DD239546A5

DD239546A5 - Verfahren zur einstellung der hoehe der beruehrungslinie der freien metalloberflaeche mit der kokille beim senkrechtguss

Info

Publication number: DD239546A5
Application number: DD85280752A
Authority: DD
Inventors: Charles Vives; Bernard Forest; Jean-Pierre Riquet
Original assignee: ��@��K@��@��@��@�}��@��k��
Priority date: 1984-09-19
Filing date: 1985-09-18
Publication date: 1986-10-01
Also published as: SG2388G; KR860002326A; FR2570304B1; AU4860485A; NO861808L; SU1473700A3; AU572700B2; BR8506926A; IS1336B6; DE3560766D1; IL76406A0; FR2570304A1; EP0195793B1; FI862091A0; UA5582A1; GB2164280A; NO165581B; FI862091A; PT81155A; GB2164280B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung der Hoehe der Beruehrungslinie der freien Metalloberflaeche mit der Kokille beim Senkrechtguss und findet beim Giessen von Halbzeugen, insbesondere aus Aluminium und seinen Legierungen wie Aluminium-Lithium-Legierungen Anwendung. Ziel ist es, den technisch-oekonomischen Aufwand zu verringern, das Auslaufen von Schmelze zu verhindern, Anfahrschwierigkeiten zu beseitigen und die Wartung zu vereinfachen. Die Aufgabe besteht darin, die Herstellung homogener Halbzeuge zu ermoeglichen, bei denen die Dicke der Kruste praktisch Null, das Korngefuege fein und die Haut porenfrei ist. Als Loesung wird vorgeschlagen, an die Schmelze waehrend ihres Erstarrens ein unterschiedliches periodisches Magnetfeld von zur Achse der Kokille genau paralleler Richtung anzulegen und die Staerke dieses Feldes je nach der gewuenschten Hoehe zu regeln.

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung der Höhe der Berührungslinie derfreien Metalloberfläche mit der Kokille beim Senkrechtguß und wird zum Gießen von Halbzeugen, insbesondere aus Aluminium und seinen Legierungen angewendet.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Beim Gießen von Halbzeugen aus Eisen- oder Leichtmetalle^wie Aluminium und seinen Legierunger^will der Fachmann Blöcke, Knüppel, Platten usw. von bestmöglicher physikalischer und chemischer Gleichförmigkeit erhalten, um das Auftreten bestimmter Fehler bei der späteren Umformung dieser Erzeugnisse zu Blechen, Drähten usw. zu vermeiden. Nun führen aber die meisten gegenwärtig in der Industrie angewandten Gießverfahren beim Übergang des Metalls vom flüssigen in den festen Zustand zur Bildung von mehr oder weniger großen Unregelmäßigkeiten, die im wesentlichen auf die von einer Stelle der Gießereierzeugnisse zur anderen unterschiedlichen Abkühlbedingungen zurückzuführen sind. So ist beim Gießen in Kokille mit vertikaler Strangführung, bei dem das Metall nacheinander indirekt durch Kokille und dann direkt durch Wasser gekühlt wird, an den Halbzeugen das Auftreten einer Außenschicht, der sogenannten „Primärkruste", festzustellen. Diese Schicht, deren Struktur und Zusammensetzung sich von denen des Halbzeuginneren unterscheiden, wird durch die indirekte Abkühlung des Metalls im Kontakt mit der Kokille hervorgerufen. Außerdem können weit weniger ausgeprägte, aber ebenso störende Unregelmäßigkeiten wie Oberflächenporen oder kleine Löcher auftreten, die insbesondere auf eine Verteilung des sich an der Oberfläche des flüssigen Metalls im Kontakt mit der Atmosphäre bildenden Oxidfilms in der Metallmasse zurückzuführen sind.

Es ist bereits eine gewisse Anzahl von mehr oder weniger zufriedenstellenden Lösungen entwickelt worden, die darauf abzielen, diese Unregelmäßigkeiten zu verhindern oder, zumindest, ihr Ausmaß zu mindern.

