EP0115312B1 - Method of centrifugal casting - Google Patents

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EP0115312B1
EP0115312B1 EP84100643A EP84100643A EP0115312B1 EP 0115312 B1 EP0115312 B1 EP 0115312B1 EP 84100643 A EP84100643 A EP 84100643A EP 84100643 A EP84100643 A EP 84100643A EP 0115312 B1 EP0115312 B1 EP 0115312B1
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EP
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mould
melt
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rotation
casting
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EP84100643A
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Yngve Dr. Techn. Sundberg
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ABB Norden Holding AB
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ASEA AB
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D13/00—Centrifugal casting; Casting by using centrifugal force
    • B22D13/12—Controlling, supervising, specially adapted to centrifugal casting, e.g. for safety reasons

Definitions

  • the invention relates to a method for centrifugal casting according to the preamble of claim 1.
  • a method for centrifugal casting is known for example from US-A-2 763 041.
  • the melt shows the tendency at the beginning of the casting process to spread in the mold in the form of a "snake” or spiral from the pouring end to the other end of the mold. This spiral leaves traces in the cast structure of the finished pipe that one would like to avoid.
  • a periodically varying rotational speed is superimposed on the basic rotational speed, the frequency and / or amplitude of which can preferably be controlled as a function of time or another parameter.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Moulding By Coating Moulds (AREA)
  • Continuous Casting (AREA)
  • Centrifugal Separators (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schleudergießen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ein solches Verfahren ist beispielsweise bekannt aus der US-A-2 763 041.The invention relates to a method for centrifugal casting according to the preamble of claim 1. Such a method is known for example from US-A-2 763 041.

In der US-A-2 763 041 wird eine automatische Gießmaschine beschrieben, die unter anderem auch zur Herstellung von nahtlosen Rohren in einer rotierbaren Kokille verwendbar ist. Die Kokille wird dabei von einem Motor angetrieben, dessen Drehzahl über einer elektronischen Steuereinrichtung steuerbar ist. Im übrigen zielt diese bekannte Maschine darauf ab, durch zyklische Arbeitsweise und genau aufeinander abgestimmte Steuerung der einzelnen Teile der Anlage Gußteile mit hoher Maßgenauigkeit zu erzeugen.An automatic casting machine is described in US Pat. No. 2,763,041, which can also be used, inter alia, for the production of seamless tubes in a rotatable mold. The mold is driven by a motor, the speed of which can be controlled by an electronic control device. In addition, this known machine aims to produce castings with a high degree of dimensional accuracy by means of cyclical operation and precisely coordinated control of the individual parts of the system.

Bei den bekannten Verfahren zum Schleudergießen mit einer zylindrischen Kokille zeigt die Schmelze zu Beginn des Gießverlaufes die Neigung, sich in der Kokille in Form einer "Schlange" oder Spirale vom Eingießende zum anderen Ende der Kokille auszubreiten. Diese Spirale hinterläßt in der Gußstruktur des fertigen Rohres Spuren, die man vermeiden möchte.In the known methods for centrifugal casting with a cylindrical mold, the melt shows the tendency at the beginning of the casting process to spread in the mold in the form of a "snake" or spiral from the pouring end to the other end of the mold. This spiral leaves traces in the cast structure of the finished pipe that one would like to avoid.

Ein anderes Problem bei dem vorgenannten Schleudergießen besteht darin, daß das Erstarren der Schmelze in der Gießform nicht nur von außen her erfolgt, sondern aufgrund einer im Rohr stattfindenden axialen Konvektion die Erstarrung auch von der Innenseite her einsetzt. Diese von innen einsetzende Erstarrung wirkt sich ungünstig auf die Gußstruktur aus.Another problem with the aforementioned centrifugal casting is that the solidification of the melt in the casting mold not only takes place from the outside, but also due to axial convection taking place in the tube, the solidification also starts from the inside. This solidification from the inside has an unfavorable effect on the cast structure.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte Verfahren zum Schleudergießen in der Weise weiterzuentwickeln, daß die spiralförmige Ausbreitung der Schmelze in der Kokille sowie das Erstarren der Schmelze von innen her vermieden werden.The invention has for its object to develop the known method for centrifugal casting in such a way that the spiral spreading of the melt in the mold and the solidification of the melt from the inside can be avoided.

Zur Lösung des erstgenannten Zieles wird gemäß der Erfindung ein Verfahren zum Schleudergießen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welches erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.To achieve the first-mentioned aim, a method for centrifugal casting according to the preamble of claim 1 is proposed according to the invention, which according to the invention has the features mentioned in the characterizing part of claim 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen genannt.Advantageous embodiments of the invention are mentioned in the claims.

