DK144326B - Kokille til stringstoebning - Google Patents

Description

(19) DANMARK Γ|| /Τ'

Si (12) FREMLÆGGELSESSKRIFT on 144326 B

DIREKTORATET FOR PATENT- OG VAREMÆRKEVÆSENET

(21) Ansøgning nr. 3916/76 (51) |nt.CI.3 B 22 D 11 /OA

(22) Indleveringsdag 30· aug. 1976 (24) Løbedag 30. aug. 1976 (41) Aim. tilgængelig 22. apr. 1977 (44) Fremlagt 22. feb. 1982 (86) International ansøgning nr. -(86) International indleveringsdag -(85) Videreførelsesdag -(62) Stamansøgning nr. -

(30) Prioritet 21 . o.kt. 1975, 50/125904, JP

(71) Ansøger TAIHEIY0 KINZOKU KABUSHIKI KAISHA, Tokyo, JP.

(72) Opfinder Hirohiko Takahashi, JP: Yoshinao Otsuka, JP: Yuichiro

Sato, JP: Yoshiki Tsukamoto, JP.

(74) Fuldmægtig Kontor for Industriel Eneret v. Svend schønning.

(54)Kokille til strengstøbning.

Den foreliggende opfindelse angår en kokille til strengstøbning med intermitterende trækfremføring af metaller med en forskel mellem smelte- og størkningspunkt på over 100°C bestående af en til smeltebeholderen fastgjort vandkølekappe og af to i forlængelse af hinanden i denne og i en åbning i smeltebeholderens væg indsatte kokillerør, hvor røret længst væk fra beholderen består af grafit og har en længde, der er større end eller lig med længden af røret nærmest beholderen.

Som eksempler på sådanne metaller, der har en forskel mellem

2Q

smeltepunkt og størkningspunkt på over 100°C, kan nævnes hvidt stø-M bejern, højlegeret specialstøbejern, high-speed-værktøjsstål og ^ høj legeret kobber legering. Af praktiske grunde vil sådanne metaller i d- r— * 144326 2 nærværende beskrivelse også blive omtalt som de her omhandlede metaller.

En lodret type kontinuerlig støbemetode hvqr et smeltet metal hældes direkte i en vandkølet metalstøbeform har været almindeligt anvendt som en støbemetode som benyttes til sådanne metaller som ikke er tilbøjelige til at fremkalde defekter ved bratkøling, såsom almindeligt stål eller rust frit stål, og metoden er velegnet til masseproduktion. På den anden side har en horisontal type kontinuerlig støbemetode, hvor en grafitstøbeform er anbragt i en køler af vandkølingstypen, været anvendt til støbning af sådanne metaller som har en forholdsvis lav smeltetemperatur og som ikke reagerer med grafitten i deres smeltede tilstand.

Når et metal som er tilbøjeligt til at reagere med grafit støbes kontinuerligt under anvendelse af grafitstøbeform eroderes de dele af grafitstøbeformen som bringes i kontakt med det smeltede metal under kraftig forkortelse af støbeformens levetid og desuden er støbeprocessen forbundet med tilstedeværelse af et klæbefænomen ved størkningen af det smeltede metal, hvilket kan resultere i fremkaldelse af brud efter kort tids anvendelse eller at det bliver vanskeligt at trække det størknede metal fra støbeformen. Af disse grunde anvendes en sådan støbemetode ikke i parksis.

Man har desuden anset det som vanskeligt at anvende kontis nuerlig støbning med metaller der har en forskel mellem smeltetemperaturen og størkningstemperaturen på over 100°C, som fx hvidt støbejern, højlegeret specialstøbejern, high-speed-værk-• tøjsstål, kobberlegering med højt koboltindhold, kobberlegering med højt kromindhold, og kobberlegering med højt tinindhold, eftersom den dannede størknede skal i dette tilfælde er svag og det smeltede metal flyder dårligere i sammenligning med metaller med mindre forskel mellem smeltetemperatur og størkningstemperatur .