So wurde in der FR-PS 1 509962 empfohlen, den elektromagnetischen Guß anzuwenden, eine Technik, bei der durch eine Einschließung des Metalls mit Hilfe von elektromagnetischen Kräften die Kokille weggelassen werden kann und auf diese Weise die Bildung der Kruste verhindert werden kann, weil es keine indirekte Abkühlung mehr gibt. Dadurch wird eine Verbesserung der Homogenität der Halbzeuge erreicht

Jedoch weist diese Technik folgende Nachteile auf:

— das Gießgerät muß mit einer relativ komplizierten und teuren elektrischen Anlage ausgestattet werden, da Ströme außerhalb der Netzfrequenz (500 bis 4000 Hz) zur Verfügung stehen müssen, um ein entsprechendes Einschlußfeld zu schaffen,

— das Risiko, der Unregelmäßigkeit in Form von Oberflächenporen ist erhöht: einerseits aufgrund des Fehlens der Kokille und somit aufgrund der Vergrößerung der flüssigen Metalloberfläche, die oxydiert werden kann, und andererseits aufgrund der induktiven Badbewegung (der Schmelze), die durch das Einschlußfeld hervorgerufen wird, das in starkem Maße zur Dislokation des Oxidfilms und zu seiner Verteilung im Metall beiträgt,

— es ist oftmals schwierig, beim Anfahren des elektromagnetischen Gusses ein entsprechendes Einschlußfeld zu erzeugen,

— die Sicherheit des Personals kann in Frage gestellt werden, wenn Aluminium und seine Legierungen vergossen werden, da im Falle eines Stromausfalls die Schmelze nicht mehr eingeschlossen ist und sich über die Kokille hinaus ausbreitet und somit mit dem direkten Kühlmittel in Berührung kommen und zu einer Explosion führen kann.

Andere, einfachere Lösungen wurden auch vorgeschlagen, um die Dicke der Kruste zu verringern. Zum Beispiel wird in der FR-PS 1 398526 die Benutzung eines Fiberfrax-Streifens vorgeschlagen, mit dem die Kokille beklebt wird, so daß die Höhe des mit der Kokille in Berührung kommenden Metalls und somit die Folgen der indirekten Abkühlung vermindert werden. Jedoch kann die Verringerung der Höhe nicht ein für allemal festgelegt werden, da sie insbesondere von der Gießgeschwindigkeit abhängt. Auch muß, wenn dieser Parameter schwankt, entweder die Kokille gewechselt oder zumindest die Höhe des Streifens verändert werden. Dadurch ist diese Lösung, die schließlich nur zu einer teilweisen Vermeidung der Unregelmäßigkeiten führt, nicht flexibel genug.

Nach der in der FR-PS 1496241 beschriebenen Lösung werden die Nachteile der indirekten Abkühlung beseitigt, indem eine ungekühlte Graphitkokille verwendet wird, jedoch entstehen dann, aufgrund der Zerbrechlichkeit dieses Materials, Schwierigkeiten hinsichtlich der Wartung und häufigen Auswechslung der Kokille.

Eine andere Lösung besteht darin. Kokillen mit gerippter Innenfläche zu benutzen, mit deren Hilfe die Dicke der Kruste um mehr als 30% reduziert wird, wenn z. B. Aluminium 1050 vergossen wird. Jedoch sind neben der Bearbeitung dieser Kokillen,

durch die sich ihr Preis spürbar erhöht, die Nachteile anzutreffen, die sich aus der Einstellung der Kokille, und dabei der Rippen, auf jede Gießgeschwindigkeit ergeben.

Bekannt ist auch das Druckgießen mit Aufsatz, der sogenannte „HOT-TOP-Guß", aber auch er hat den Nachteil, zugleich zu einer periodischen Erstarrung der Senkung des Metallspiegels, Ursache von kleinen Vertiefungen an der Oberfläche der Halbzeuge, zu führen und Schwierigkeiten beim Anfahren zu bereiten.