Durch die genannte Steuerung der Rotationsgrundgeschwindigkeit wird erreicht, daß die sich ausbreitende Schmelze eine im wesentlichen gleichmäßige und ungebrochene Front während der ganzen Umdrehung bekommt. Es ist zu beachten, daß die Schmelze nicht gleich nach dem Eingießen die Rotationsgeschwindigkeit der Kokille annimmt. Die Rotationsgrundgeschwindigkeit wird auf einen solchen Wert gesteuert, daß die Frontgeschwindigkeit der sich ausbreitenden Schmelze in einem solchen Verhältnis zur Gießgeschwindigkeit steht, daß das gegossene Rohr über die ganze Umdrehung die genannte gleichmäßige und ungebrochene Front annimmt. Auf diese Weise wird verhindert, daß sich die Schmelze ganz oder teilweise in Gestalt einer Spirale vom Eingießende zum anderen Ende der Kokille ausbreitet.By controlling the basic rotational speed, it is achieved that the spreading melt has a substantially uniform and unbroken front during the entire revolution. It should be noted that the melt does not assume the speed of rotation of the mold immediately after pouring. The basic rotational speed is controlled to such a value that the front speed of the spreading melt is in such a relation to the casting speed that the cast pipe assumes the said uniform and unbroken front over the entire revolution. This prevents the melt from spreading in whole or in part in the form of a spiral from the pouring end to the other end of the mold.

Dadurch, daß nach der genannten Weiterentwicklung der Erfindung der Rotationsgrundgeschwindigkeit, die vorzugsweise von Null bis auf den vollen Wert steuerbar ist, eine periodisch variierende Rotationsgeschwindigkeit überlagert wird, wird in der flüssigen Schicht der Schmelze eine Turbulenz erzeugt, die einen Temperaturausgleich in der Schmelze herbeiführt, so daß ein Erstarren der Schmelze von innen her verhindert wird. Auf diese Weise wird die unerwünschte Bildung von Blasen im fertigen Gußstück vermieden.Because a periodically varying rotational speed is superimposed on the basic rotational speed, which can preferably be controlled from zero to the full value, according to the development of the invention mentioned above, turbulence is generated in the liquid layer of the melt, which brings about temperature compensation in the melt, so that solidification of the melt from the inside is prevented. In this way, the undesirable formation of bubbles in the finished casting is avoided.

Normalerweise rotiert die Kokille mit horizontaler Drehachse. Die Kokille kann im Sonderfall beim Eingießen jedoch auch mit einer schräg nach oben verlaufenden Drehachse (einstellbarer Winkel zur Horizontalebene) rotiert werden, wobei die Schwerkraft dazu beiträgt, die Schmelze während ihrer Ausbreitung zusammenzuhalten. Wichtig für ein gutes Gußprodukt ist natürlich, daß das Eingießen auf kontrollierte Art geschieht. Zu diesem Zweck kann beispielsweise die bekannte Technik des Gießens aus einem Druckofen angewendet werden, bei der das Niveau der Schmelze gesteuert oder geregelt wird.The mold usually rotates with a horizontal axis of rotation. In special cases, however, the mold can also be rotated with an upward rotating axis (adjustable angle to the horizontal plane), whereby gravity helps to hold the melt together as it spreads. It is of course important for a good cast product that the pouring takes place in a controlled manner. For this purpose, for example, the known technique of casting from a pressure furnace can be used, in which the level of the melt is controlled or regulated.

Anhand der Figuren soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen

  • Fig. 1 schematisch eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung,
  • Fig. 2 und 3 Darstelllungen zur Erläuterung der Wirkungsweise der Erfindung.
The invention will be explained in more detail with reference to the figures. Show it
  • 1 schematically shows an arrangement for carrying out the method according to the invention,
  • 2 and 3 representations to explain the operation of the invention.

Figur 1 zeigt, wie Schmelze (Stahl, Eisen, ein anderes Metall oder eine Metallegierung) aus einer Gießpfanne 1 über eine Gießschnauze 2 an dem einen Ende einer rotierenden Kokille 3 (zylinderförmiges Rohr oder Gießform) abgegossen wird. Die Kokille 3 rotiert mit einer Rotationsgrundgeschwindigkeit, die während des Gießverlaufs auf einen geeigneten Wert als Funktion der Zeit oder eines anderen Parameters vom Beginn des Abgießens gesteuert wird. Durch zweckmäßige Wahl der Rotationsgrundgeschwindigkeit vermeidet man, daß sich die Schmelze in Form einer "Schlange" ausbreitet.FIG. 1 shows how melt (steel, iron, another metal or a metal alloy) is poured from a ladle 1 via a pouring spout 2 at one end of a rotating mold 3 (cylindrical tube or casting mold). The mold 3 rotates at a basic rotational speed which is controlled to a suitable value as a function of time or another parameter from the start of the casting during the course of the casting. By appropriately choosing the basic rotational speed, it is avoided that the melt spreads out in the form of a "snake".

