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Verfahren zum Kühlen von Gießformen und Gießform zum Ausüben des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen von Gießformen, insbesondere zum
Herstellen von Metallgüssen, und Gießformen zum Ausüben des Verfahrens. Unter Guß
wird im weiteren sowohl Blockguß wie auch Strangguß (kontinuierlicher Guß) verstanden.
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Gießformen haben im wesentlichen zwei Aufgaben: Sie sollen dem Gußstück
die gewünschte Form geben und sollen ferner die Schmelzwärme und die fühlbare Wärme
des Gusses aufnehmen bzw. an ein Kühlmittel weitergeben. Das Abführen der Wärme
geschieht bei den`Gießformen im wesentlichen auf zweierlei Arten: Einnial nimmt
die Gießform selbst an Temperatur zu, und zum andern gibt sie die Wärme an ein Kühlmittel
weiter, das durch besondere Räume der Gießform durch- oder außen an ihr vorbeiströmt.
Die erstere Art der Kühlung überwiegt bei den Gießformen für den Guß üblicher Art,
wo man im allgemeinen die Masse der Gießformen so berechnet, daß diese die aus dem
Guß freiwerdende Wärme aufnehmen können, ohne sich um mehr als ein bestimmtes, meist
vorgeschriebenes Temperaturintervall zu erwärmen. Die Gießformen für die Herstellung
von Strangguß gehörenmeist zu der zweiten Art: Hier soll die Masse der Gießforin
die frei werdende Wärme nicht selbst aufnehmen, sondern sie lediglich an ein durch-
oder vorbeiströmendes Kühlmittel weitergeben. Es ist im -übrigen offensichtlich,
daß auch bei der ersten Art von Kühlung immer ein gewisser Teil der Wärme von der
Kokille an die umgebende Luft abgegeben wird.
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Beim Gießen einer ganzen Reihe von Metallen und Metallegierungen ist
es erforderlich, die Gießformen vor dem Einbringen des flüssigen Metalls zu erwärmen,
#venn besonders hohe Ansprüche an die Güte des Gußstückes gestellt werden. Wird
in eine kalte Form gegossen oder, was das Gleiche ist, ist die Temperatur des Kühlmittels
nahe bei Raumtemperatur, was bei
der meist geübten Verwendung v'oif
Wasser stets der Fall ist, dann wird eine äußere Schale des Gusses außerordentlich
rasch abgeschreckt. Dieser Teil wird dadurch nach dem Erstarren weiter rasch abgekühlt,
ehe merkliche Teile des Innern erstarren können. Als Folge davon entstehen Risse
in der Außenschicht, oder aber die erstarrte Schale schrumpft durch die
Ab'
kühlung so stark, daß sie sich an vielen Stellen von der Gießform
abhebt und dadurch die weitere Wärmeabfuhr wegen der zwischen Gießform und Gußstück
befindhchen'Luft erheblich verschlechtert wird. Das Innere des Gusses erstarrt deshalb
dann mit einer um Größenordnungen kleineren Erstarrungsgeschwindigkeit als die der
Randzone. Die Folgen.sind mannigfacher Art: verschiedene Korngröße in Rand, Zone
und Korn, verschiedene Festigkeitseigenschaften, starke Saigerungen, Verstärkung
der Lunkerbildung usw. Während die Erwärmung der Gießformen für den üblichen Guß
eine häufig geübte Praxis darstellt, konnten sich Vorschläge, bei der zweiten Art
von Gießform.,en Kühlmittel höherer Temperaturen, als'sie mit Wasser erreichbar
sind, zu verwenden, wegen der damit verbundenen technischen Schwierigkeiten nicht
durchsetzen. Wie man von den Gießformen für Metallgüsse, welche ohne eigentliches
Kühlmittel betrieben werden, her weiß, muß eine Erwärmung auf mindestens 3oo bis
400' C erfolgen. Für diese hohen Kühlmitteltemperaturen kämen -neben -Sonderölen
mit besonders hohem Flammpunkt hauptsächlich geschmolzene Metalle oder Salze in
Frage. Es ist offensichtlich, daß die Bewegung dieser heißen Kühlmittel ungewöhnlich
hohe Anforderungen an die Umwälzvorrichtungen, Pumpe od. dgl., und an die Dichtungen
stellt. Weiter b(#deutet die große Masse dieser heißen Kühlmittel bei Auftreten
von Leckstellen eine erhebliche Gefahr für die Bedienungen.