Som eksempler på kendte kokiller til strengstøbning kan nævnes kokiller med kokillerør af grafit beskrevet i NO patentskrift 86.960, DE patentskrift nr. 714.879 og DE offentliggørelsesskrift nr. 2.114.505. I disse kokiller kommer de smeltede metaller i direkte kontakt med grafitmaterialet, hvilket som nævnt betyder, at de kun kan benyttes til forholdsvis lavt-smeltende metaller, og således ikke kan benyttes til de her omhandlede metaller.

144326 3

Det er fra DE offentliggørelsesskrift nr. 2.114.505 endvidere kendt at kokillerøret strækker sig ind i smeltebeholderen. Denne udformning giver en indledende køling der forbedrer forløbet af størkningszonen. Imidlertid er det kendte kokillerør udformet således at det er stærkt udsat i tilfælde af fysisk overlast.

Fra DE fremlæggelsesskrift nr. 2.025.764 kendes en kokil-le med tre kokillerør efter hinanden. Det første kokillerør er uden kølekappe, det andet er af en Be-Cu-legering og underkastes kraftig køling, mens det sidste kokillerør er et grafitrør med moderat køling. Heller ikke denne kokille er velegnet til strengstøbning af de her omhandlede metaller med en forskel mellem smelte- og størkningspunkt på over 100°C.

Kontinuerlig støbning af metaller med en forskel mellem smelte- og størkningspunkt på over 100°C kan som det antydes ovenfor kun med store vanskeligheder eller slet ikke gennemføres med de kokiller, der kendes fra de ovennævnte trykskrifter. Dette skyldes for det første at de her omhandlede metaller har et bredt område, hvori de befinder sig i en halvsmel-tet tilstand, således at en lille forandring i varmebetingel-serne giver en mærkbar indflydelse på metallernes tilstand og egenskaber i den størknede form. For det andet er de størknede metalskaller så skøre, at disse skaller let bliver brudt på grund af deres ringe fysiske modstand i trækretningen.

For det tredie er metallerne sammensat af så mange legeringselementer, at tendensen til reaktioner med det ildfaste materiale er stor.

Det er formålet med den foreliggende opfindelse at tilvejebringe en kokille til strengstøbning af den ovenfor angivne art, som uden de ovennævnte vanskeligheder kan anvendes til støbning af metaller med en forskel mellem smelte- og størkningstemperatur på over 100°C.

Dette opnås med en kokille af den nævnte art, som er ejendommelig ved at kokillerøret nærmest smeltebeholderen består af et metalnitrid, et metalborid eller en blanding af disse materialer, at dette kokillerørs i kølekappen indskudte del har en længde, der er større end trækfremføringens slaglængde, og at dette kokillerør fra kølekappen på indføringssiden strækker sig ind i smeltebeholderens væg med en længde, der er større end kokillerørets vægtykkelse.

144326 4 I kokillen ifølge opfindelsen består således det første kokillerør, dvs. det rør der ligger nærmest smeltebeholderen, og som således afgrænser den første kølezone, af et metal-nitrid, et metalborid eller en blanding af disse materialer.

Disse materialer har følgende egenskaber: A) De virker befugtende overfor det smeltede metal B) De har et smeltepunkt, der ligger væsentligt højere end temperaturen af det smeltede metal, og de kryber ikke.

C) De har en forholdsvis høj varmeledningsevne.

D) De har en stor resistens mod varmechock og kan således modstå dels hurtige temperaturændringer og dels store temperaturgradienter .

Alle disse egenskaber ved det første kokillerør er nødvendige for at man skal kunne gennemføre kontinuerlig støbning af de her omhandlede metaller.

Ifølge opfindelsen har den i kølekappen indskudte del af det første kokillerør en længde, der er større end trækfremføringens slaglængde. Herved opnår man at det smeltede metal ikke kommer i kontakt med det andet kokillerør, der er af grafit.

Hvis derimod denne længde havde været kortere end trækfremføringens slaglængde ville det halvsmeltede metal komme i kontakt med det andet kokillerør og det ville være umuligt at gennemføre trækkeprocessen.