Schließlich ist in der FR-PS 2417357 ein Verfahren offenbart, bei dem die Länge der Achse"des mit der Schmelze in Berührung kommenden Teils der Kokille verändert werden kann, indem eine auf der Innenwand der Kokille gleitende Manschette benutzt wird. Ein derartiges System hat bei einer zur unpassenden Zeit erfolgenden Erstarrung des Metalls den Nachteil, daß es zwischen der Kokille und der Manschette zu einer Haftung kommt, die bewirkt, daß die Teile, die zu dem Zeitpunkt vorhanden sind, wenn die Gleitbewegung erfolgen soll, herausgerissen werden.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, den technisch-ökonomischen Aufwand zu verringern, das Auslaufen von Schmelze zu verhindern, Anfahrschwierigkeiten zu beseitigen und die Wartung zu vereinfachen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Einstellung der Höhe der Berührungslinie der freien Metalloberfläche mit der Kokille beim Senkrechtstrangguß zu schaffen, das die Herstellung homogener Halbzeuge ermöglicht, bei denen die Dicke der Kruste praktisch Null, das Korngefüge fein und die Haut porenfrei ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß während ihrer Erstarrung ein periodisches Magnetfeld unterschiedlicher Stärke und von zur Achse der Kokille genau paralleler Richtung angelegt wird und die Feldstärke in Abhängigkeit von der gewünschten Höhe eingestellt wird.

So wurde festgestellt, daß, wenn um die Kokille eine aus einem Stromkreis bestehende Ringspule gebracht wird, wobei sich dieser aus einer oder mehreren Wicklungen zusammensetzt, und diese Ringspule mit Wechselstrom ausreichender Betriebsspannung gespeist wird, es gelingt, das Profil der Senkung des Metallspiegels und, insbesondere, die Höhe dieser Berührungslinie des Metalls mit der Kokille zu verändern, und dies um so mehr, je größer die Änderungen der Speisespannung und, korrelativ, der erzeugten Feldstärke sind.

Auf diese Weise kann, indem die Feldstärke erhöht wird, das Niveau vermindert und infolgedessen die Höhe der Berührungszone Metall-Kokille verringert werden, oder, im Gegensatz dazu, kann, indem die Feldstärke herabgesetzt wird, dieses Niveau erhöht und folglich diese Höhe vergrößert werden.

Der Nutzen eines solchen Verfahrens besteht somit darin, daß mit ihm nach Belieben die Höhe des Kontakts Metall-Kokille und folglich die Dicke der Kruste einfach mit einer Spule verringert werden kann, die mit Strom einer Netzfrequenz von 50 oder 60Hz gespeist wird, wobei jeder Stromausfall nur zur Folge hat, daß sich das Niveau des Metalls in der Kokille ändert, das heißt, daß jedes Risiko des Auslaufens von Schmelze ausgeschaltet wird, was beim elektromagnetischen Guß nicht der Fall ist.

Des weiteren.verhindert die Gegenwart einer Kokille, wobei die Möglichkeit der Oxydation der Schmelze in Höhe der Senkung des Metallspiegels begrenzt wird, durch ihren Kontakt mit dem Metall jede Verschiebung des Oxidfilms zur Seitenwand und somit jede Gefahr von Oberflächenporen des Halbzeugs.

Außerdem hat das an das Metall angelegte Feld auch zur Folge, daß in der Schmelze Kräfte erzeugt werden, die die Abkühlung homogenisieren und eine Gießkomfeinung begünstigen.

Die Spule, die das Magnetfeld erzeugt, ist vorzugsweise zur Form der Kokille symmetrisch, so daß sie ein Feld von zur Achse der Kokille genau paralleler Richtung erzeugt. Sie wird entlang dieser Achse angeordnet, so daß die Zone, in der das Feld eine maximale Wirkung ausübt, in einer Höhe der Kokille liegt, die zwischen der Hälfte und einem Drittel ihrer Höhe vom Boden aus liegt.

Mit einem solchen Verfahren kann bei einem Gießvorgang ein normales Anfahren unter bestmöglichen Bedingungen erfolgen, das heißt, bei einem hohen Niveau des Metalls in der Kokille. Dazu wird die Feldstärke verringert, eventuell bis zu ihrer völligen Aufhebung, so daß jede Änderung des normalen Niveaus des Metalls vermieden wird. In der Folge wird, um in den wirtschaftlichsten Bereich überzugehen, die Feldstärke erhöht, bis eine maximale Höhe erreicht wird, die zu einer minimalen Dicke der Kruste führt. Die maximal zulässige Feldstärke ist dadurch leicht festzustellen, daß, wenn sie überschritten wird, eine Verformung der Oberfläche des Gießereierzeugnisses auftritt.