Der Rotationsgrundgeschwindigkeit wird eine periodisch variierende Rotationsgeschwindigkeit überlagert, deren Frequenz und/oder Amplitude vorzugsweise als Funktion der Zeit oder eines anderen Parameters steuerbar ist.A periodically varying rotational speed is superimposed on the basic rotational speed, the frequency and / or amplitude of which can preferably be controlled as a function of time or another parameter.

Durch diese überlagerte, periodische Variation der Rotationsgeschwindigkeit erhält man in der Schmelze 4 eine Turbulenz und damit einen Temperaturausgleich, so daß eine Erstarrung der Schmelze von innen her vermieden wird.This superimposed, periodic variation in the rotational speed results in turbulence in the melt 4 and thus in temperature compensation, so that solidification of the melt from the inside is avoided.

Das Verfahren zur Lösung des ersten Problemes kann mathematisch wie folgt erklärt werden:

  • Man geht von Joukowsky's Theorie für eine fortschreitende Welle in einem offenen Kanal aus (siehe Figur 2).
The procedure for solving the first problem can be explained mathematically as follows:
  • It is based on Joukowsky's theory for a progressing wave in an open channel (see Figure 2).

Wenn man plötzlich eine Klappe 5 heruntersetzt, tritt eine fortschreitende Welle längs des Kanals auf.If you suddenly lower a flap 5, a progressive wave occurs along the channel.

Wenn p die Dichte der Schmelze, b die Breite des Kanals, h die Höhe des Kanals, c die Strömungsgeschwindigkeit der Schmelze, g die Erdbeschleunigung, t die Zeit und u die Geschwindigkeit der Wellenfront ist, so kann nach dem Kraftgesetz geschrieben werden:

  • g p b h Δ h = p(u + c) Δ t bh
    Figure imgb0001
     wobei
  • Δ h =
    Figure imgb0002
     Δ c die Wellenfronthöhe ist. (1) Die Kontinuitätsgleichung wird
  • b(c - Δc) Δ t(h + Δh) + u ΔtΔhb = c Δt b h (2)
  • Die Gleichungen (1) und (2) ergeben zusammen u + c = /gh (3)
  • Wenn c = 0 ist, beträgt die Geschwindigkeit der Wellenfront
  • u = Vgh (siehe Figur 3) (4)
If p is the density of the melt, b the width of the channel, h the height of the channel, c the flow velocity of the melt, g the gravitational acceleration, t the time and u the speed of the wavefront, the following can be written according to the force law:
  • gpbh Δ h = p (u + c) Δ t bh
    Figure imgb0001
     in which
  • Δ h =
    Figure imgb0002
     Δ c is the wave front height. (1) The continuity equation becomes
  • b (c - Δc) Δ t (h + Δh) + u ΔtΔhb = c Δt bh (2)
  • Equations (1) and (2) together give u + c = / gh (3)
  • If c = 0, the speed of the wavefront is
  • u = Vgh (see Figure 3) (4)

Aus Gleichung (4) geht hervor, daß die Geschwindigkeit u von der Erdbeschleunigung abhängt.Equation (4) shows that the velocity u depends on the acceleration due to gravity.

Bei einer rotierenden, zylindrischen Kokille wird die Erdbeschleunigung durch die Zentrifugalbeschleunigung a =

Figure imgb0003
ersetzt, wobei v die Umfangsgeschwindigkeit und r der Innenradius der Kokille ist. Durch Veränderung der Rotationsgeschwindigkeit kann somit die Geschwindigkeit der Wellenfront beeinflußt werden.In the case of a rotating, cylindrical mold, the gravitational acceleration is determined by the centrifugal acceleration a =
Figure imgb0003
 replaced, where v is the peripheral speed and r is the inner radius of the mold. The speed of the wavefront can thus be influenced by changing the rotational speed.

