Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen
kontinuierlichen Metallgießprozeß und insbesondere auf ein Verfahren
zum Oszillieren einer Vertikal-Stranggußkokille für die
Herstellung eines Metallgusses, der frei von Ausbrüchen,
Oszillationsmarken oder anderen Defekten ist.
Beschreibung des Standes der Technik
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Im allgemeinen wird beim Gießen von Metall in eine Vertikal-
Stranggußform die Kokille in vertikale Schwingungsbewegung
versetzt, während ein Formprüfer der Schmelze in der Kokille
hinzugefügt wird, um die Reibung zwischen der
Kokillenoberfläche und der verfestigten Metallschale zu vermindern. Die
Wirkung des Formprüfers hängt eng vom Schwingungszustand der
Kokille ab, und der Schwingungszustand muß in geeigneter Weise
derart gesteuert werden, daß das Formpulver mit einer
geeigneten Rate in die Grenzfläche zwischen der Kokille und der
verfestigten Schale eingeführt wird.
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Die Schwingung der Kokille wird gewöhnlich derart ausgeführt,
daß die Geschwindigkeit Vm der Kokillenschwingung einer
speziellen Sinuswelle folgt, wie beispielsweise in Fig. 3
gezeigt. Es ist auch vorgeschlagen worden, die Kokille gemäß
einer modifizierten Sinuswelle in Schwingung zu versetzen,
wie in der JP-OS 60-87955 beschrieben ist.
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Andererseits beschreibt die US-PS 3 494 411 ein Verfahren,
bei dem eine in Längsrichtung geteilte, wassergekühlte
Kokille mit offenen Enden verwendet wird, wobei die Kokille
nicht nur in Längsrichtung in Schwingung versetzt wird, die
zur Gießrichtung parallel verläuft, sondern auch in
Querrichtung senkrecht zur Gießrichtung.
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Dieses Verfahren ermöglicht jedoch keine Steuerung der
Zuführrate des Formprüfers in Übereinstimmung mit den
Gießbedingungen, weil die Längs- und Querschwingungen
unabhängig voneinander ausgeführt werden.
Übersicht über die Erfindung
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Dementsprechend sind die Ziele der vorliegenden Erfindung wie
folgt:
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1. Die Zuführrate eines Formflußmittels soll in Abhängigkeit
von der Art des zu gießenden Materials gesteuert werden
können;
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2. Gießdefekte sollen durch Beeinflussung der Zuführrate des
Formflußmittels vermindert werden;
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3. Ausbrüche des Gießmetalls sollen praktischer beseitigt
werden, um die Erzeugung von Schwingungsmarken an der Oberfläche
des Metallgusses zu vermeiden; und
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4. die Gießgeschwindigkeit soll erhöht werden.
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Zur Erreichung dieser Ziele wird gemäß der vorliegenden
Erfindung ein Verfahren zum Oszillieren einer
Vertikal-Stranggußkokille mit einem Paar längerer Seitenrahmen und einem Paar
kürzerer Seitenrahmen angegeben, wobei das Verfahren umfaßt:
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Bewegen eines Paares von Kokillenwandungen hin zum und zurück
vom Gußmetall synchron mit einem vertikalen Oszillieren der
Kokille, um den Zustand zum Zuführen eines Kokillenpulvers
in den Spalt zwischen den Kokillenwänden und dem Gußmetall zu
beeinflussen.