Es genügt deshalb, diesen Wert beim Anfahren eines Testgusses zu bestimmen und ihn dann für alle Güsse desselben Typs zu benutzen.

Dieser Wert entspricht im allgemeinen dem Zeitpunkt, in dem das von der Berührungslinie erreichte Niveau der Höhe entspricht, in der die Schnittlinie zwischen der Erstarrungsfront infolge der indirekten Abkühlung und der Erstarrungsfront infolge der direkten Abkühlung beim herkömmlichen Gießen liegt. Die Kontakthöhe ist dann praktisch auf eine Kreislinie reduziert und es bildet sich keine Kruste.

Je nach Art der Gußlegierung soll mit verschiedenen Geschwindigkeiten gegossen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht, die Feldstärke zu verändern, um sie auf die Geschwindigkeitsänderungen einzustellen, und wie vorher die maximal zulässige Feldstärke für jede dieser Geschwindigkeiten zu bestimmen.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat im Vergleich zu den bekannten Verfahren folgende Vorteile:

— Benutzung von elektrischen Anlagen, die weniger kompliziert sind als die beim elektromagnetischen Gießen erforderlichen,

— leichter Übergang von der Gieß-Anfahrphase in den wirtschaftlichsten Bereich,

— leichte Anpassung an Schwankungen von Parametern wie der Gießgeschwindigkeit, da das Verfahren keinerlei Veränderung der Ausrüstung wie einen Austausch der Kokille erfordert,

— Anwendung auf jeden beliebigen Typ der herkömmlichen Kokillen,

— Fehlen jeglicher Vorrichtung, bei der Teile bewegt werden,

— weniger große Explosionsgefahren durch Auslaufen von Schmelze als beim elektromagnetischen Gießen.

— einerseits ist das Anfahren des Gusses um so leichter, je höher das Niveau des Metalls in der Kokille ist. Tatsächlich nähert sich der Schwimmer, der das Niveau und die Metallbelieferung der Kokille regelt, bei einer geringen Höhe der Erstarrungsfront und läuft Gefahr, bei Halbzeugen geringer Abmessungen, durch eine zur unpassenden Zeit erfolgende Erstarrung des Metalls blockiert zu werden und seine Aufgabe nicht mehr erfüllen zu können. Ebenso verbietet die leichte Krümmungserscheinung, die bei sehr breiten Halbzeugen eintritt, gleichfalls ein Anfahren bei niedrigem Niveau;

— andererseits empfiehlt es sich im wirtschaftlichsten Bereich, beim kleinstmöglichsten Niveau des Metalls in der Kokille zu gießen, da auf diese Weise die Höhe des Metalls, die mit der Kokillenwand in Berührung kommt, begrenzt und dadurch die Dicke der Kruste vermindert wird, die sich, wie weiter oben zu sehen war, hauptsächlich durch die Abkühlung des Metalls durch die Kokille bildet.

Es müßte also, ausgehend von einer herkömmlichen Kokille mit ihren Zufälligkeiten, daß heißt, unter Einhaltung eines konstanten Niveaus des Metalls in der Kokille, da dieses ja durch die Stellung des Schwimmers festgelegt und ausreichend ist, um den Betrieb des Schwimmers nicht zu behindern, die mit der Oberfläche der Kokille in Berührung kommende Höhe des Metalls so weit als möglich begrenzt werden können, was insgesamt darauf hinausliefe, ein Mittel zu finden, um die Höhe der Berührungslinie der freien Oberfläche der Schmelze mit der Kokillenwand einzustellen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung sind zwei Halbkokillen im Schnitt dargestellt, wobei die linke Hälfte der kokille den bekannten Stand der Technik darstellt und die rechte Hälfte der Kokille das erfindungsgemäße Verfahren dokumentiert.

