NO171303B - Fremgangsmaate og anordning for hot-top stoeping av reaktive metaller - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte og en anordning ved hot-top senkestøping av reaktive metaller slik som magnesium og magnesiumlegeringer.

Ønsket om en rasjonell støping av magnesium har resultert i overgang til senkestøping med bruk av "hot top". Dette er en prosess vanlig brukt for støping av aluminium. Senkestøping foregår ved at smeltet metall tilføres i den ene enden av en åpen kokille, som blir vannkjølt på utsiden. Metallet størkner på kokilleveggen og produktet føres kontinuerlig i størknet tilstand ut i den andre delen av kokillen, der "bolten" blir ytterligere nedkjølt av direkte vannkjøling. En hot-top kokille består i prinsippet av en vannkjølt kokille samt en isolerende keramisk hot-top som virker som et metallreservoar med uniform temperatur. Med den keramiske hot-toppen er det mulig å lage et rennesystem mellom flere kokiller, slik at flere bolter kan støpes samtidig.

For å få et best mulig produkt er det viktig å ha en god varmebalanse i kokillen. Størkningen bestemmes av kokilledesign, støpehastighet, kjølevannsmengde, metalltemperatur, metallnivå i kokilla samt mengde av smøremidlet som skal smøre mellom kokillevegg og bolt.

Feil støpeparametre kan medføre støpefeil og stygg overflate. Støpefeil oppstår også ved dårlige skjøter mellom hot-top og kokille, samt uheldig kokilledesign.

Ved hot-top støping av magnesium benyttes lette, porøse keramiske materialer med ekstremt lav varmeledningsevne som en del av kokillesystemet. Denne metoden er spesielt anvendelig for støping av bolter fra 100 mm diameter og oppover. Det er viktig at produktet har en jevn, glatt overflate uten støpefeil og oksyd for at det skal være egnet for ekstrudering. En glatt overflate er viktig for ekstruderingshastigheten. For bolter/ T-barrer som skal benyttes i aluminium-legeringer er det viktig at overflaten er oksydfri for å unngå forurensning av metallet. Det er også viktig at .det ikke fins sprekker/hulrom i overflaten der fuktighet kan trenge inn. Fuktighet i metallet vil når det tilføres aluminiumssmelten gi en voldsom eksplosiv fordampning som er en alvorlig sikkerhetsrisiko.

Utprøving av denne metoden for magnesium ga imidlertid et produkt med svart oksydbelegg og støpefeil. Dette er et vanlig problem som kan oppstå ved konvensjonell støping av reaktive metaller slik som magnesium og magnesiumlegeringer. Årsaken kan være bruk av feil støpeparametre. For høy hastighet eller for lite kjølevann kan medføre reaksjon mellom vanndamp og magnesium på grunn av utilstrekkelig primærkjøling. For mye vann, for høyt metallnivå eller for sen støpehastighet kan føre til ettersmelting av metall pga. dårlig varmetransport i luftgapet som dannes mellom kokille og metall når metallet krymper i størkningen. Den vanligste grunn til oksyd på overflaten er at det smeltede metallet oksyderer og oksydet blir dratt ned i kokilla langs overflaten av bolten.

For å hindre dette, er en vanlig brukt metode i magnesium-industrien å beskytte overflaten med en gass, slik som SF6. Når oksygen reagerer med smeltet magnesium blir det dannet et porøst oksyd som slipper luft igjennom, hvilket muliggjør videre oksydasjon. Funkjonen av SF6 kan muligens forklares ved at SF6-molekylet adsorberes på oksydoverflaten og hindrer lufttilgang for videre oksydasjon. Gassen gir beskyttelse ved inntil 1% blanding i luft.

Gassdekning med SF6 over smelta for å hindre oksydasjon ga i dette tilfellet ikke bedre resultat. Ved støping benyttes olje for smøring av kokillen. Det ble undersøkt om anvendte oljer kunne ha inneholdt fuktighet som forårsaket misfarging, men uten resultat. Det ble funnet at en årsak til støpefeilene var at det svarte oksydbelegget ble sittende fast i oljen og at dette forstyrret størkningsprosessen. Verken variasjon av støpeparametre eller arbeid med å finne alternative lufttette materialer med bedre dimensjonene toleranser ga noen endring i det endelige, produkt. Tettere materialer medfører dessuten høyere termisk ledningsevne og det kan være vanskelig å kontrollere varmebalansen i kokillen.

Til slutt ble årsaken til problemet funnet å kunne være at luft ble suget inn gjennom det porøse hot-top materialet samt gjennom skjøten mellom hot-top og kokille. Magnesium er et kraftig reduksjonsmiddel. Når metallet oksyderes forbrukes oksygenet i lufta og forårsaker et undertrykk som virker mot de porøse keramiske materialer med den følge at luft suges inn gjennom porene og alle skjøter ( selvgenererende vakuum ). Dette fører til at oksydasjonen fortsetter og bolten som støpes blir svart på overflaten.

Formålet med oppfinnelsen er således å forhindre oksydasjon av magnesium før og under størkning ved senkestøping ved bruk av porøse hot-top materialer.

Dette og andre formål med oppfinnelsen oppnås ved den fremgangsmåte og apparat som beskrevet nedenfor, og oppfinnelsen er nærmere definert og karakterisert ved de medfølgende patentkrav.