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Die obigen und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung
von bevorzugten Ausführungsformen hervor, wenn diese in
Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen gelesen wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist eine Seitenansicht einer Vorrichtung, die zur
Verwendung bei der Ausführung des Verfahrens der vorliegenden
Erfindung geeignet ist;
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Fig. 2 ist ein Blockschema der in Fig. 1 gezeigten
Vorrichtung;
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Fig. 3 ist eine graphische Darstellung der Art und Weise, in
der die Schwingungsgeschwindigkeit einer Vertikalkokille und
die Extraktionsgeschwindigkeit des Gußmetalls über der Zeit
verändert werden;
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Fig. 4(a) bis 4(f) sind graphische Darstellungen, die den
Schwingungsverlauf der Vertikalkukille und den zeitlichen
Bewegungsablauf der Kokille auf den Gußstahl zu und von
diesem weg zeigen;
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Fig. 5 ist eine schematische Darstellung des Grenzbereichs
zwischen der Kokillenoberfläche und einer verfestigten Schale;
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Fig. 6 ist eine schematische Darstellung eines Zustandes, in
dem der obere Abschnitt der Kokille um ein Kipplager, das
an der Unterseite der Kokille angeordnet ist, auf das Guß-
Metall zu und von diesem weg schwingt; und
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Fig. 7 ist eine schematische Darstellung einer
Schwingungsmarke und einer Seigerungsschicht.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Fig. 1 ist eine Seitenansicht einer Vorrichtung, die für die
Verwendung bei der Ausführung des Verfahrens nach der
vorliegenden Erfindung geeignet ist, während Fig. 2 ein Blockschema
der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung ist. Die Vorrichtung hat
ein Paar langer Seitenrahmen 1 und ein Paar kurzer
Seitenrahmen 2. Die längeren Seitenrahmen 1 sind durch
Seitenrahmenspannfedern 3 zusammengespannt. Einer der längeren
Seitenrahmen 1 kann durch die von Seitenrahmenbetriebszylindern 4
erzeugte Kraft auf den anderen Seitenrahmen zu und und von
diesem weg bewegt werden. Die Seitenrahmenbetätigungszylinder 4
werden durch ein Druckfluid angetrieben, das von einem
Hydraulikmotor 7 geliefert wird, und zwar über einen
Elektromagnetventil 5, das den oberen Kokillenteil betätigt, und ein
Elektromagnetventil 6, das den unteren Kokillenteil betätigt.
Ein Tank 8 speichert das Hydraulikfluid.
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Die längeren und kürzeren Seitenrahmen 1 und 2 bilden
zusammen eine Kokille, in die eine Schmelze, z.B. geschmolzener
Stahl 11, durch eine eingetauchte Düse 15 eingeleitet wird.
Die Kokille 9 wird durch eine Vertikalschwingeinrichtung 16,
die von einem Motor 17 angetrieben wird, in eine auf- und
abgehende Schwingungsbewegung versetzt.
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Das Oszillationsverfahren der vorliegenden Erfindung wird
unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben. Als Folge der
Vertikalschwingung ändert sich die vertikale Position der
Form 9 in Übereinstimmung einer sinusförmigen Kurve Z. Eine
Kurve Vm zeigt die Geschwindigkeit der Vertikalschwingung an
jeder der vertikalen Positionen der Kokille. Wenn die Kokille
das obere Ende ihres Hubes erreicht, hat die Geschwindigkeit
Vm auf Null abgenommmen. Die Geschwindigkeit Vm nimmt dann
progressiv zu und nimmt dann wieder ab, um Null zu werden,
wenn die Kokille das untere Ende des Schwingungshubes
erreicht. Die Geschwindigkeit Vm beginnt dann wieder zuzunehmen,
wenn die Kokille sich nach oben zu bewegen beginnt. Die
Geschwindigkeit Vm der Schwingung der Gießform und die
Geschwindigkeit Vc der Extraktion des Gußmetalls wird in einer
Zeitperiode verglichen, wenn die Gießform vom oberen Punkt zum
unteren Punkt auf der gestrichelten Linie Z absteigt, die die
Position der Gießform während der in Fig. 3 gezeigten
Vertikalschwingung angibt.
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In diesem Falle sei angenommen, daß die Abwärtsbewegung in der
Periode Tp positiv (+) ist. Die Geschwindigkeit Vm der
Kokillenschwingung ist niedriger als die Geschwindigkeit Vc der
Extraktion des Gießmetalls, das heißt Vm ist größer als Vc.
