EP0183679B1

EP0183679B1 - Verfahren zur Herstellung von Block- und Formgussstücken sowie Vorrichtung zur Herstellung derselben

Info

Publication number: EP0183679B1
Application number: EP19850890289
Authority: EP
Inventors: Kurt Schwarz
Original assignee: Boehler GmbH
Current assignee: Boehler GmbH
Priority date: 1984-11-29
Filing date: 1985-11-27
Publication date: 1989-09-20
Also published as: EP0183679A2; EP0183679A3; AT395389B; DE3573083D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Block- und Formgußstücken aus einer höher schmelzenden Legierung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einer Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 6 zur Durchführung des Verfahrens.
Legierungen stellen in flüssigem Zustand eine Lösung von verschiedenen Elementen bzw. Verbindungen ineinander dar. Je nach Temperatur der Schmelze können bereits ungelöste bzw. ausgeschiedene Feststoffe vorliegen. Die Eigenschaft einer erstarrten Legierung beruht nun nicht alleine auf ihrer chemischen Zusammensetzung, sondern - wie hinläufig bekannt - einerseits auf der Modifikation, insbesondere Kristallmodifikation und auch Größe der einzelnen im Gefüge vorliegenden Kristalle. In der Regel wird ein Gefüge gewünscht, das möglichst feinkörnig ist, und eine möglichst gleichmäßige Verteilung der chemischen Elemente bzw. Verbindungen über den gesamten Block besitzt. Diese Forderung kann aber aufgrund des Vorliegens einer Lösung, die erstarrt, nicht erfüllt werden. Je tiefer die Temperatur der Schmelze ist, die in eine Kokille gegossen wird, umso eher kann eine gleichmäßige chemische und physikalische Zusammensetzung quer und entlang des Blockes erreicht werden, wobei allerdings ein Zentrumslunker entsteht, da das Material zu schnell erstarrt, und kein Nachfüllen des Materials aus dem Block selbt erfolgt. Weiters besteht die Gefahr, daß bei zu niedriger Gießtemperatur die Pfanne nur kurze Standzeiten aufweist, und daß ein Großteil der Schmelze nicht in die Kokillen verbracht werden kann, sondern in der Pfanne verbleibt.
Am vorteilhaftesten ist es, wenn eine schrittweise Erstarrung eines Blockes erfolgt, also dieser Block stufenweise aufgebaut wird, wobei jedoch bestimmte Abkühlungsbedingungen zur Erreichung einer hohen Qualität erforderlich sind. Diese Forderungen sind bei dem sogenannten Elektroschlackeumschmelzverfahren verwirklicht, da dort eine z. B. wassergekühlte Kokille vorgesehen ist, welche entweder entsprechend dem Blockwachstum angehoben wird, bzw. es wird der Block bei feststehender Kokille abgesenkt, wobei über eine in einem Schlackenbad befindliche Elektrode diese abgeschmolzen wird, wobei die Metalltropfen durch die flüssige Schlacke treten, dabei gereinigt werden, und im Schmelzensumpf aufgenommen werden. Wesentlich für die Qualität eines Elektroschlackeumschmelzblockes ist die Einhaltung bestimmter Wärmezufuhr- und Abfuhrparameter. Mit dem Elektroschlackeumschmelzverfahren können Blöcke höchster Qualität erreicht werden, wobei der Energieaufwand pro Gewichtseinheit Block bestimmend für den weiteren Einsatz der Blöcke ist.
Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Herstellung, insbesondere großer Blöcke besteht darin, daß in eine Kokille die Schmelze eingebracht wird, worauf auf die teilweise erstarrte Schmelze flüssige Schlacke aufgegossen wird, wobei dann über eine abschmelzende oder nicht abschmelzende Elektrode dem Block Wärme und/oder Schmelze zugeführt wird, sodaß eine wesentliche Anhebung der Qualität unter im wesentlichen gleichzeitiger Vermeidung eines Kopflunkers erhalten werden kann. Der Energiebedarf ist in diesem Falle zwar wesentlich geringer als bei dem Elektroschlackeumschmelzverfahren, jedoch da sich hier der Block während des Erstarrens in seiner Gesamtheit in einer Kokille befindet, ist die Zeitspanne, die bis zum Ausformen benötigt wird, und in welcher dem Block, wenn auch mit unterschiedlicher Menge, Energie zugeführt werden muß, noch immer unverhältnismäßig lang.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zur Herstellung von Block- und Formgußstücken zu schaffen, die ein möglichst gleichförmiges Gefüge aufweisen. Weiters soll das Verfahren ermöglichen, daß die Erstarrungsrichtung des Blockes nicht ausschließlich horizontal sondern in vertikale Richtung abgelenkt wird, d. h. die Erstarrung soll nicht nur von den Seitenflächen des Blockes zum Randinneren erfolgen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Block- und Formgußstücken, wobei eine Schmelze einer höher schmelzenden Legierung, insbesondere einer Eisen-, Nickel- oder Kobalt-Basislegierung im fallenden oder steigenden Guß in eine feststehende mehrteilige Kokille mit Bodenplatte gegossen wird, und worauf das Gußstück am Gußort entformt wird, ist gekennzeichnet durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Durch das Entfernen des unteren Kokillenbereiches vom Gußstück, und zwar unmittelbar nach dem Guß, also zu einem Zeitpunkt, wo sich erst eine tragfähige Blockhaut gebildet hat, wobei im selben Bereich die Schmelze noch vorhanden ist, kann erreicht werden, daß der untere Bereich ohne äußere Wärmebrücke gekühlt wird, womit die Wärmeableitung so erreicht ist, daß der Block vom Fuß beginnend aufgebaut werden kann. Dadurch, daß im Inneren ein flüssiger Kern vorhanden ist, wird auch der Aufbau des Blockes von unten nach oben aufgrund des internen Wärmeaustausches wesentlich verbessert.