Endelig skal ifølge opfindelsen det første kokillerør fra kølekappens indføringsside strække sig ind i smeltebeholderens væg med en længde, som er større end kokillerørets vægtykkelse. Herved opnår man som følge af kokillerørets gode varmeledningsevne et passende forløb af kølingen i den smeltede zone og i den halvsmeltede zone i lighed med det der opnås med den kokille, der er kendt fra DE offentliggørelsesskrift nr. 2.114.5Q5. Ved kokillen ifølge opfindelsen er der imidlertid ikke et kokillerør, som stikker frit ind i smeltebeholderen, idet kokillerøret ifølge den foreliggende opfindelse sidder i smeltebeholderens væg, hvorved denne væg yder beskyttelse overfor fysiske påvirkninger.

Det ildfaste materiale har som nævnt en befugtende virkning på det smeltede metal, og det udviser en fremragende smørevirkning med en svag slidvirkning, således at den størknede støbeblok kan trækkes med en lav trækkraft, hvorved der ikke fremkommer brud i den størknede metalskal.

144326 5

Ved kontinuerlig støbning af et smeltet metal som reagerer med grafit kan man som materiale for et andet kokillerør på udgangssiden af kokillen ifølge opfindelsen på sikker måde anvende grafit med en indre diameter der er den samme som for det første kokillerør og med en hårdhed som er mindre end hårdheden hos det ildfaste materiale i det første kokillerør.

Som tidligere nævnt antages det at metaller med stor temperaturforskel mellem smeltepunkt og størkningspunkt, såsom hvidt støbejern, Fe-C-Cr-legeringer, Fe-C-W-legeringer, Fe-C-Mo-legeringer, Fe-C-Ti-legeringer, Cu-Cr-legeringer, Cu-Co-le-geringer og Cu-Sn-legeringer, er uegnede til kontinuerlig støbning og ved støbning af sådanne metaller, som har en temperaturforskel på over 100°C mellem smeltepunkt og størkningspunkt og som forekommer i en kemisk sammensætning der danner en eutetisk reaktion, er det vanskeligt at gennemføre en stabil kontinuerlig støbning under anvendelse af en konventionel kokille, da der i sådanne tilfælde dannes en fast metalskal som er forholdsvis svag og som således let brister ved de kræfter der indføres på grund af den kraft der er nødvendig til trækning af det størknede metal og de kræfter der dannes ved friktion mellem det trukne metal og kokillen. Med hensyn til støbeprodukternes kvalitet er endvidere de produkter cler vindes på konventionel måde i høj grad ringe med hensyn til overfladekvaliteten og med hensyn til den indvendige kvalitet på grund af den ringe flydeevne hos de smeltede metaller i det temperaturområde hvori metallerne er i den smeltede tilstand.

Disse ulemper undgås med kokillen ifølge opfindelsen, som er effektiv ved kontinuerlig støbning af metaller med en forskel mellem smeltetemperatur og størkningstemperatur på over 100°C og kan anvendes til fremstilling af kontinuerlige støbemetaller med fremragende kvalitet og i et langt tidsrum.

Opfindelsen skal nu belyses nærmere i det følgende under henvisning til tegningen, som viser en udførelsesform for kokillen ifølge opfindelsen.

Som vist på tegningen har et første kokillerør 1 af ildfast materiale et tværsnit med størrelsen D og et andet kokillerør 2 af ildfast materiale af grafittypen er indsat i en vandkøle-kappe 3 og indløbsenden af det første kokillerør 1 strækker sig ud over bagsiden af vandkølekappen 3 og er anbragt ved indervæg-gen af et fastgørelsesorgan eller fastgørelsessten 4 af ildfast 144326 6 materiale. Fastgørelsesstenen 4 er fastgjort til det første kokillerør 1 ved hjælp af et metallisk beskyttelsesorgan 6 og er yderligere fastgjort til vandkølekappen 3 ved hjælp af spæn-debolte 7. Det yderste organ, det metalliske beskyttelsesorgan 6 ved støbeformen der omfatter som vist ovenfor det første kokillerør 1 af ildfast materiale, det andet kokillerør af ildfast materiale 2, vandkølekappen 3, fastgørelsesklodsen 5, og det metalliske beskyttelsesorgan 6, indsættes vandtæt i en bindeblok 5 i en ovn der tilbageholder smeltet metal.