Diese Periode Tp, die in Fig. 3 schraffiert eingezeichnet ist,
wird als "positive Abstreifperiode" bezeichnet. In einer
Periode TN ist die Geschwindigkeit Vm der Kokille größer als
die Geschwindigkeit Vc der Extraktion des Gießmetalls, das
heißt Vm ist niedriger als Vc. Diese Periode TN wird als
"negative Abstreifpriode" bezeichnet.
a. Verhinderung von Ausbruch
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Ausbruch des
Gießmetalls wirksam wie folgt verhindert. Wie in den Fig. 1, 2 und
4(a) gezeigt, wird ein Paar Kokillenwände, zum Beispiel die
längeren Seitenrahmen, der Vertikal-Stranggußkokille vom
Gießmetall zurückgezogen während der positiven Abstreifperiode der
Vertikalschwingung, um den Zwischenraum zwischen der
Kokillenwand und der verfestigten Schale 12 zu vergrößern, um dadurch
zu ermöglichen, daß eine ausreichend große Menge
Kokillenpulver 10 in den Spalt zwischen die Kokillenwand und die
verfestigte Schale einfließt, um die Reibung zwischen der
Kokillenwand und der verfestigten Schale zu vermindern, um dadurch ein
Anhaften der verfestigten Schale an der Kokillenwandoberfläche
zu vermeiden. Die Kokillenwände werden daher in sich
wiederholender Weise in der zur Extraktionsrichtung senkrechten
Richtung derart bewegt, daß der Zwischenraum Xm (siehe Fig. 5)
zwischen der Kokillenwand und der verfestigten Schale während
der positiven Abstreifperiode der Vertikal schwingung auf Xn
vergrößert wird, während in der negativen Abstreifperiode
die Kokillenwände wieder in Richtung auf die verfestigte
Schale bewegt werden, um den ursprünglichen Zwischenraum
Xm wieder herzustellen.
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Im allgemeinen ist eine Brammengießvorrichtung so aufgebaut,
daß die kürzeren Seitenrahmen 2 zwischen den längeren
Seitenrahmen 1 festgeklemmt sind, wie in Fig. 2 gezeigt. Gemäß der
vorliegenden Erfindung wird die oben beschriebene Bewegung
der Kokillenwände daher durch Bewegung einer der längeren
Seitenrahmen 1 mittels Hydraulikzylindern 4 ausgeführt, die
in geeigneter Weise von dem Hydraulikkreis gesteuert werden.
Wenn übermäßig große Zwischenräume zwischen den längeren
Seitenrahmen und den kürzeren Seitenrahmen ausgebildet werden,
dann strömt der geschmolzene Stahl in unerwünschter Weise in
die Spalten, was häufig zu Störungen, wie beispielsweise zu
Gußausfällen, führt. Die Rückzugsbewegung jeder Kokillenwand,
die durch (Xn-Xm) repräsentiert wird, ist daher vorzugsweise
nicht größer als 1,0 mm. Andererseits kann die Reibungskraft,
die zwischen der Kokillenwand und der verfestigten Schale
wirkt, vermindert werden, weil die Scherkraft auf das
Kokillenpulver zwischen der Kokille und der verfestigten Schale
wirkt. Die Scherkraft wird durch die folgende Formel
dargestellt:
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wobei
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A: Kontaktfläche zwischen der Kokille und der verfestigten
Schale;
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u: Viskosität des in den Spalt zwischen der Kokille und
der verfestigten Schale eingeführten Pulvers;
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v: Relativgeschwindigkeit zwischen der Kokillenoberfläche
und der verfestigten Schale; und
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x: Distanz zwischen der Kokille und der verfestigten Schale.