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Zweck der vorliegenden Erfindung ist es nun, ein Kühlverfahren für
Gießformen und geeignete Gießformen selbst vorzuschlagen, mit denen ohne die geschilderten
Schwierigkeiten- und Nachteile der bisherigen Verfahren bei höheren Gießforminnentemperaturen
gearbeitet werden kann.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß ein Stoff im schmelzenden
Zustand ohne Temperaturänderung größere Mengen an Wärme aufzunehmen vermag. Weiter
davon, daß es im Gegensatz zu den üblichen Anschauungen über die Wärmeleitung möglich
ist, durch einen schmelzenden Stoff Wärme durchzuleiten, trotzdem sich örtlich voneinander
entfernte Teile des Stoffes auf derselben Temperatur befinden.
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Die Fähigkeit eines Stoffes, im schmelzenden Zustand Wärme aufzunehmen,
ohne seine Temperatur zu ändern, ist an sich bekannt. Erreicht ein Stoff seine Schmelztemperatur,
wobei hier der Einfachheit halber vorausgesetzt werden soll, daß er einen definierten
Schmelzpunkt, also kein Schmelzintervall hat, kann ihm Wärme in der Höhe- der sogenannten
Schmelzwärme zugeführt werden, ehe eine Temperaturerhöhung eintritt. Die aufgenommene
Wärmemenge ist einer anderen äquivalent, die von dem Körper aufgenommen wird, wenn
er sich um einenTemperaturbetrag erwärmt, der sich aus dem * Quotienten aus
der Schmelzwärme und der spezifischen Wärme errechnet. Dieser Temperaturbetrag ist
bei einer großen Zahl von Stoffen sehr hoch und liegt zwischen etwa :[5o und
500' C. Mit anderen Worten. um ebensoviel Wänne zu speichern wie dies mit
Hilfe der Schmelzwärine geschehen Kamin, müßte -man denselben Körper um den angegebenen
Temperaturbetrag erwärmen. Da die Werte für o in der Nähe des Schmelzpunktes
nur ungenau bekannt sind, können die errechneten Werte nur als Anhaltspunkte gewertet
werden. Unter ZugrundelegungvonAngaben in verschiedenen Tabellen errechnet sich
der äquivalente Temperaturbetrag der Schmelzwärme bei Zink z. B. zu etwa
295' C, bei Aluminium zu etwa 360' C usw.
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Die Möglichkeit der Aufnahme einer Wärinemenge durch einen schmelzenden
Stoff ist aber erst dadurch gegeben, daß der Stoff im schmelzenden Zustand Wärme
zu transportieren vermag, trotzdem er sich auf ein und derselben Temperatur befindet.
Die bisherigen Gleichungen über die Wärmeleitung sind für den Fall eines schmelzenden
Stoffes unzulänglich, denn sie enthalten die Bedingung, daß eine Temperaturdifferenz
vorhanden sein muß, wenn Wärme von einem Punkt im Raum zu einem anderen transportiert
werden soll. Es wurde gefunden, daß eine bessere Wiedergabe der Versuchsresultate
erreicht wird, wenn in den verschiedenen Gleichungen der Wärmeleitung an der Stelle,
wo bisher die Temperatur T stand, der Wärmeinhalt pro Volumeinheit gesetzt wird;
er soll mit q
bezeichnet werden. Dann lautet beispielsweise die Gleichung
für den allgemeinen Fall einer nichtstationären Wärineströmung, wie sie z. B. in
einer Blockgießform vorliegt:
Die Konstante a ist die als Temperaturleitfähigkeit bekannte Größe aus den üblichen
Wärmeleitungsgleichungen. Sie berechnet sich zu a = 2 / C
- -y (A = Wärrneleitzahl; c = spezifische Wärme;
y = Wichte), ihre Dimension ist ml/h im technischen Maßsystem. Da dieselbe
Konstante a bei Verwendung der Größen q auch in den Gleichungen für die jeweils
in der Zeiteinheit durchfließende Wärmemenge allein auftritt, wie das nachfolgende
Beispiel für die in i Stunde durch eine ebene Wand der FlächeF und der DickeD stationär
durchfließende Wärmemenge zeigt, würde man sie vielleicht besser statt Temperaturleitfähigkeit
mit Wärmeleitfähigkeit bezeichnen.
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Qj# = a FID (ql - q2).
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Diese den Wärineinhalt q pro Volumeinheit enthaltenden Gleichungen
sind ohne weiteres auch unter Beibehaltung der bisherigen Grundanschauungen gültig,
sofern der Wärmeinhalt q lediglich die fühlbare Wärme enthält. Es hat sich
nun experimentell gezeigt, daß zLimindest für den Wärmetransport durch einen sich
auf der Schmelztemperatur befindenden Körper die bisher als unumgänglich angesehene
Bedingung, daß zwischen zwei örtlich verschiedenen Stellen eine Temperaturdifferenz
herrschen müsse, dahingehend erweitert werden kann, daß es genügt, wenn eine Differenz
im Wärmeinhalt vorhanden ist.