Størkningen af støbeblokken begynder ved den indre overflade af det første ildfaste kokillerør 1 og i nærheden af kontaktpunktet mellem det ildfaste fastgørelsesorgan 5 og vandkølekappen 3. Under en intermitterende trækstøbeproces vil stedet for den sektion S af størknet metalskal der vokser i løbet af det mellem trækperioderne liggende tidsrum en mellemliggende periode mellem trækforskydninger forskubbes til en stilling S' ved den efterfølgende trækning som vist på tegningen, og da kanten af skallen S' altid befinder sig inden for det første kokillerør 1 bringes det smeltede metal ikke i kontakt med det andet kokillerør 2. Størkningen af det smeltede metal der har fronten af størknet skal ved stillingen S' vokser til stillingen S under den mellem trækninger liggende periode. Den nødvendige længde af det første kokillerør 1 må være en længde £ af kontaktområdet mellem det første kokillerør 1 og vandkølekappen 3 plus en længde a af den forlængede del af kokillerøret 1, eftersom det er nødvendigt at det første kokillerør 1 strækker sig ind i det smeltede metal oven over kanten af den størknede skal S direkte før trækning. Det er desuden nødvendigt at længden £ er længere end tradcfranføringens slaglængde og den er hensigtsmæssigt 1-5 gange slaglængden, men det er ikke nødvendigt at længden er overdrevent længere. Med traåc-frenføringens slaglængde menes den forskubbede afstand der opnås i løbet af en periode fra den ene faststående tilstand til den næste. Det er også nødvendigt at længden a af den i ovnvæggen udragende del af det første kokillerør 1 er lige så stor som eller længere end tykkelsen b af det første kokillerør 1. Hvis længden a af den i ovnvæggen udragende del af det forste kokillerør 1 er kortere end tykkelsen b af det samme kokillerør, vil størkningen af det smeltede metal komme op til forenden af det første kokillerør 1, hvilket vil resultere i en forøgelse af traskmodstanden og slid eller brud af det første kokillerør 1 ved dets forendedel og der vil 144326 7 ligeledes opstå brud af den størknede metalskal og der vil fremkomme et fastklæbefænomen, hvilket giver brud eller gør det vanskeligt at trække yderligere i det størknede metal. Det er ikke nødvendigt at længden a af den i ovnvæggen udragende del er overdrevent længere. Tykkelsen b af det første kokillerør 1 er hensigtsmæssigt 5-20 cm. Hvis tykkelsen af kokillerøret er større end det ovennævnte område vil kølehastigheden for det smeltede metal sænkes hvorved produktiviteten af støbeprodukter nedsættes, mens man hvis tykkelsen er mindre end de ovennævnte værdier ikke vil kunne anvende kokillerøret i et langt tidsrum på grund af forekomsten af alvorligt slid. Det er nødvendigt at længden m af grafitkokillerøret 2 er 1-4 gange længden ϋ af kokillerøret 1. Hvis længden af grafitkokillerøret 2 er kortere end den ovennævnte værdi, vil der ikke opnås en tilstrækkelig kølevirkning; hvis længden er længere end den ovennævnte værdi vil trækmodstanden forøges under forkortelse af kokillerørets levetid. Desuden er tykkelsen b' af det andet grafitkokillerør 2 ikke nødvendigvis det samme som tykkelsen b af det første kokillerør 1, men hvis tykkelsen b' er alt for meget tyndere end tykkelsen b vil levetiden for kokillerøret 1 forkortes ved forekomst af alvorligt slid, og hvis tykkelsen b' er alt for meget tykkere end tykkelsen b vil kølehastigheden for det smeltede metal blive nedsat.

Ved kontinuerlig støbning af metaller forekommer det ofte at overfladen af det kontinuerlige støbemateriale har tendens til at blive afkølet uensartet hvorved der opstår en uensartet lokal afkøling af støbematerialet hvilket uungåeligt vil resultere i at der fremkommer slangebugtnings- eller meander-fænome-ner i det kontinuerlige støbemateriale. Slangebugtning i støbematerialet fremkalder en bøjningskraft eller bøjningsvirkning på kokillen og hvis basisdelen for den i ovnvæggen udragende del af kokillerøret 1 ikke beskyttes vil basisdelen hyppigt blive brudt, hvilket gør det vanskeligt at fortsætte støbeprocessen.

