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Verfahren zum Vergießen von reinem Kupfer und anderen Metallen, die
im flüssigen Zustande leicht an der Luft oxydieren und nach Patent 667 070 hergestellt
wurden Die Erfindung ist eine weitere Ausgestaltung der im Patent 667 07o beschriebenen
Erfindung und betrifft ein Verfahren zum Vergießen der nach dem genannten Patent
hergestellten Metalle.
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Durch das Verfahren nach Patent 667 070 ,erhält man ein Metall, das
in bezug auf die Freiheit von Sauerstoff und anderen Verunreinigungen, die Porenfreiheit
und bezüglich der Gleichmäßigkeit seiner guten Eigenschaften merklich besser als
jedes ähnliche, bisher bekannte Metall war. Eine ,große Anzahl von Einzelmaßnahmen
und Merkmalen bewirkten diesen Erfolg, wobei aber auch alle diese Merkmale von entscheidender
Bedeutung waren und deshalb erst in der glücklichen Weise vereinigt werden mußten,
um zu deal gewünschten Ergebnissen zu gelangen. Wesentliche Abänderungen irgendeines
der verschiedenen Merkmale hatten ernste Einwirkungen auf die Güte des Erzeugnisses.
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Es ist nun gelungen, die Wichtigkeit der verschiedenen Merkmale im
Vergleich zueinander und auch die Grenzen festzustellen, innerhalb deren sie noch
Abänderungen erfahren dürfen, wodurch das gewünschte Erzeugnis mit größerer Genauigkeit
ünd von weniger gut ausgebildeten Axbeitern erzielt werden kann. Insbesondere die
Erzielung einer guten Dichte der Gußstücke bereitet nämlich Schwierigkeiten, denn
selbst wenn es gelingt, ein Metall zu vergießen und zur Erstarrung zu bringen, ohne
daß in ihm auch. nur Spuren von Sauerstoff irgendwie nachweisbar sind, kann das
Gußstück .doch porig ausfallen und so für viele Zwecke unbrauchbar sein. Dieser
Nachteil vor allem wird durch die Erfindung behoben, nachdem gefunden wurde, daß
eine Anzahl von Betriebsbedingungen und Eigenschaften der verwendeten Gießvorrichtungen
in bestimmter Beziehung zueinander stehen, und zwar sind dies i. die Gießtemperatur,
2. die Menge, die in der Zeiteinheit vergossen wird, 3. die Art des Werkstoffes,
aus dem die _ Gießform besteht und mit dem sie verkleidet und verputzt ist, und
q.. die Anfangstemperatur der Gießform. Aus dieser Erkenntnis ergeben sich die Merkmale
der Erfindung, die zwar einzeln für sich bekannt sind, deren Auffindung und Vereinigung
jedoch zwecks.Durchführung des im Hauptpatent beschriebenen Verfahrens langjährige
praktische Versuche erforderte.
Zunächst ist gefunden worden, daß
die Gießtemperatur für Kupfer 1140' C nicht übersteigen soll. Oberhalb dieser Temperatur
hält das Metall zuviel Gase zurück, um sie während der Erstarrung völlig freigeben
zu können. Die vorzugsweise angewendete Temperatur ist i i25° C oder niedriger,
gemessen im Innern des Gießgefäßes in der Nähe der Gießstelle. Ein gleichmäßigerer
Gießstrahl kann, wie bekannt, erhalten werden, indem das Gießen aus dem Metallbad
durch eine trichterähnliche Vorrichtung in eine zwischengeschaltete flache Gießschale
und dann in die Form erfolgt. Dies ergibt einten ruhigeren und besser geregelten
Metallfluß in die Gießschale und in die Form. Gleichzeitig erleichtert und verbessert
das zusätzliche flache Metallbad das Entweichen der Gasse.
