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Gießverfahren für Metalle Die Erfindung betrifft ein Gießverfahren
für Metalle. Zweck der Erfindung ist, ein Verfahren zu schaffen, das die Erzeugung
von Güssen hoher und gleichmäßiger Feinkörnigkeit mit einfachen Mitteln und unter
entsprechend geringem Energieaufwand ermöglicht.
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Einige Metalle zeigen im gegossenen Zustand eine ausgeprägte Kristallisation
mit Vorzugsrichtung, die sog. Stengelkristalle. Durch die Anisotropie, welche mit
einer solchen Vorzugsrichtung (Textur) verbunden ist, weisen solche Gußstücke neben
anderen Nachteilen ungleichmäßige Festigkeitseigenschaften in verschiedenen Richtungen
auf. Schon während des Gießens oder bei nachfolgenderVerformung, z. B. während des
Walzens usw., führt dies leicht zu unerwünschten Rissen oder Spannungen. Es sind
eine Reihe von Vorschlägen bekannt, welche sich mit der Bekämpfung der Transkristallisation
beschäftigen. Zum Beispiel wurde vorgeschlagen, während des Erstarrens solcher Metalle
festes Material derselben Zusammensetzung einzuführen und dadurch genügend hohe
Keimzahlen zu erzeugen. Weiter wurde schon vorgeschlagen, die Gießtemperatur ganz
dicht an die Schmelztemperatur herabzusetzen, außerdem die Kokille sehr warm zu
machen. Ferner sind Vorschläge bekannt, die Transkristallisation durch Erwärmen
der Außenzonen, welche sich ja an einer gekühlten Kokille rasch unter die Solidustemperatur
abkühlen, durch Hochfrequenzheizung einzuschränken.
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Es wird häufig in der Literatur die Auffassung vertreten, daß sich
die Kristalle bei der Erstarrung bevorzugt in die Richtung des Wärmeflusses einstellen.
Man übersieht bei dieser Formulierung allerdings, daß nach der üblichen Vorstellung
über den Erstarrungsvorgang auf der flüssigen Seite der Grenzschicht Kristall-Schmelze
höhere Temperaturen als die Temperatur des Schmelzpunktes herrschen, weil der für
die Kristallisation danach notwendige Wärmefluß auf Grund der Gleichungen über die
Wärmeleitung nur bei Vorhandensein einer Temperaturdifferenz im
flüssigen
Teil eintritt. Selbst wenn mit sehr großer Übertemperatur vergossen wird, ist ein
Temperaturunterschied in der noch flüssigen Schmelze nicht mehr nachzuweisen, sobald
eine dünne Außenkruste erstarrt Ist.
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Eigene Versuche mit stationärer Wärmeleitung am Schmelzpunkt haben
dagegen eindeutig gezeigt, daß unter bestimmten Voraussetzungen auch dann noch Wärme
transportiert werden kann, wenn zwar keine Differenz in der Temperatur, wohl aber
im Wärmeinhalt vorhanden ist. Ein Block von etwa 2o X 2o X 2o cm aus reinem Zink
wurde auf vier Seiten mit Schamotte- und Diatomitsteinen gegen Wärmeabstrahlung
isoliert; eine Seite wurde durch eine elektrische Widerstandsheizung beheizt, die
andere gegenüberliegende Seite vermittels einer Kühlung gekühlt. Heizung und Kühlung
wurden nun zunächst so abgestimmt (vgl. Kurvenblatt Kurve III), daß die eine Oberfläche
etwa eine Temperatur von 33o° C, die andere Seite eine solche von 41g° C hatte.
Zum Zwecke der Temperaturmessung im Innern war der Zinkblock in der Mitte von seiner
gekühlten zu seiner beheizten Seite durchbohrt, und es konnte ein Thermoelement
in die mit einem Porzellanrohr ausgefütterte Bohrung eingeführt werden. . Die von
Zentimeter zu Zentimeter gemessene Blocktemperatur lag erwartungsgemäß auf einer
Geraden III. Wurde nun die Heizung verstärkt und die Kühlung vermindert, so ergab
sich Kurve II. Die Temperatur stieg demnach von z bis 12 cm von 352 auf q.20° C
an und blieb dann von 12 bis 2o cm konstant auf diesem Wert.
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Bei weiter verstärkter Heizung wurde die Kurve I erhalten, bei der
die Temperatur von z bis 8,5 cm anstieg und von dort bis 2o cm konstant auf 41g°
C blieb.