Es sind zwar beispielsweise aus der US-PS 2 110 063, auf welcher die Oberbegriffe der Ansprüche 1 und 6 basieren, mehrteilige Kokillen bekanntgeworden, wobei der Fußteil der Kokille eine größere Wärmekapazität aufweist als die übrigen Teile der Kokille ; berücksichtigt man die beim Erstarren frei werdende Wärme, so erkennt man, daß dieses unterschiedliche Wärmeaufnehmevermögen aufgrund der unterschiedlichen Masse der Kokillenteile nur von untergeordneter Bedeutung sein kann. Im übrigen bezieht sich. diese Patentschrift auf ein spezifisches Verfahren zur Entformung von Gußteilen, wobei der bereits vollständig erstarrte Block durch Abheben des oberen Kokillenteiles samt Gußstück bei feststehendem unterem Teil der Kokille entfernt wird, worauf oberer Kokillenteil samt Block verfahren wird, und durch Aufsetzen des Blockes auf eine Unterlagsplatte die restliche Entformung vorgenommen wird.
Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung wird der entformte Teil des Gußstückes mit einem Kühlmedium, insbesondere einem Luftstrahl, dem gegebenenfalls Wasser beigemengt ist, beaufschlagt.
Diese Maßnahme ist besonders dann von Vorteil, wenn besonders große Blöcke gegossen werden, und/oder mit besonders stark überhitzter Schmelze gearbeitet werden muß, sodaß das Bestehen der Blockhaut sicher gewährleistet ist, wobei durch die Strömungsgeschwindigkeit bzw. Menge des beizumischenden Wassers die Kühlleistung genau reguliert werden kann.
Zusätzlich zu dem rascheren Abkühlen des Blockfußes kann auch vorgesehen werden, das Erstarren des Blockes im oberen Bereich auch noch zu verzögern, z. B. in dem Wärme, insbesondere über eine Elektrode z. B. abschmelzende Elektrode zugeführt wird.
Ein besonders einfach durchzuführendes Verfahren, daß gleichzeitig eine hohe Effizienz aufweist, ist dann gegeben, wenn der bzw. die oberen Teile der Kokille bei feststehendem Gußstück angehoben und der bzw. die untere(n) Teile vom Gußstück abgezogen wird/werden. Durch diese Vorgangsweise kann mit besonders geringem Aufwand das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden, wobei nur ein geringster apparativer Aufwand gewährleistet ist.
Die Kokille gemäß Oberbegriff des Anspruchs 6 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit zumindest zwei Teilen und gegebenenfalls Haube, wobei die Teile aufeinander setzbar sind, und zumindest der obere Teil Handhaben für Hebemittel aufweist, ist gekennzeichnet durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 6. Eine derartige Vorrichtung gestattet die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in besonders einfacher und effizienter Weise, da unmittelbar nach dem Guß schnell und ohne hohen Aufwand entformt werden kann, da keine eigenen Führungen od. dgl. störungsanfällige Elemente vorgesehen sein müssen.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung liegen die untersten Segmente auf einer gekühlten, insbesondere wassergekühlten Bodenplatte auf.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Beispiele und der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung ist eine Kokille teilweise im Schnitt dargestellt.
Auf einer Bodenplatte 1, die Kühlmittelkanäle aufweist, ist eine Kokille 2 angeordnet, die untere Segmente 3 besitzt, welche über die Zahnstangen 4 und Kurbeln 5 auf der Bodenplatte verschiebbar sind. Die Segmente weisen Paßstifte 6 und entsprechende Ausnehmungen 7 auf. Auf den Segmenten 3 sitzt der obere Teil 8 der Kokille auf, welcher Handhaben 9 für ein Seil 10, das über einen Kranhaken 11 gespannt gehalten wird, bzw. welcher zur Anhebung des oberen Teiles der Kokille dient, aufweist. Beim Guß wird nun derartig vorgegangen, daß die Schmelze im steigenden Guß in die Kokille also über die Bodenplatte eingebracht wird. Nachdem sich eine entsprechende Blockhaut gebildet hat, welche sich nach der Formel S = CVt- berechnet, wobei S die Schichtdicke in mm, t die Zeit in Minuten und C eine Konstante, die bei Stahl 25 mm/Y Minuten beträgt, wird der obere Teil 8 der Kokille angehoben, worauf die Segmente 3 der Kokille über die Zahnstangen 4 und Kurbeln 5 vom Block gezogen werden. Dadurch wird der Block im Fuß vollumfänglich von der Kokille befreit. Der Blockfuß kann damit schneller abkühlen. Gegebenenfalls kann auch ein Luftstrom dem Wasser beigemengt sein und gegen den Blockfuß gerichtet werden.
Kokillen dieser Bauart dienten zur Durchführung der im folgenden angeführten Beispiele.