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Neben der Innehaltung der bestimmten Gießtemperatur muß auch auf die
in der Zeiteinheit zu vergießende Menge geachtet werden, die allerdings je nach
der Größe der zu gießenden Stücke zu ändern ist. Die gemäß der Erfindung einzuhaltende
zu vergießende Menge beträgt io bis 8o kg in der Minute. Die vorzugsweise innegehaltenie
Menge ist etwa 30 kg je Minute für alle Blockgrößen, welche bisher gemäß
der Erfindung vergossen worden sind, und zwar von 5 bis ig:em Durchmesser. Zwar
kann die Geschwindigkeit bei viereckigen Blöcken etwas größer gehalten werden als
bei runden, doch ergeben die angegebenen Grenzen auf jeden Fall gesunde Blöcke,
gleichgültig, von welcher Form sie sind.
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Das Gießen erfolgt. vorzugsweise in Hiefe senkrechte Formen, da in
diesen das Mietall weniger freie Oberfläche aufweist, die geschützt werden muß,
und da diese Gestalt der Gießform teine allmähliche Erstarrung vom Boden nach oben
erleichtert, wobei die Gase und anderen Verunreinigungen ausgesondert werden können.
Das Metall muß sanft in diese Formen fallen, denn wenn es die Seiten trifft, dann
verursacht es gewöhnlich Risse, überlappungen und ähnliche Oberflächenfehler.
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Die Anfangstemperatur der Formten wird zwischen go und 115'C,
vorzugsweise zwischen i o5 und i i o° C, gehalten, und zwar durch eine Kühlflüssigkeit,
welche rasch genug im Kreislauf geführt wird, um die Formten innerhalb dieser Temperaturgrenzen
,auch während des Gießens zu erhalten.
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Die thermische Leitfähigkeit des Werkstoffres, aus welchem die Formen
bestehen toder mit dem sie gefüttert oder verkleidet sind, ist von beträchtlicher
Bedeutung. Kupferkokillen haben für das Gießen von gewöhnlichem Handelskupfer (taugh
pitch copper) gute Ergebnisse gezeigt, bei der Herstellung von sauerstofffreiem
Kupfer aber waren sie nicht befriedigend. Es ist nun gefunden worden, daß aus Stahl
bestehende oder mit Stahl verkleidete Formen befriedigend sind. Offenbar entziehen
die Kupferkokillen die Hitze aus den äußeren Zonen dies Gußstückes sio rasch, daß
das Innere dies Metallvolumens nicht genügend Zeit für das Ausstoßen der Gase und
für die richtige Erstarrung hat. Jedenfalls waren die mit Kupferkokillen hergestellten
Gußstücke porös und unbefriedigend, während ständig gute Stücke mit Stahlkokillen
erzielt wurden.
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Der Gießformanstrich, der beim Gießen von Kupfer gemäß der Erfindung
befriedigende Ergebnisse liefert, ist eine Aufschlämmung von Knochenkohle und Knochenasche
in Wasser. Der Anstrich auf der Oberfläche der Form muß v an einer gewissen Dicke
sein, um ein Festbacken des Blockes zu verhindern. Außerdem wird bei sonst gleichen
Bedingungen, wenn der Anstrich zu dünn ist, die Abkühlungs- und Erstarrungsgeschwindigkeit
zu groß, um die aus dem Metall frei %verdenden Gase entweichen zu lassen, und die
so erzeugten Blöcke sind porös. Es ist festgestellt worden, daß die spezifische
Dichte des Anstrichstoffes zwischen i z und 22' Be, vorzugsweiSe 15 bis 2o'
Be, sein muß, damit er die richtige Mengte aufgeschlämmter Bestandteile enthält,
um einen Anstrich von angemessener Dicke zu :ergeben. Unterhalb dieser Grenzen werden
oft nahe der Oberfläche der Gußstücke Gaslöcher gefunden; oberhalb dieser Grenzen
neigt der Anstrich zur Bildung von Rauheiten und Unebenheiten, die eine entsprechend
schlechte Ausbildung der Oberfläche des Gußstückes bedingen. Das im Anstrich :enthaltene
Wasser wird sorgfältig verdampft, z. B. durch die in der Form selbst verbliebene
Wärme, bevor das Metall in die Form gegossen wird.