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Die transportierte Wärme kann aus dem Temperaturgradienten, im festen
Teil des Zinks und aus den dafür bekannten Daten für die Wärmeleitzahl usw. zu etwa
2 bis 3ooo kcal/h berechnet werden. Bei weiteren Versuchen konnten bis g kcal in
der Sekunde transportiert werden.
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Damit ist erwiesen, daß ein Wärmetransport durch einen Stoff auch
dann möglich ist, wenn keine Temperaturdifferenz zwischen zwei voneinander entfernten
Punkten vorhanden ist, sofern der Stoff gerade schmilzt bzw. im Grenzfall gerade
vollständig geschmolzen ist. Die bisherigen Anschauungen über die Wärmeleitung bedürfen
offenbar einer Korrektur. Ein Transport von Wärme muß auch dann zwischen zwei räumlich
voneinander entfernten Punkten als vor sich gehend angenommen werden, wenn zwar
keine Temperaturdifferenz, wohl aber- ein Unterschied in den örtlichen Wärmeinhalten
vorhanden ist.
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Es erscheint richtig, die Versuchsresultate dadurch wiederzugeben,
daß in den verschiedenen bekannten 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 die Gleichung für die in z Stunde durch
eine ebene Platte geflossene Wärmemenge Qx = a F / D (q1
- q2).
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Die Konstante a, die in den bisherigen Gleichungssystemen die Temperaturleitfähigkeit
darzustellen hätte, erhält auf Grund dieser Erkenntnisse besser den Namen Wärmeleitfähigkeit;
ihre Dimension (m2/h) bleibt unverändert.
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Die Größe q enthält nicht nur die fühlbare Wärme, also diejenige,
die sich in der Temperatur bemerkbar macht, sondern auch die latenten Wärmen, wie
etwa die Schmelzwärme. Ein Transport von Wärme ist demnach auch dann möglich, wenn
zwar keine Temperaturdifferenz zwischen zwei räumlich voneinander entfernten Punkten
besteht (Differenz der fühlbaren Wärme), sondern ebenfalls dann, wenn eine Differenz
im Wärmeinhalt allein auftritt (Differenz in der latenten Wärme).
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Diese für den Schmelzpunkt charakteristische Abweichung von den normalen
Wärmeleitungsgesetzen kann so erklärt werden, daß man annimmt, die sich auf der
Temperatur des Schmelzpunktes befindende Schmelze sei keine reine Flüssigkeit, sondern
enthalte je nachdem, ob sie sich näher oder weiter von der Erstarrungsfront weg
befinde, mehr oder weniger Trübungsstoffe, wahrscheinlich solche Bezirke, bei denen
die Flüssigkeitsanordnung der Atome bereits der Anordnung im kristallinen, wahrscheinlicher
aber im amorphen Zustand Platz gemacht habe. Zur Herbeiführung dieser höheren Ordnung
ist Wärmeabgabe notwendig; diese Stellen enthalten also einen niedereren Wärmeinhalt,
nämlich um die Differenz der Energie im geordneten (kristallinen) zum mehr ungeordneten
Flüssigkeitszustand (= Schmelzwärme). Es ist leicht denkbar, daß eine Achse eines
solchen mehr geordneten Bezirks in der Schmelze am Schmelzpunkt sich bevorzugt in
die Richtung des Hauptwärmeflusses einstellen wird, besonders wenn man bedenkt,
daß auch die Wärmeleitfähigkeit in den verschiedenen Kristallrichtungen verschieden
groß sein kann.
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Diese Vorstellung macht es auch verständlich, daß Transkristallisation
weder bei sehr hohen noch bei sehr niederen Abkühlungsgeschwindigkeiten auftritt
(Abkühlungsgeschwindigkeiten auf den ganzen Guß bezogen).