En mulig løsning på problemet vil være å belegge materialet med et gasstett isolerende meteriale inn mot metallet for derved å hindre gassgjennomgang. Dette viste seg i praksis å være vanskelig da det ikke er lett å finne et egnet materiale som både er bestandig mot Mg, har høy isolasjonsevne og er tett.

En annen løsning ville være å tette isolasjonsblokkene på baksiden og fjerne restluft i porene i isolasjonen.

Det ble overraskende funnet at det selvgenererende vakuum kunne utnyttes til å løse problemet. Ved å innføre en inert/ reduser-ende gass atmosfære bak hot-top materialet vil gassen virke oksydasjonshindrende på magnesium og forhindre videre oksydasjon. Best resultat ble oppnådd ved bruk av SF6 av høy konsentrasjon. Etter at porene er mettet, kan gassforbruket reduseres. Systemet må tettes for å hindre luft inntregning gjennom spalter osv. Det ble oppnådd et produkt med jevn overflate uten misfarging.

Oppfinnelsen skal nærmere beskrives med henvisning til de medfølgende tegninger, figur 1-2, hvor

Figur 1 viser kokillesystemet før oppstart.

Figur 2 viser systemet under drift.

Den beste løsningen på oksydasjonsproblemet ble funnet å være at hot-top materialet og eventuelle skjøter ble mettet med en beskyttelsesgass. Dette kan i praksis utføres ved at en beskyttelsesgass slik som SF6 av høy konsentrasjon føres inn i det lukkede rom mellom hot-top og hot-top mantel. Når luften i hot-toppen forbrukes, vil beskyttelsesgassen i stedet for luft suges inn i hot-top og skjøter og forhindre videre oksydasjon. Produktet blir da oksydfritt selv om skjøtene ikke er helt tette. Krav om tette skjøter ville vanskeliggjøre vedlikeholdet av hot-top og kokille.

Beskyttelsesgassen bør være av høy konsentrasjon. Ved forsøkene ble det benyttet svovelheksafluorid. Denne gassen kan også benyttes i blandinger med karbondioksyd og inertgasser. Andre beskyttelsesgasser inneholdende fluorider, klorider eller bor ider av høy konsentrasjon, kan også brukes.

I figur 1 er det vist hvordan en hot-top kokille med dekning av beskyttelsesgass kan settes opp. I figur 2 er samme system vist under støping. En isolerende hot-top 1 av et porøst keramisk materiale er plassert på en vannavkjølt kokille 2. Ved oppstart benyttes en startblokk 3 av stål eller aluminium. Vannet ledes inn i kjølekanalen 4 , kjøler kokilleveggen 5 og strømmer ut fra kokilla og direkte ut på det størknede skallet 6 på bolten (fig.2). Metallet blir tilført kokilla gjennom et rennesystem i hot-toppen eller gjennom et overføringsrør til kokilla. I rommet 7 mellom hot-top 1 og hot-top mantel 8 er det plassert et perforert rør 9 rundt hot-toppen som fordeler beskyttelsesgass jevnt i rommet. Gassen vil suges inn gjennom porene i de porøse keramiske materialer og eventuelle skjøter og derved beskytte det flytende metall og metallet i størkningssonen mot oksydasjon. Det er anordnet et deksel 10 på toppen for å hindre lufttilgang. Gasstrømmen kontrolleres gjennom et flowmeter. Et annet perforert gassrør 11 beskytter den smeltede metallflate 12 mot oksydasjon.

Følgende eksempel vil nærmere belyse oppfinnelsen.

Eksempel

En ren magnesium rundbolt med diameter 535 mm ble støpt i en hot-top kokille som vist på figurene. Støpehastigheten var 60 mm/min og kjølevannsmengden 30 m<3>/time. Bolten fikk en sort oksydert overflate. En volumstrøm på 2 dm<3>/min SFg ble tilført bak hot-top materialet, og oksydasjonen forsvant. Når det keramiske materialet var mettet med SF6 og hulrommet bak kokillen fylt, kunne gassmengden reduseres til under 0,5 dm<3>/min.

Claims (6)

1. Fremgangsmåte ved hot-top senkestøping av reaktive metaller, særlig magnesium og magnesiuminneholdende legeringer, karakterisert ved at hot-top materialet (1) og eventuelle skjøter tilføres en beskyttelsesgass.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at en beskyttelsesgass innføres i et lukket rom (7) bak hot-top materialet (1).

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at gassen fordeles via et perforert rør (9).

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karaterisert ved at, det anvendes SFg evnt. i blanding med andre gasser, eller tilsvarende gasser inneholdende fluorider, klorider eller borider som beskyttelsesgass.

5. Anordning for hot-top senkestøping av reaktive materialer, spesielt magnesium og magnesiumlegeringer, med en hot-top av et isolerende keramisk materiale (1) plassert på en vannavkjølt kokille (2) , karaterisert ved at det er anordnet et lukket rom (7) mellom hot-top (1) og en mantel (8) for innføring av beskyttelsesgass.

6. Anordning ifølge krav 5, karaktersert ved at et ringformet perforert rør (9) er anordnet for fordel-ing av gassen.