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In der Zeichnung ist eine Vorrichtung für die Ausführung des Verfahrens
gemäß der Erfindung beispielsweise dargestellt, und zwar zeig t Abb. i einen schematischen
Längsschnitt durch eine Anlage für das Schmelzen und Gießen von Kupfer, Abb. a die
Vorrichtung gemäß Abb. i in Draufsicht, Abb.3 einen vergrößerten Querschnitt durch
eine Einzelheit, Abb. q. eine ähnliche Vorrichtung wie Abb. 3 zum gleichzeitigen
Vergießen mehrerer Kokillen, Abb. 5 einen waagerechten Querschnitt gemäß der Linie
5-5 in Abb. q..
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In dem Schmelz- oder Gießgefäß i o befindet sich ein Metallbad M.
Zur Vereinfachung der Erläuterung sei unterstellt, das
Metall sei*
Kupfer. Das Bad kann dadurch erhalten worden sein, daß das Schmelzgefäß mit festem
Metall, z. B. Kathodenkupfer, heschickt wurde, sofern Mittel für die Beheizung vorgesehen
sind. Diese Mittel bestehen bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in elektrischen
Induktionsheizvorrichtungen i i, die an jeder Seite des Gefäßes vorgesehen sind.
Natürlich können auch andere Arten elektrischer Ofen verwendet -werden, doch wird
die elektrische Erwärmung bevorzugt, da sie das Metall in keiner Weise verunreinigt.
Das Gefäß kann aber auch mit geschmolzenem Metall beschickt werden, das entweder
von einem elektrischen Ofen oder einem brennstoffbeheizten Ofenerhalten wurde, wenn
nur entsprechende Vorsichtsmaßnahmmen vargesehen -wurden, um das Metall frei von
anderen Verunreinigungen als Sauerstoff zu halten oder es von diesen zu befreien.
Die Beschickung kann auch Metall in oxydierter Formenthalten, weil Oxyde im Schmelzgefäß
entfernt werden können; doch soll es jedenfalls keine schädigenden Mengen anderer
Verunreinigungen enthalten, -weil diese nach dem Verfahren gemäß dem genannten Patent
oder der vorliegenden Erfindung nicht zu entfernen sind.
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Das Metall im Schmelzgefäß io wird vollkommen vor der Außenluft geschützt.
Wenn es an sich schon sauerstofffrei ist, so kann es entweder durch inerte oder
auch durch desoxydierende Mittel ;geschützt werden, doch werden die letzteren bevorzugt,
weil diese auf jeden Fall die Entfernung des Sauerstoffes sichern, -wenn dieser
zufällig Zutritt erlangt haben sollte. Wenn das Ausgangsmetall aber schon Sauerstoff
enthält, dann sollen nur desoxydierende Mittel benutzt werden. Eine vollständige
Ummantelung des Schmelzgefäßes hält die Luft fern, doch -wird die Ummantelung vorzugsweise
mit einem inerten oder desoxydierenden Mittel gefüllt. Im Herd wird eine tiefe Decke
(ungefähr 30 cm) einer reinen Kohle auf dem Metall gehalten. Diese allein
schließt die Luft vom Metall aus, da jede Luft, welche etwa in die Oberfläche
der Kohlendecke eintritt, in unschädliches Kohlenmonoxyd " umgewandelt wird, bevor
sie das Metall erreicht. Selbst wenn die Kohlendecke benutzt wird, ist die völlige
Ummantelung des Ofens nützlich, weil sie einen zu schnellen Kohlenstoffverhrauch
verhindert und dazu hilft, das im Ofen enthaltene Gas unter Überdruck zu halten.
Das . Gas kann in dem Gefäß selbst erzeugt -werden oder auch von außen eingeführt
-erden.
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Das Metall -wird schließlich in eine Kokille 12 vergossen, wobei die
Kohle durch eine Zwischenwand 13 oder andere ähnliche Mittel zurückgehalten -wird.