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Es kommt deshalb im wesentlichen darauf an, die Bildung eines ausgeprägt
und über längere Zeit in der Richtung und Stärke annähernd konstant bleibenden Wärmeflusses
zu verhindern. Eine Aufheizung der erstarrten Außenschicht vermag nur eine sehr
beschränkte Verbesserung zu bringen, denn die Erhöhung der Außentemperatur müßte
sonst praktisch bis zu dem Erreichen des Punktes getrieben werden, bei dem man auf
die Verhältnisse einer extrem langsamen Abkühlung kommt; das ist betrieblich aber
nicht tragbar. Ebenso vermag eine mechanische Bewegung durch Beschallung mit Schall
oder Ultraschall keine ausreichende Veränderung der Temperatur- und Wärmeverteilung
zu bringen, außer vielleicht bei Anwendung extrem großer Bewegungsamplituden, die
aber nur äußerst schwer realisierbar wären. Beim heutigen Stande der Technik würden
überdies praktisch kaum lösbare apparative Schwierigkeiten für die Schallübertragung
bestehen. Eine wirkliche Bewegung der . Schmelze durch einen Rührer einer geeigneten
Form, was bei Leichtmetallschmelzen schon versucht worden ist, kann wohl eine Verbesserung
der Korngröße bringen, reißt aber unter Umständen durch das Ansetzen
von
erstarrenden Teilen an dem Rührer usw. den erstarrenden Kornverband wieder auf und
führt dann zu schlechten Festigkeitseigenschaften, von den technischen und betriebsmäßigen
Unzulänglichkeiten ganz abgesehen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden alle diese Nachteile, sei
es im Grad und der Gleichmäßigkeit der Wirkung, wie im apparativen Aufwand so gut
wie vollkommen beseitigt. Die Erfindung besteht darin, daß auf den erst teilweise
erstarrten Guß elektromagnetische Drehfelder angewendet werden, um örtliche Unterschiede
in der Temperatur und im Wärmeinhalt, besonders durch Hervorrufung einer geregelten
Drehbewegung in dem noch nicht erstarrten Teil auszugleichen und dadurch den Kristallisationsvorgang
im Sinne einer Vergrößerung der Kornzahl zu beeinflussen und Wärmespannungen im
Gußstück als Folge einer ungleichmäßigen Wärmeverteilung bei der Erstarrung zu unterdrücken.
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Durch die dem noch nicht erstarrten Teil des Gusses aufgezwungene
Drehbewegung werden örtliche Unterschiede in der Temperatur und im Wärmeinhalt ausgeglichen
und dadurch ein konstanter Wärmefluß von innen nach außen und die Einordnung der
Kristalle in dessen Richtung unterdrückt, mit dem Ergebnis einer ungeregelten gegenseitigen
Anordnung der Kristalle bei hoher Feinkörnigkeit. Hierzu trägt ferner bei, daß durch
die entstehende Bewegung der Wärmeaustausch zwischen dem flüssigen Teil, besonders
zwischen dessen Innerm und der Erstarrungsfront gesteigert wird, und zwar wird u.
a. jedenfalls die Wärmeübergangszahl zwischen der Schmelze und dem erstarrten Teil
verbessert. Darüber hinaus aber wird auch der Temperaturgradient in dem erstarrten
Teil aus zwei Gründen niedriger gehalten; es wird aus dem Innern mehr Wärme nachgeliefert
und es wird ferner der erstarrte Außenteil durch die in ihm entstehenden Wirbelströme
(er vermag ja dem Drehfeld nicht mehr zu folgen) erwärmt.
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Elektromagnetische Drehfelder sind schon auf geschmolzenes Metall
angewendet worden, um die überhitzte Schmelze durchzuwirbeln, die gelösten Gase
auszutreiben und sonstige Einschlüsse zu entfernen. Da erfahrungsgemäß die Gasblasen
dicht unter der Gußoberfläche sitzen, muß ihre Entfernung bereits erfolgt sein,
ehe die erste, wenn auch nur dünne Randerstarrung erfolgt.
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Die Erfindung unterscheidet sich von diesem Verfahren in grundsätzlicher
Weise dadurch, daß die Drehfelder auf den bereits teilweise erstarrten Guß angewendet
werden, also erst nach Erreichen der Schmelztemperatur im flüssigen Teil des Gusses.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich im besonderen Maße zur
Anwendung beim Stranggießen, weil gerade bei diesem Verfahren jeder Elementarquerschnitt
das Drehfeld durchwandert und seine Erstarrung unter praktisch vollkommen gleichen
Bedingungen beeinflußt wird. Dadurch wird die beim Strangguß bisher schon erreichte
hohe Gleichmäßigkeit noch erheblich gesteigert.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen nachstehend erläutert.
