrichtung des Metalls an der unteren Oberfläche ausgebildet, sodaß es sich sowohl horizontal als auch nach unten bewegt, bevor es durch die rotierende Fläche 12 nach oben gerissen wird und sich die Richtung seiner Bewegunsenergie um mehr als ca. 235º ändert. Wie oben erläutert, ist die Änderung der Richtung des fließenden Metalls entscheidend, um Typ-2-Wellen beträchtlich zu verringern oder zu beseitigen.
Es gibt drei bestimmte Winkel, die Bedeutung für die Minimierung der Bildung querverlaufender Rippen im Gußband haben. Der Winkel α ist der Winkel zwischen einer vertikalen Linie, die durch die Achse 14 des Zylinders 10 verläuft, und einer weiteren Linie, die durch die Achse 14 zu der Stelle am Pfannenschnabel 32 verläuft, an der sich das flüssige Metall 18 von der Oberfläche des Pfannenschnabels trennt, siehe Figur 1.
Der Winkel β ist der Winkel zwischen der Tangente an den Pfannenschnabel 32 an der Stelle, an der sich das flüssige Metall vom Pfannenschnabel trennt, und der Tangente an die Gießfläche 12 an der Stelle, an der das flüssige Metall zuerst auf die Gießfläche trifft.
Der Winkel θ ist der Winkel zwischen der Tangente an den Pfannenschnabel 32 dort, wo sich das flüssige Metall vom Pfannenschnabel trennt, und einer horizontalen Linie.
Zu ihrer richtigen Funktion müssen die Winkel α, β und θ spitze Winkel sein mit der möglichen Ausnahme des Winkels α. Es kann sein, daß der Zwischenpfannenboden geringfügig unter eine horizontale Linie abgesenkt sein könnte, die durch die Achse 14 läuft, und immer noch wirksam sein könnte. An dieser Stelle kann α um 90º betragen. Es wird für möglich gehalten, daß die gekrümmte oder abfallende Fläche 32, die den Pfannenschnabel bildet, notwendig sein kann, wenn der Winkel α ca. 90º erreicht, aber in der bevorzugten Ausführung wäre α zwischen 30º und 60º, wobei das untere Ende dieses Bereichs stärker bevorzugt ist.
Es wird bevorzugt, daß der Winkel θ in den Bereich von ca. 20º bis ca. 70º fällt und vorzugsweise näher an 70º ist.
Der Gegenstand der beschriebenen Struktur hat zwei sehr wichtige und klare Vorteile für das Gießen eines Metallbandes. Der erste Grund für die Struktur ist die Minimierung der "Hundeknochen"-Struktur oder der erhöhten Rippen an den Seitenkanten des Gußbandes. Die detaillierte Beschreibung, wie dies funktioniert, ist in großer Ausführlichkeit in der Parallelanmeldung unter der laufende Nummer 101,525, angemeldet am 28. September 1987, enthalten und wird durch die Bezugnahme auf diese Offenbarung hier bis zu dem Umfang eingeschlossen, wie es für das Verständnis dieses Merkmals der Erfindung notwendig ist.
Der andere Grund für die Struktur ist die Minimierung der periodischen querverlaufenden Rippen in der Gußstruktur, die allgemein als Typ-2-Wellen bekannt sind. Dies wird dadurch erreicht, daß zwischen der Stelle, an der das flüssige Metall die Fläche des Pfannenschnabels 32 verläßt, und der Stelle, an der es auf die Gießfläche 12 trifft, eine angemessene Richtungsänderung erfolgt. Es wird bevorzugt, daß die Richtungsänderung größer als ca. 235º oder 360º minus β ist.
Der in den Figuren 4 und 6 dargestellte, gekrümmte ungleichförmige Pfannenschnabel 34 ist eine Ausführung, die insbesondere für die Minimierung der oben erörterten längsverlaufenden Seitenrippen besonders brauchbar ist. Es ist zu beachten, daß die Ablaufkante des Pfannenschnabels 34 eher gekrümmt ist als eine gerade Linie bildet, wie am besten in Figur 6 zu sehen ist. Diese Struktur soll den Ausgleich in der Stärke des Gußbandes unterstützen. Das heißt, der gekrümmte Pfannenschnabel hilft bei der Minimierung des "Hundeknochen"- Effektes.
Figur 5 zeigt zwei alternative Pfannenschnabelprofile 36 und 38, die nach Wunsch eingesetzt werden können.
Im Betrieb dreht sich die Gießfläche 12 um die Achse 14, während der Zwischenpfanne 16 geschmolzenes Metall 18 zugeführt wird. In dem Maße, in dem das geschmolzene Metall über den Pfannenschnabel 32 fließt, wird es von der sich nach oben bewegenden Gießfläche 12 aufgenommen, die das flüssige Metall zu einem Band 40 einfriert. Das Band 40 trennt sich von der Gießfläche, wenn es über die Kuppe des rotierenden Zylinders hinwegläuft.
Man beachte Figur 3, die eine vergrößerte Schnittansicht der Gießfläche und des Gußbandes 40 zeigt. Die Gießfläche 12 enthält eine Vielzahl von flachen, längs des Umlaufs verlaufenden Nuten 42. Der Zweck der Nuten ist in der Technik wohlbekannt und wird hier nicht beschrieben.
Bei der richtigen Pfannenschnabelstruktur 32, 34, 36 oder 38 und der richtigen Zwischenpfannenlage in Bezug auf die Gießfläche werden Quer- und Längsrippen im Gußband beträchtlich verringert.