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Man erkennt, daß die Reibungskraft F maximal ist, wenn sich
die Kokille mit der Maximalgeschwindigkeit (innerhalb der
positiven Abstreifperiode) nach oben bewegt. Gemäß der
Erfindung wird die Distanz x zwischen der Kokillenwand und der
verfestigten Schale während der positiven Abstreifperiode
vergrößert, während der die Reibungskraft maximal würde, wenn die
Distanz x konstant gehalten würde. Da die Reibungskraft F
umgekehrt proportional zur Distanz x ist, kann die unerwünschte
Steigerung der Reibungskraft F durch Veränderung der Distanz x
vermieden werden, wodurch das Auftreten von
Spannungs-Ausbruch unterdrückt wird, der speziell während des
Hochgeschwindigkeitsgießvorgangs aufzutreten neigt.
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Man kann einen ähnlichen Effekt erzielen, indem man die
Distanz zwischen der Kokille und der verfestigten Schale durch
schnelles oder progressives Zurückziehen der Formwände
während der Aufwärtsphase der Vetikalschwingung der Kokille
zurückzieht, um eine ausreichend große Menge Kokillenpulver
zuzuführen, wie in den Fig. 4(b) und 4(e) gezeigt.
b. Verhinderung von Schwingungsmarken
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Gemäß der Erfindung ist es möglich, die Erzeugung von
Schwingungsmarken zu unterdrücken, wie man aus der nachfolgenden
Beschreibung versteht.
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Wie in Fig. 4(c) gezeigt, werden die Kokillenwände einer
Vertikal-Stranggußkokillenform von der verfestigten Schale
zurückgezogen, um die gegenseitige Distanz während der
negativen Abstreifperiode der Vertikalschwingung der Kokille zu
vergrößern, so daß eine große Menge Kokillenpulver in den
Spalt zwischen der Kokille und der verfestigten Schale
eingeleitet wird, um die Reibungskraft zu vermindern, die zwischen
der Kokillenoberfläche und der verfestigten Schale wirksam
ist, um dadurch die Biegung am Ende der verfestigten Schale zu
vermindern. Die Kokillenwände der Vertikal-Stranggußkokille
werden somit hin- und hergehend in einer Richtung senkrecht
zur Extraktionsrichtung des Gußmetalls bewegt, so daß die
Kokillenwände von der verfestigten Schale wegbewegt werden.
Dieses vergrößert den Zwischenraum Xm (siehe Fig. 5) auf Xm
während der negativen Abstreifperiode der Vertikalschwingung der
Kokille. In der positiven Abstreifperiode werden die
Kokillenwänden wände wieder in Richtung auf die verfestigte Schale
bewegt, um die ursprüngliche Distanz Xm wieder einzunehmen.
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Eine ähnliche Wirkung kann man erhalten, indem man die Distanz
zwischen der Kokille und der verfestigten Schale durch
schnelles
oder progressives Zurückziehen der Kokille während der
Abwärtsphase der Vertikalschwingung der Kokille vergrößert,
um eine ausreichend große Menge Kokillenpulver zuzuführen,
wie in den Fig. 4(d) und 4(f) gezeigt.
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Die Bewegung der Kokillenwand, beispielsweise des längeren
Seitenrahmens, zur Veränderung der Distanz zwischen der
Kokillenwand und der verfestigten Schale kann durch
gleichzeitiges Betreiben der Hydraulikzylinder 4 ausgeführt werden,
die auf die oberen und unteren Abschnitte des längeren
Seitenrahmens 1 einwirken, so daß der Rahmen 1 translatorisch
auf die verfestigte Schale zu und von dieser weg bewegt wird.
Dies ist jedoch nur beispielhaft, und die Erfindung kann auch
so ausgeführt werden, daß nur der obere Abschnitt des Rahmens
durch Hydraulikzylinder in Richtung auf die verfestigte
Schale und von dieser weg bewegt wird. Hier schwenkt der Rahmen 1
um einen Punkt, der als an einem unteren Abschnitt der
Gießvorrichtung liegend angenommen wird, um die Distanz am oberen
Endabschnitt der Kokille zu verändern, wie in den Fig. 1 und
6 gezeigt ist.