Es zeigt Fig. i in Seitenansicht teilweise geschnitten eine Blockkokille mit dreipoligem
Drehfeld, Fig. 2 die zu Fig. i gehörende Draufsicht, Fig. 3 das Schaltschema für
ein dreipoliges Drehfeld, Fig. q. eine Stranggießanlage mit Durchlaufkokille in
Seitenansicht, Fig. 5 die zu Fig. q. gehörende Oberansicht.
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Mit i (Fig. i und 2) ist eine Blockkokille, bestehend aus der inneren
formgebenden Wandung 2 und dem Wassermantel 3 bezeichnet; q. und 5 sind die Kühlwasserzu-
und ableitungsrohre.
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In konzentrischer Anordnung zur Kokillenachse befinden sich an deren
oberer Hälfte in Verbindung mit einem ringförmigen Joch 6 bzw. 7 je drei Polkerne
8, g, 1o bzw. 11, 12, 13 mit `'Wicklungen 14, 15, 16 bzw. 17, 18, r9, deren Schaltung
zu dem Drehstromnetz 20, 21, 22 sich aus Fig. 3 ergibt; 23 bezeichnet den Drehstromgenerator.
Die Anordnung ist mit einem Drehstromkurzschlußankermotor zu vergleichen. Die Polkerne
reichen (vgl. Fig. 2) bis dicht an die innere Formwandung :z heran.
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Der noch nicht erstarrte Kern M, des GußstückesM wird von dem bzw.
den beiden Drehfeldern in eine Drehung vorbestimmter Größe und Richtung versetzt,
und diese Drehbewegung wird bis zur völligen Erstarrung des Forminhaltes fortgesetzt.
Es werden dabei die örtlichen Unterschiede in der Temperatur und im Wärmeinhalt
fortwährend ausgeglichen, bei erhöhtem Wärmeaustausch zwischen dem flüssigen Teil
Ml und dem erstarrten Teil M2. Wie zahlreiche Untersuchungen an Güssen, z. B. von
Zink, gezeigt haben, wird die Ausbildung einer in Vorzugsrichtungen verlaufenden
stengeligen Kristallisation unterdrückt, und die Struktur fällt über dem ganzen
Formquerschnitt und die Blocklänge überraschend feinkörnig und gleichmäßig aus.
Dazu trägt außer der Drehbewegung bei, daß die in dem bereits erstarrten Teil M,
des Forminhalts induzierten Wirbelströme diesen Teil mäßig erwärmen, wodurch ein
gerichteter Wärmefluß zur Kokillenwand zusätzlich gestört wird.
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Fig. q. und 5 erläutern die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
beim Stranggießen.
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Es bezeichnet roo die Durchlaufkokille mit der inneren Formwandung
roi und dem Wassermantel rot mit Wasserzu- und -abflußstutzen 103 und 104- Mit 1o5,
roh, 107 sind schematisch die Teile eines Hubgetriebes bezeichnet, die den Tisch
io8, auf dem die Kokille steht, in auf und ab gehende Bewegung versetzen. Die Kokille
wird aus der Pfanne rog über die Rinne i 1o gespeist; der Gußstrang ist mit S bezeichnet;
Transportwalzen 111, 112 dienen, zu seiner Förderung.
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Am oberen Teil der Kokille, im Bereich der Haupterstarrungszone, sind,
wie bei der Blockkokille (Fig. i bis 3) zwei Joche 6 und 7 mit Polkernen 8, g, 1o
bzw. 11, 12, 13 und Spulen 1q., 15, 16 bzw. 17, 18, r9 in der aus Fig. 3 ersichtlichen
Schaltung angeordnet.
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Der noch nicht erstarrte Teil S i des Stranges S wird unter der Einwirkung
der Drehfelder in eine gleichförmige Drehströmung versetzt, die, wie bei der Blockkokille
näher beschrieben, einen gerichteten Wärmefluß vom Kern des Stranges zur Randzone
stört. Wie sich bei der betriebsmäßigen Erprobung des Verfahrens gezeigt hat, fällt
die Feinkörnigkeit und
Gleichmäßigkeit des Gusses noch bedeutend
besser aus als beim Blockguß, weil jeder Elementarquerschnitt des Stranges an der
gleichen Stelle der Kokille im gleichen Erstarrungszustande der gleichen Einwirkung
unterworfen wird.
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Die Drehgeschwindigkeit richtet sich nach der verlangten Kornzahl
und ferner nach der Art des Metalls, seiner Temperatur, den Kühlbedingungen, Gießgeschwindigkeit
und ist an Hand der Schliffbilder der Güsse leicht zu finden.