Denne vanskelighed kan overvindes fuldstændigt hvis man dækker basisdelen af den i ovnvæggen udragende del af det første kokillerør 1 ved hjælp af et fastholdelsesorgan af ildfast materiale 4 der er fastgjort derpå ved hjælp af et metallisk beskyttelsesorgan 6 som atter er fastgjort til en vandkølekappe 3 ved hjælp af spændebolte 7.

Opfindelsen belyses nærmere i det følgende ved hjælp af nogle eksempler.

δ

Eksempel 1 U4326

Smeltet metal: legeret hvidt støbejern.

Støbejernets kemiske hovedbestanddele: 2,5% C, 0,5% Si, 0,5% Mn og 2,5% Cr.

Forskel mellem smeltepunkt og størkningspunkt: 178°C (1301°O1123°C) .

Størrelsen af de enkelte dele i metalnitridkokillerøret: a = 15 mm, b = 10 mm, i = 100 mm og D = 60 mm 0.

Størrelsen af de enkelte dele i grafitkokillerøret: b' =8 mm, m = 200 mm og D = 60 mm 0.

Ved gennemføring af kontinuerlig metalstøbning med en trækningslængde på 50 mm under anvendelse af kokillen ifølge opfindelsen som vist på tegningen under de ovenfor beskrevne betingelser kunne 35050 kg hvidt støbejernsprodukt kontinuerligt trækkes i løbet af en trækningsperiode på 123 timer og 30 minutter. Støbeproduktet var en rund metalgenstand med en gennemsnitlig diameter på 60,5 mm.

Eksempel 2

Smeltet metal: 13%s Cr-stål.

Stålets kemiske hovedbestanddele: 1,2% C, 0,5% Si, 0,6% Mn og 13% Cr.

Forskel mellem smeltepunkt og størkningspunkt: 230°C (1430°C-1200°C).

Størrelse af de enkelte dele i metalnitridkokillerøret: a = 30 mm, b = 15 mm, I = 150 mm og D = 40 mm x 350 mm.

Størrelse af de enkelte dele i grafitkokillerøret: b = 15 mm, m = 300 mm og D = 40 mm x 350 mm.

Ved at gennemføre kontinuerlig metalstøbning med en trækningslængde på 70 mm under anvendelse af kokillen ifølge opfindelsen som vist på tegningen under de ovenfor beskrevne betingelser kunne 32800 kg støbemetalprodukt trækkes kontinuerligt i løbet af en trækperiode på 97 timer og 50 minutter. Det vundne produkt havde en middeltykkelse på 42 mm og en middelbredde på 352 mm.

Eksempel 3 9 144326

Smeltet metal: 24 Cr-støbejern.

Støbejernets kemiske hovedbestanddele: 2,3% C, 0,5% Si, 0,6% Mn og 24% Cr.

Forskel mellem smeltepunkt og størkningsprodukt: 120°C (1330°C-1210°C).

Størrelse af de enkelte dele i metalnitridkokillerøret: a - 25 mm, b = 15 mm, SL = 160 mm og D = 80 mm.

Størrelse af de enkelte dele i grafitkokillerøret: b' = 15 mm, m = 250 mm og D = 80 mm.

Ved at gennemføre kontinuerlig metalstøbning med en trækningslængde på 60 mm under anvendelse af kokillen ifølge opfindelsen som vist på tegningen under anvendelse af de ovenfor angivne betingelser kunne 28200 kg støbejernsprodukt trækkes kontinuerligt i løbet af en trækningsperiode på 75 timer og 30 minutter. Det vundne produkt var en firkantet genstand med en gennemsnitlig dimension på 80 mm.

Eksempel 4

Smeltet metal: kobberlegering med højt kromindhold.

Legeringens kemiske hovedbestanddele: 25% Cr og 75% Cu.

Forskel mellem smeltepunkt og størkningspunkt: 324°C (1400°C-1076°C).

Størrelse af de enkelte dele i metalnitridkokillerøret: a = 35 mm, b = 18 mm, X. = 180 mm og D 90 mm.