Beispiel 1 :

In einem Elektroofen wurde eine Schmelze mit folgender Zusammensetzung in Gew.-% C 0,4, Si 0,3, Mn 0,6, Cr 0,8, Mo 0,3, Ni 1,9, Rest Eisen erschmolzen. Die Schmelze wurde mit einer Temperatur von 1 650 °C in die Pfanne abgestochen. Die Temperatur in der Pfanne betrug beim Beginn des Gießens 1 570 °C und es wurden 4 000 kg in 4 Minuten in Tandemguß vergossen. Beide Kokillen wiesen ein Verhältnis von Höhe zu Breite wie 2 : 1 auf, und die Kokillen waren leicht konisch.
Die Segmente der Kokille wiesen dieselbe Höhe wie der obere Teil der Kokille auf. Die zweite Kokille war eine herkömmliche ungeteilte Kokille. Vier Minuten nach beendetem Gießvorgang wurde bei dem Block, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herzustellen war, die Kokille durch Wegschieben der Segmente geöffnet. Die Dicke der Blockhaut betrug 5 cm. Nach zwei Stunden waren beide Blöcke vollkommen erstarrt. Nach Abkühlen auf Raumtemperatur wurden die Blöcke längsgeteilt. Der angefertigte Baumann-Abzug zeigte beim erfindunsgemäßen Block eine gleichmäßige Schwefelverteilung, wohingegen bei dem nach den herkömmlichen Verfahren hergestellten Block im Zentrum stärkere Seigerungen auftraten. Der Abstand der Dendritenäste, war bei dem erfindungsgemäßen Block am Rand 400 ± 83 µ und in Zentrum 264 ± 98 _w, wohingegen beim nicht erfindungsgemäßen Block der Dendritenästeabstand am Rand 200 ± 50 µ betragen hat, in der Mitte war der Abstand so kurz, daß keine Messung durchgeführt werden konnte. Der Abstand, der Dendritenäste voneinander ist ein Maßstab für die Abkühlgeschwindigkeit, und zwar derart, daß je größer der Abstand der Dendritenäste voneinander ist, umso größer ist die Erstarrungsgeschwindigkeit. Der Winkel, welcher die Dendriten mit der Horizontalen einschlossen, war bei dem erfindungsgemäß hergestellten Block bis 30°. Die Richtung der Dendriten gibt die Richtung der Erstarrung an und es ist daraus zu erkennen, daß die Erstarrungsrichtung beim erfindungsgemäß hergestellten Block wesentlich mehr vertikal ausgerichtet ist, als beim herkömmlichen Verfahren, wodurch eine bessere Erstarrung von unten nach oben erfolgt.