Die vorstehenden Erkenntnisse ermöglichen
es, Gießformen in neuartiger Weise, nämlich durch Aufschmelzen des Kühlmittels zu
kühlen. Die Gießform zum Durchführen dieses Verfahrens besteht aus einem vergleichsweise
dünnwandigen formgebenden Teil, aus einem Stoff, der bei den dafür in Frage kommenden
Temperaturen noch vollkommen fest ist und seine Form behält. Nach außen zu folgt
dann erfindungsgemäß ein zweiter Stoff, der sich zu seinem größten Teil im schmelzenden
Zustand, der Rest vorzugsweise im erstarrten Zustand befindet. Da in diesem Kühlstoff
gleichzeitig nicht nur eine Wärmeleitung senkrecht zur Gußoberfläche erfolgt, sondern
auch in den dazu senkrechten Richtungen, wird bei richtiger Dimensionierung die
Schmelztemperatur in diesem Teil der Gießform nicht überschritten. An der Außenseite
des formgebenden Teils der Gießform, z. B. einer Wand aus einigen Millimetern Kupfer,
herrscht also immer dieselbe Temperatur, nämlich die Schmelztemperatur des Kühlstoffes,
beispielsweise einer Zinklegierung mit dem Schmelzpunkt 400' C.
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Für das Arbeiten mit einer Blockgießform. bedeutet dies: Während des
Erstarrens des Gusses wird die Wärme gleichmäßig mit einem Temperaturgefälle abgeführt,
das bei einer hohen Temperatur endet, im wesentlichen nämlich der Temperatur des
Schmelzpunktes des Kühlstoffes. Im Gegensatz dazu erwärmt sich die normale, nicht
gekühlte Blockgießform von ihrer Ausgangswärme auf eine Endtemperatur, die beispielsweise
beim Gießen von Reinaluminium bei mindestens 3oo' C liegt, und führt die
Schmelzwärme des Gusses und einen Teil der fühlbaren Wärme dadurch ab, daß sie sich
erwärmt. Aus metallurgischen Gründen sind dieser Erwärmung Grenzen gesetzt. Der
Temperaturgradient wird sonst bei der Erstarrung des Innern des Gusses flacher,
wodurch andere Korngrößen usw. resultieren. Bei einer Gießform entsprechend der
Erfindung nimmt der Kühlstoff im schmelzenden Zustand die Wärme des Gusses auf.
Die Temperatur der Gießform bleibt im wesentlichen unverändert. Der mit einer solchen
Gießforrn hergestellte Guß ist in seinen Eigenschaften gleichmäßiger als bei der
üblichen Herstellungsart.
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Beim Stranggießen wirkt sich die Erfindung folgendermaßen aus: Hier
treten die Temperaturverteilungen, welche bei dem Blockguß zeitlich aufeinanderfolgend
an derselben Stelle auftreten, zeitlich gleichzeitig, aber in verschiedenen Höhen
des Stranges auf. In der Gießform stellt sich ein stationärer Wärmezustand ein.
Bei der Stranggießform kommt es durch die Wärmeleitung innerhalb der Kühlstoffe
dazu, daß über die ganze gewünschte Länge der Gießform-,vandung dieselbe hohe Temperatur
herrscht. Die Wärmeabfuhr ist dabei ziemlich hoch. Die hohe Gießformtemperatur hat
neben anderen metallurgischen Vorteilen noch den, daß der Strang sich später von
der Gießformwandung abhebt, als er dies bei den üblichen wassergekühlten Stranggießformen
tut. Bei den letzteren kühlen sich nämlich infolge der sehr hohen Temperaturdifferenz
zwischen Guß und Kühlmittel (Wasser) die Außenzonen des Gusses rasch sehr weit unter
ihre Erstarrungstemperatur ab und ziehen sich infolge der Wärmeschrumpfung zusammen.
Abgesehen von unerwünschten Verspannungen hat dies als weitere Folge das Abheben
des Stranges von der Gießformvvand zur Folge.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Bauart
der Gießformen ist es möglich, eine vergleichsweise hohe Erstarrungsgeschwindigkeit
des Gusses herbeizuführen, dabei aber die Nachteile der bisherigen schroffen Kühlung
in der Randzone zu vermeiden.
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Durch geeignete Wahl des Kühlstoffes kann bei den verschiedenen Metallen
das Sekundärgefüge stark beeinflußt werden, weil die Gießform ja den Guß bevorzugt
auf eine nur wenig über der Temperatur des Schmelzpunktes der Kühlstoffe gelegene
Temperatur abkühlt.