Størrelse af de enkelte dele i grafitkokillerøret: b' = 18 mm, m = 250 mm og D = 90 mm.

Ved at gennemføre kontinuerlig støbning af metallet med en trækningslængde på 80 mm under anvendelse af kokillen ifølge opfindelsen som vist på tegningen og under de ovenfor beskrevne betingelser kunne 52800 kg støbeprodukt trækkes kontinuerligt i løbet af en trækningsperiode på 148 timer og 35 minutter. Det vundne produkt var en firkantet genstand med en gennemsnitlig dimension på 92 mm.

Eksempel 5 144326 10

Smeltet metal: gråt støbejern.

Metallets kemiske hovedbestanddele: 3,2% C, 1,8% Si og 0,5% Mn.

Forskel mellem smeltepunkt og størkningspunkt: 137°C (1250°C-1123°C).

Størrelsen af de enkelte dele i metalnitridkokillerøret: a = 25 mm, b = 15 mm, l - 160 mm og D = 80 mm.

Størrelse af de enkelte dele i grafitkokillerøret: b' = 15 mm, m = 250 mm og D = 80 mm.

Ved at gennemføre kontinuerlig støbning af metallet med en trækningslængde på 75 mm under anvendelse af kokillen ifølge opfindelsen som vist på tegningen og under de ovenfor angivne betingelser kunne 95190 kg støbeprodukt kontinuerligt trækkes i løbet af en periode på 167 timer og 20 minutter. Det vundne produkt var en firkantet genstand med en gennemsnitlig dimension på 82,5 mm.

Ved at følge samme procedure som beskrevet ovenfor under anvendelse af en konventionel kokille af grafittype kunne kun 7500 kg støbeprodukt vindes i løbet af en periode på 12 timer og 50 minutter. Det fremgår af disse resultater at kokillen ifølge opfindelsen er ganske fremragende sammenlignet med den konventionelle kokille af grafittype.

De ovenfor detaljeret beskrevne trask og fordele ved den foreliggende opfindelse drejer sig alle om en lodret kontinuerlig kokilletype, men det vil forstås af fagmanden at der vil opnås næsten samme resultat hvis opfindelsen anvendes i forbindelse med andre typer kontinuerlige kokiller, som fx en kontinuerlig kokille af vandret eller skrå type.

Til forbedring af smeltebeholdervæggens beskyttelse mod fysiske påvirkninger kan man anbringe et metallisk beskyttelsesorgan ved den del af det første kokillerør, der rager ind i smeltebeholderens ildfaste væg, hvor dette rør møder det smeltede metal. Beskyttelsesorganet kan hensigtsmæssigt fastgøres til kølekappen for yderligere at sikre den fysiske stabilitet.

144326 11

Det er kendt at der ved den vandrette kontinuerlige støbning kan fremstilles kontinuerlige støbemetalprodukter med fremragende kvalitet, men der fremkommer et slangebugtningsfænomen i det kontinuerlige støbemateriale på grund af uensartet lokal køling af det kontinuerlige støbemateriale i kokillen hvilket giver en bøjningskraft i kokillen, hvilket i visse tilfælde kan resultere i at formen brister.

Por at undgå forekomst af brud af kokillen ved slangebugtningsvirkning i det kontinuerlige støbemateriale kan det første kokillerør af ildfast materiale være dækket med en fastholdelses-ring af ildfast materiale ved den del af kokillerøret der strækker sig eller rager ud over bagsiden af vandkølekappen ind i støbekarrets væg, fastgørelsesringen er fastgjort på det første kokillerør ved hjælp af et metallisk beskyttelsesorgan, og desuden er det metalliske beskyttelsesorgan fastgjort på kraftig måde til enden af vandkølekappen ved hjælp af mekaniske organer.

I den her omhandlede kokille er således det første kokillerør, det andet kokillerør af ildfast materiale af grafittype, vandkølekappen, fastgørelsesorganet af ildfast materiale og det metalliske beskyttelsesorgan forbundet stift til modvirkning af at kokillen brækkes i stykker som følge af det kontinuerlige støbe-. materiales slangebugtnings- eller meandervirkning.