Das Metall soll mit einer sehr gleichmäßigen Temperatur vergossen werden. Dies wird
durch ein Pyrometer 14, das in das Metall selbst, und zwar nahe der Ausgußstelle,eingesteckt
ist, sowie durch eine Regelvorrichtung i5 erreicht, die mit dem Pyrometer verbunden
ist und die Wärmezufuhr zu dem Schmelzgefäß regelt.
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Der Schutz des Metalls bei seinem Weg vom Schmelzgefäß zu der Kokille
wird vorzugsweise durch eine Ummantelung oder Haube 16 erzielt, in welcher ebenfalls
ein nicht Oxydierendes Gas unter überdruck gehalten wird. Für dieses Gas wird vorzugsweise
ein deso#tydienendes und in der Luft mit sichtbarer Flamme verbrennendes verwendet.
Dies gibt .eine größere Sicherheit, daß der gewünschte Schutz auch erreicht wurde.
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Das Gas kann zu der Schutzhaube durch ein von einem Gaserzeuger 17
k@ommendes Rohr zugeführt werden. Das Gas wird im Überschuß zugeführt; so daß es,
wenn eine der Kokillen 12 unten an die Haube gehalten und mit ihr verbunden -wird,
von der Haube durch die Kokille strömt und bei geöffnetem Kokillenboden i9 an der
Bodenöffnung brennt und so zu erkennen gibt, das aus der Kokille alle Luft herausgetrieben
ist.
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Die Kokillen -werden durch eine Flüssigkeit gekühlt, welche durch
die Röhren 20 zugeführt wird, die von dem Gießrad 21 zusammen mit den Kokillen getragen
werden. Die Ausfütterung der Kokillen oder die Kokillen selbst bestehen aus Stahl,
wenn sauerstofffreies Kupfer vergossen werden soll,oder sind mit Stahl verkleidet.
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Das aus dem Ofen kommende Metall -wird vorzugsweise in einer Kelle
oder Mulde 22 über den Kokillen aufgefangen, um das Entweichen der Gase und den
Einguß in die Kokillen zu erleichtern. In dieser Mulde wird ein Metallvolumen von
etwa. 2 5 bis 7 5 mm Tiefe aufrechterhalten, während das Metall durch das Loch 23
ausfließt. In manchen Fällen, besonders wenn mehrere Kokillen gleichzeitig, wie
in Abb. 4 und 5 gezeigt, vergossen werden sollen, ist ein Trichter 24 unmittelbar
über der Mulde angeordnet, dessen Bodenöffnung 25 sich in gleicher Entfernung von
beiden Muldenöffnungen 23' befindet, und zwar ungefähr 25 mm über den Muldenboden.
Hierdurch wird ein zweites Metallbad für das Entweichen der Gase und für die Beruhigung
des Metallflusses erhalten, wodurch ider Metallfluß noch stetiger und gleichförmiger
-wird.
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Wenn es notwendig oder gewünscht ist, so kann das Metall in der Mulde
noch durch elektrische Heizwiderstände 26 und 27 erhitzt werden, um das Einfrieren
zu verhindern.
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Nachdem eine gefüllte Kokille von der Gießhaube entfernt ist, wird
das Metall in
der Kokille; wenn es noch nicht erstarrt ist, vor
Luftzutritt geschützt. _ Dies kann zweckmäßig durch Bedecken der Oberfläche mit
fein verteilter Kohle oder einem anderen ähnlichen Stoff erfolgen.
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Bevor das Metall in die Kokillen gegossen wird, werden diese mit einer
Aufschlämmung von Knochenkohle und Knochenasche in Wasser mit einer Dichte von 12
bis 22'B6, vorzugsweise 15 bis 2o° B6, überzogen.
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Durch die Anwendung der Erfindung ist die Dichte der Gußstücke verbessert
worden. Äußere und innere Blasen und ähnliche Fehler sind völlig beseitigt, und
der Gleichförmigkeitsgrad, mit dem diese Ergebnisse erreicht wurden, ist zu einem
Punkt gelangt, an dem fehlerhafte Erzeugnisse und Ausschuß fast ausgeschlossen ist.