Beispiel 2 :

In einem Elektroofen wurden 50 t eines Stahles folgender Zusammensetzung in Gew.-% C 0,3, Si 0,3, Mn 0,3, Cr 1,3, Mo 0,4, Ni 2,0, Rest Eisen erschmolzen. Bei einer Ofentemperatur von 1 645° wurde in die Pfanne abgestochen. Die Temperatur der Schmelze in der Pfanne betrug 1 570 °C und es wurde in zwei Kokillen 16 Minuten lang gegossen. Das Verhältnis von Höhe zu Breite betrug 1,6 : 1. Bei der erfindungsgemäßen Kokille war die Höhe der Segmente doppelt so hoch, als jene des oberen Teiles des Kokille. Nach 10 Minuten und einer Blockhautdicke von ca. 8 cm wurde der untere Bereich des Blockes, welcher zwei Drittel der Gesamthöhe des Blockes betragen hat, entformt. Der Block war nach 7 Stunden erstarrt. Nachdem beide Blöcke auf Raumtemperatur abgekühlt waren, wurden sie der Länge nach geteilt. Sowohl am Rand als auch im Zentrum beider Blöcke und zwar im Rand in Höhe der Blockmitte wurden die Abstände der Dendritenäste, bzw. der Winkel, welcher die Dendriten mit der Waagrechten einschlossen, gemessen. Beim erfindungsgemäßen Block war der Abstand der Dendritenäste am Rand 205,8 ± 56 µ und im Zentrum 188,36 ± 51 µ ; der Winkel am Rand betrug 27°. Beim Block nach dem herkömmlichen Verfahren war der Abstand, der Dendritenäste am Rand 150 ±50 µ und im Blockzentrum war der Abstand nicht meßbar. Der Winkel der Randdendriten betrug 20°. Wie den obigen Angaben zu entnehmen, war die Erstarrung bei dem erfindungsgemäß hergestellten Block stärker in vertikaler Richtung ausgerichtet, als bei jenem des herkömmlichen Verfahrens, wobei gleichzeitig eine höhere gerichtete Erstarrungsgeschwindigkeit gegeben war.

Beispiel 3 :

In einem Elektroofen wurden 15 t einer Legierung folgender Zusammensetzung in Gew.-% C 2,0, Si 0,2, Mn 0,3, Cr 11,5, Rest Eisen, erschmolzen. Bei einer Schmelzentemperatur von 1 540 °C wurde in die Pfanne abgestochen. Beim Gießbeginn betrug die Temperatur der Schmelze 1 465 °C und es wurde 5 Minuten lang in zwei Kokillen gegossen, wobei das Verhältnis von Höhe zu Breite 1,5:1 1 betrug. Die Höhe der Segmente stimmte mit jener des oberen Teiles der Kokille überein. Nach vier Minuten wurde der untere Teil beim erfindungsgemäß herzustellenden Block entformt. Beide Blöcke waren nach 2 Stunden erstarrt und wurden nach Abkühlung auf Raumtemperatur der Länge nach geteilt. Der Abstand der Dendritenäste betrug im Zentrum des erfindungsgemäßen Blockes 196,20 ±47 µ und am Rand in selber Höhe 210,9 ± 39 µ. Der Winkel den die Dendriten mit der Horizontalen am äußeren Blockdrittel einschlossen, betrug 27°. Bei dem in Parallelguß hergestellten nicht erfindungsgemäßen Block betrug der Abstand der Dendritenäste im Rand 176,20 ± 49 µ, wohingegen im Zentrum der Abstand der Dendritenäste aufgrund der hohen Verästelung nicht gemessen werden konnte. Der Winkel den die Dendriten mit der Waagrechten einschlossen, betrug 18°. Der Baumann-Abzug zeigte deutlich, daß der erfindungsgemäße Block eine wesentlich gleichmäßigere Schwefel-Verteilung aufweist.