Beispiel 1
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Eine Bramme wurde mittels einer Vertikal-Stranggußkokille
gegossen, während die Kokille in folgender Weise in Schwingung
versetzt wurde. Ein Paar Kokillenwände wurden vom Gußmetall
in der positiven Abstreifperiode der Vertikalschwingung der
Kokille wegbewegt, um die Distanz zwischen den
Kokillenwänden und dem Gußmetall zu vergrößern. In der negativen
Abstreifperiode der Vertikalschwingung der Kokille wurden die
beiden Kokillenwände in Richtung auf das Gußmetall bewegt,
um die Distanz zu vermindern. Die Zuführrate von
Kokillenpulver in den Zwischenraum zwischen der Kokille und der
verfestigten Schale und der Zustand beim Auftreten von
Ausbruch
wurde beobachtet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1
im Vergleich zu den Ergebnissen eines ähnlichen Versuchs
dargestellt, der durch Oszillieren der Form nach einem
konventionellen Verfahren durchgeführt wurde, das eine
Sinusschwingungsform verwendet. Wie man aus dieser Tabelle
sieht, kann das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung
das Auftreten von Ausbruch merklich vermindern.
Tabelle 1
Kokillenschwingungs-Bedingungen
Umfang Kokillenzurückziehung
Gießgeschwindigkeit (m/min)
Pulverzuführrate (kg/m²)
Rate Auftreten von Ausbruch
Amp. (mm)
Freq. (min&supmin;¹)
konventionelles Verfahren
Erfindung
(Bezug)
Anmerkung: verwendete Stahlart: SUS 304-Stahl
Viskosität des verwendeten Kokillenpulvers
1,5 Poise bei 1.300ºC.
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Eine Bramme wurde mit einer Vertikal-Stranggußkokille
gegossen, während die Kokille in folgender Weise in Schwingung
versetzt wurde. Ein Paar Kokillenwände wurden in Richtung auf
das Gußmetall in der positiven Abstreifperiode der
Vertikalschwingung der Kokille bewegt, um die Distanz zwischen den
Kokillenwänden und dem Gußmetall zu vermindern. In der negativen
Abstreifperiode der Vertikal Schwingung der Kokille wurden die
beiden Kokillenwände vom Gußmetall wegbewegt, um die Distanz
zu vergrößern. Die Tiefe d&sub1; der Schwingungsmarke 13 und die
Tiefe d&sub2; (Fig. 7) der Seigerung 14 wurden beobachtet. Die
Ergebnisse sind in Tabelle 2 im Vergleich zu den Ergebnissen
eines vergleichbaren Versuchs aufgezeichnet, der durch
Oszillieren der Form mit einem bekannten Verfahren mit
Sinusschwingungen ausgeführt wurde. Wie man aus dieser Tabelle sieht,
kann das Verfahren der vorliegenden Erfindung die Tiefen von
Schwingungsmarke und Seigerung merklich vermindern.
Tabelle 2
Kokillenschwingungs-Bedingungen
Umfang Kokillenzurückziehung
Gießgeschwindigkeit (m/min)
Schwingungsmarkentiefe (d&sub1;: mm)
Segregationstiefe (d&sub2;: mm)
Amp. (mm)
Freq. (min&supmin;¹)
konventionelles Verfahren
Erfindung
Anmerkung: verwendete Stahlart: SUS 304-Stahl
Viskosität des verwendeten Kokillenpulvers
1,5 Poise bei 1.300ºC.
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Wie man aus der vorangehenden Beschreibung versteht,
ermöglicht die vorliegende Erfindung die Steuerung der
Zuführrate eines Kokillenpulvers in den Grenzbereich zwischen die
Kokillenwand und die verfestigten Schale des Gußmetalls,
wodurch es möglich wird, das Auftreten von Ausbruch und die
Erzeugung von Schwingungsmarken am gegossenen Produkt zu
unterdrücken.