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Es empfiehlt sich, den Kühlstoff vor dem Gießen auf oder kurz unter
die vorbestimmteKühltemperatur vorzuwärmen.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform des Kühlverfahrens und der Gießformen
zu seiner Ausübung soll der Kühlstoff nur so weit aufgeschmolzen werden, daß ein
in Richtung zur tieferen Temperatur hin gelegener Teil fest bleibt. Dieser feste
Kühlstoffteil kann, was insbesondere für das Stranggießen in Betracht kommt, weil
hier dauernd mit ein und derselben Kühlstoffmenge gearbeitet werden muß, seinerseits
von einem dünnwandigen Kühlmantel hohen Wärmeleitvermögens umschlossen sein. Gegebenenfalls
kann aber auch unter Verzicht auf einen solchen Mantel das zweite Kühlmittel, z.
B. Wasser, unmittelbar auf diesen fest gebliebenen Teil des Kühlstoffes angewendet
werden.
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Die Erfindung soll in folgendem rechnerisch an zwei Beispielen für
einen Blockguß erläutert werden: Beispiel i ikg Gußeisen mit einer Schmelzwärme
von 23 kcal!kg und einem Schmelzpunkt von :[?,oo'C, einem mittleren Wert
der spezifischen Wärme von 0,13kcal/kg soll so abgekühlt werden, daß Perlit entsteht.
Als Kühlstoff wird Zink mit einem Schmelzpunkt von rund 420'C, einer Schmelzwärme
von 26,8 kcal/kg gewählt. Abzuführen sind demnach ans dem Guß die Schmelzwärine
von 23 kcal/kg und die fühlbare Wärme von (1200-4:20) 78o' X 0,13 =
100 keal, zusammen 1:23 kcal. Zu ihrer Abführung sind 4,6 kg
Zink erforderlich.
Wenn beispielsweise in eine Form von 6o mm Durchmesser einer Cu-Kokille von io mm
Wandstärke gegossen wird, deren Wärmeaufnahmefähigkeit vernachlässigt werden soll,
so ergibt eine einfache Rechnung, daß eine Zinkschicht von 36 mm Stärke um
die Gießforin herum die errechnete Menge Zink ergibt.
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Beispiel 2 Es soll ein Gußeisenstab mit vorwiegend Zwischenstufengefüge
in der Grundmasse gegossen werden. Zweckmäßig wird Natriumnitrat mit einem Schmelzpunkt
von 310' C und einer Schmelzwärme von 5 kcal/kg als Kühlstoff verwendet.
Spezifisches Gewicht 2,2. Abzuführen sind nach der gleichen Rechnung wie vorher
138 kcal. Die Masse des notwendigen Natriumnitrates müßte in diesem Falle
einen
Zylinder von 67 mm Wandstärke um die Gußform herum bilden, um die abzuführende
Wärme ohne Temperaturerhöhung aufzunehmen. Blei mit seiner geringen Schmelzwärme
von 5,7 kcal/kg ist weniger geeignet, da im vorliegenden Falle ein Zylinder
von 85 mm Wandstärke notwendig wäre, also verhältnisz mäßig große Kühlstoffmengen
notwendig sind.
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In der Zeichnung ist in schematischer Weise in Fig. i eine Blockgießform
und in Fig. ?, eine Stranggießform, jeweils von der Seite gesehen, im Schnitt dargestellt.
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Bei der Blockgießforin (Fig. i) bezeichnet i den foringebenden Teil,
der aus dünnwandigem Kupfer bestehen möge. Mit 2 ist ein Mantel bezeichnet, der
den formgebenden Teil i umschließt und der außerdem den Kühlstoff 3 enthält.
Es ist bei 3 a angedeutet, daß der Kühlstoff aufgeschmolzen, bei
3 b, daß er noch fest ist. Mit 4 ist der Gußblock bezeichnet. Für die Menge
des Kühlstoffes gelten die an den vorstehenden Beispielen erläuterten Überlegungen.
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Die in Fig. 2 schematisch dargestellte Stranggießform besteht aus
dem formgebenden dünnen Kupferrohr io und dem Mantel ii. Das Kupferrohr io umschließt
ein dicker Ring 12 aus Kühlstoff, z. B. Zink, und diesen seinerseits ein dünner
Kupfermantel 13-Mit 14 ist der zwischen dem Innenmantel 13 und dem Außenmantel i
i freibleibende ringförmige Wasserraum bezeichnet. Wie bei i2a angedeutet, ist der
Kühlstoffring 12 aufgeschniolzen; bei 2b ist er noch fest und wird
von dem bei 15 zu- und bei 16 abgeführten Kühlwasser im Sinne der Erfindung durch
die Kühlung in festem Zustand dauernd erhalten. Mit 17 ist der Gußstrang -und mit
18 die Metallzuführung bezeichnet.