Beispiel 4:

In einem Mittelfrequenzofen wurden 3,5 t einer Nickelbasis-Legierung folgender Zusammensetzung in Gew.-% erschmolzen: C 0,1, Si 0,3, Mn 0,6, Cr 18,0, Rest Nickel. Bei einer Temperatur im Ofen von 1 520 °C wurde in die Pfanne abgestochen. Bei einer Schmelzentemperatur von 1 430° wurde in zwei Kokillen abgegossen. Das Verhältnis von Höhe zu Breite betrug 2,5 : 1. Die Konstante C entspricht bei Nickelbasis-Legierunn einem Wert von 23 mm/Vmin. Es wurde dementsprechend nach 5 Minuten die untere Hälfte des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herzustellenden Blockes entformt. Nach 1,5 Stunden waren beide Blöcke erstarrt und sie wurden der Länge nach geteilt. Der Winkel, welcher die Dendriten bei dem erfindungsgemäßen Block mit der Horizontalen einschlossen, betrug 31 °, wohingegen der entsprechende Winkel bei dem nicht erfindungsgemäß hergestellten Block 17° betrug. Auch hier war somit ein Erstarren des Blockes von unten nach oben wesentlich stärker bedingt, als bei einem nicht erfindungsgemäß hergestellten Block.
Wenn der Block während des Erstarrens im wesentlichen von unten nach oben erstarrt, können Verunreinigungen über eine Kristallisationsfront nach oben verschoben werden, womit ein hoher Anteil von unerwünschten Verunreingungen im Blockkopf angereichert werden. Wesentlich ist hiebei, daß der Block nicht konvex erstarrt d. h. eventuell am Schopf sich schließt bzw. « flaschenförmig » erstarrt, da in diesem Falle die Verunreinigungen im Zentrum des Blockes angereichert sind.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Block- und Formgußstükken, wobei eine Schmelze einer höher schmelzenden Legierung, insbesondere einer Eisen-, Nickel- oder Kobalt-Basislegierung, im fallenden oder steigenden Guß in eine feststehende mehrteilige Kokille (2) mit Bodenplatte (1) . gegossen wird, und worauf das Gußstück am Gußort entformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das sich im erstarrenden Zustand befindliche Gußstück in zumindest zwei Schritten entformt wird, wobei in einem ersten Schritt, bei bereits erstarrter Gußhaut und flüssigem Kern im unteren Bereich, dieser Bereich, insbesondere der Fuß des Gußstückes, vollumfänglich entformt wird, und ein Restteil, zumindest der Kopfteil des Gußstückes weiter bis zu dessen vollkommener Erstarrung in einem Teil (8) der Kokille (2) verbleibt, wonach in einem letzten Schritt der Kopfteil des Gußstückes entformt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der entformte Teil des Gußstückes mit einem Kühlmedium, insbesondere einem Luftstrahl, dem gegebenenfalls Wasser beigemengt ist, beaufschlagt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gußstück über dem Blockkopf bei entformtem unterem Bereich Wärme und gegebenenfalls Schmelze zugeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei entformtem unterem Bereich über eine Elektrode, insbesondere abschmelzende Elektrode, die vorzugsweise in eine zumindest teilweise flüssige Schmelze taucht, Wärme zugeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der obere bzw. die oberen Teil(e) der Kokille bei feststehendem Gußstück angehoben und der bzw. die untere(n) Teile vom Gußstück abgezogen wird/werden.

6. Kokille (2) für Blockguß, welche aus zumindest zwei Teilen (3, 8) aufgebaut ist, wobei die Teile (3, 8) aufeinander setzbar sind, und zumindest der obere Teil Handhaben (9) für ein Hebemittel oder Haltemittel (10, 11) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der untere Teil aus Segmenten (3) gebildet ist, die zumindest teilweise über die Segmente ragende Paßelemente (6, 7), insbesondere Paßstifte (6), die mit entsprechenden Paßausnehmungen (7) im anderen Segment kooperieren, aufweisen, und auf der Bodenplatte (1) schiebbar, insbesondere gegeneinander z. B. über Spindeln oder Zahnstangen (4), preßbar sind.

7. Form nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die unteren Segmente (3) der Kokille (2) auf einer gekühlten, insbesondere wassergekühlten, Bodenplatte (1) aufliegen.