Zahlenbeispiel: Kokille mit dem Innenradius r = 0,1 m, rotierend mit n = 1000 r/m. Für die Umfangsgeschwindigkeit ergibt sich:

  • v =
    Figure imgb0004
     = 2π
    Figure imgb0005
     0,1 = 10,5 m/s
  • Die Zentrifugalbeschleunigung beträgt
  • a =
    Figure imgb0006
     = 1097 m/s2 = 112 g
  • Ferner wird angenommen (siehe Fig. 3), daß h = 0,02 m
  • Damit ergibt Gleichung (3):
  • u = Y l 12g x 0,02 = 4,69 m/s.
Numerical example: mold with the inner radius r = 0.1 m, rotating with n = 1000 r / m. The following results for the peripheral speed:
  • v =
    Figure imgb0004
     = 2π
    Figure imgb0005
     0.1 = 10.5 m / s
  • The centrifugal acceleration is
  • a =
    Figure imgb0006
     = 1097 m / s 2 = 112 g
  • It is further assumed (see Fig. 3) that h = 0.02 m
  • Equation (3) gives:
  • u = Y l 12g x 0.02 = 4.69 m / s.

Diese Geschwindigkeit ist hoch und erklärt, weshalb am Anfang des Gießverlaufes eine "Schlange" gebildet wird. Die Geschwindigkeit wird durch Verringerung der Rotationsgeschwindigkeit herabgesetzt.This speed is high and explains why a "queue" is formed at the beginning of the pouring process. The speed is reduced by reducing the speed of rotation.

Wenn das Anfangsstadium zu Ende ist, kann es zweckmäßig sein, die Rotationsgeschwindigkeit zu erhöhen, damit die Wanddicke gleichmäßig genug wird.When the initial stage has ended, it may be appropriate to increase the speed of rotation so that the wall thickness becomes even enough.

Bezüglich des Problems der Erstarrung von innen, kann die nachstehende Studie einen Begriff bezüglich der erforderlichen Amplitude der überlagerten, periodisch variierende Rotationsgeschwindigkeit vermitteln. In dem vorstehenden Zahlenbeispiel beträgt die Umfangsgeschwindigkeit 10,5 m/s. Wenn die Rotationsgeschwindigkeit um 10 % mit einer genügend hohen Frequenz variiert wird, dann vermag die Schmelze am Innenradius den Variationen nicht zu folgen; man erhält also eine Relativgeschwindigkeit von ca. 1 m/s zwischen der Schmelze am Innenradius und der Schmelze an der Erstarrungsfront. Diese Relativgeschwindigkeit soll hoch genug sein, um eine Turbulenz zu bewirken.Regarding the problem of internal solidification, the following study can provide a term regarding the required amplitude of the superimposed, periodically varying rotational speed. In the above numerical example, the peripheral speed is 10.5 m / s. If the rotation speed is varied by 10% with a sufficiently high frequency, then the melt on the inner radius cannot follow the variations; you get a relative speed of approx. 1 m / s between the melt on the inner radius and the melt on the solidification front. This relative speed should be high enough to cause turbulence.

Claims (5)

1. Method for centrifugal casting in a cylindrical mould or casting mould (3) with the melt being tapped into one end of the mould and the speed of rotation of the mould being controllable, characterized in that the speed of rotation is composed of a basic speed component, controllable preferably from zero to full value, and a periodically varying speed component, the frequency and/or amplitude of which being selected such that the inner layers of the melt are incapable of following the variations in the periodically varying speed component, and that the basic speed component is controlled to such a value, that the speed at which the front of the melt (4) propagates from the tapping end (2) to the other end of the mould (3) in relation to the casting speed is such, that the front of the melt expands substantially evenly and uninterruptedly around the entire circumference of the mould.
2. Method according to claim 1, characterized in that the axis of rotation of the mould (4) extends horizontally or approximately horizontally.
3. Method according to claim 1, characterized in that the axis of rotation of the mould (4) is inclined relative to the horizontal plane.
4. Method according to claim 1, characterized in that the mould (4) is rotated, at least during part of the process, in a position with an upwardly-directed angle counting from the tapping end (2).
5. Method according to any of the preceding claims, characterized in that the tapping of the melt is performed under automatic regulation or control of the flow as a function of the time from the start of the tapping.
EP84100643A 1983-01-28 1984-01-21 Method of centrifugal casting Expired EP0115312B1 (en)

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SE8300436A SE450694B (en) 1983-01-28 1983-01-28 SET FOR CENTRIFUGAL CASTING OF Pipes
SE8300436 1983-12-07

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EP0115312A1 EP0115312A1 (en) 1984-08-08
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EP (1) EP0115312B1 (en)
JP (1) JPS59141357A (en)
DE (1) DE3463008D1 (en)
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