Claims

1. Vorrichtung zum Direktgießen eines Strangguß-Metallblechs (40), enthaltend eine Zwischenpfanne (16), die zur Abgabe von geschmolzenem Metall (18) an eine Gießfläche (12) eingerichtet ist, welche zur Aufwärtsbewegung eingerichtet ist, und daneben angeordnete Pfannenschnabelinittel (32), die in einem Boden (20) der Zwischenpfanne (16) vorgesehen sind,

dadurch gekennzeichnet, daß die Pfannenschnabelmittel (32) in Bezug auf die Aufwärtsbewegung der Gießfläche (12) nach unten geneigt sind; daß die Anordnung derart getroffen ist, daß das aus der Zwischenpfanne (16) über die Pfannenschnabelinittel (32) an die Gießfläche (12) abgegebene geschmolzene Metall zwischen der Stelle, an der das geschmolzene Metall außer Kontakt mit den Pfannenschnabelmitteln (32) kommt, und der Stelle, an der das geschmolzene Metall (18) auf die Gießfläche (12) trifft, einer Richtungsänderung von mehr als ca. 235º unterliegt, wodurch die Bildung von quer verlaufenden Wellen in dem gegossenen Metallblech (40) minimiert wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pfannenschnabelmittel (32) im Querschnitt eine durchgehende Kurve von der Bodenoberfläche zu einer Stelle bestimmen, an der sie neben der Gießfläche (12) endet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießfläche (12) von einem Kühlrad (10) getragen ist, das zur Drehung gegenüber der Zwischenpfanne eingerichtet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel, der zwischen einer Vertikallinie durch den Drehmittelpunkt des Kühlrades (10) und einer Linie gebildet ist, die von dem Drehmittelpunkt zu der Stelle der Pfannenschnabelmittel (32) verläuft, an der das geschmolzene Metall außer Kontakt mit den Pflanzenschnabelmitteln kommt, größer als ca. 30º ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel, der zwischen einer horizontalen Linie und einer Tangentenlinie an die Pfannenschnabelmittel (32) an der Stelle gebildet ist, an der das geschmolzene Metall in Kontakt mit den Pfannenschnabelmitteln ist, im Bereich von ca. 20º bis ca. 70º liegt.

6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießfläche (12) längs des Umfangs verlaufende Nuten (42) enthält.

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pfannenschnabelmittel (32) einen Pfannenschnabelversatz in einer Form enthalten, die einen größeren Verfestigungsabstand der Schmelze zur Gießfläche (12) und ein entsprechend dickeres gegossenes Metallblech (40) in der Nähe des Versatzes bildet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Versatz ungleichförmige Tiefe zwischen den oberen bzw. unteren Flächen der Zwischenpfanne (20) hat.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Pfannenschnabelversatz im wesentlichen die gesamte Breite der Zwischenpfanne (16) zwischen deren gegenüberliegenden Seitenwänden (24, 26) überspannt.

10. Vorrichtung nach Ansprüchen 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Pfannenschnabelversatz in der Tiefe von nahe den Seitenwänden (24, 26) bis nahe dem Mittelpunkt des Pfannenschnabels (32) zunimmt.