In der Zeichnung sind eine Flüssigmetall-Belieferungsdüse 1,ein Schwimmer 2 zur Niveauregelung, eine Kokille 3, die direkt durch ein Kühlmittel 4 gekühlt wird, dargestellt. Das Metall 5 wird direkt an der Kühlstelle 6 gekühlt. Die rechte Halbkokille ist mit einer Spule 7 ausgestattet, die mit einer Wechselspannung gespeist wird, um ein Magnetfeld 9 in der durch den Pfeil angedeuteten Richtung zu erzeugen und das Sinken des Niveaus der Berührungslinie 10 der Metalloberfläche mit der Kokille auf die Höhe des Niveaus der Berührungslinie 11 zu bewirken, die in Höhe des Schnittpunktes 12 der Erstarrungsfront 13 von der in direkten Abkühlung und der Erstarrungsfront 14 von der direkten Abkühlung liegt. Die Berührungslinie 10 dokumentiert die Verfahrensweise nach dem bekannten Stand der Technik und die Berührungslinie 11 veranschaulicht die erfindungsgemäße Verfahrensweise.

Damit ist zu sehen, daß die Höhe des Kontakts des Metalls mit der Kokille von einer Höhe h, zu einer außerordentlich niedrigeren Höhe h₂, die mit der Berührungslinie 11 gleichgesetzt werden kann, verringert wurde.

Die Erfindung kann mit Hilfe der folgenden Anwendungsbeispiele veranschaulicht werden:

In der Kokille aus Aluminium von 320 mm Durchmesser und 100 mm Höhe wurde eine Aluminiumlegierung Typ 2214 gemäß den Normen der Aluminium Association mit einer Geschwindigkeit von 60 mm/Minute gegossen. Der Schwimmer regelt das Niveau des Metalls auf die halbe Höhe der Kokille, und das Kühlmittel kann mit der Haut des gegossenen Knüppels etwa 1 cm unter dem Kokillenboden in Berührung.

Bei einem ersten Versuch erfolgte der Guß nach der alten Technik, und eine mikrographische Untersuchung von verschiedenen Querschnitten des Knüppels ergab, daß die Außenkruste eine durchschnittliche Dicke von 18mm hatte.

Danach wurde eine Versuchsserie durchgeführt, bei der die Kokille von einer Ringspule von 372 mm Innen-und 465 mm Außendurchmesser und von 48mm Höhe umgeben wurden, die sich aus 120 Lagen lackisoliertem Kupferdraht von 3,35mm Durchmesser zusammensetzt und mit 50-Hz-Wechselstrom gespeist wird.

Jeder der Versuche wurde mit einer verschiedenen Spannung durchgeführt, und die entsprechenden durchschnittlichen Krustendicken sowie die Korngröße wurde nach der Schnittpunktmethode gemessen.

Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle aufgeführt:

Spannung in Volt 0 50 100 150 180

Krustendicke in mm 18 16 13 9 0

Korngröße ϊημμΓη 500 300 180

Es ist somit festzustellen, daß die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu einer allmählichen Reduzierung der Dicke der Kruste in dem Maß führt, in dem die Spannung an den Klemmen der Spule soweit erhöht wird, daß diese Dicke für eine Spannung von 180 Volt Null wird.

Gleichzeitig verringert sich die Korngröße derart, daß man ausgehend von einem Metall mit Körnern von 500 μηη beim herkömmlichen Guß, erfindungsgemäß Körner durchschnittlich 180μίτι erhält.

ι Darüber hinaus sind keine Oberflächenporen festzustellen. Diese Erfindung findet beim Gießen von Halbzeugen, insbesondere aus Aluminium und seinen Legierungen wie z. B. Aluminium-Lithium-Legierungen, Anwendung, bei denen zugleich die Bildung einer Kruste und die Bildung von Oberflächenporen verhindert werden sollen und eine Feinkörnung ohne vorherigen Zusatz von Feinungsmitteln wie AT5B erreicht werden kann.

Claims

Erfindungsanspruch:

1. Verfahren zur Einstellung der Höhe der Berührungslinie der freien Metalloberfläche mit der Kokille beim Senkrechtstrangguß, gekennzeichnet dadurch, daß an die Schmelze während ihres Erstarrens ein periodisches Magnetfeld von unterschiedlicher Stärke und von zur Achse der Kokille genau paralleler Richtung angelegt wird und die Feldstärke in Abhängigkeit von der gewünschten Höhe eingestellt wird.
2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Feld eine Netzfrequenz hat.
3. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Bereich, indem das Feld eine maximale Wirkung hat, bei einer · Höhe der Kokille liegt, die zwischen der Hälfte und einem Drittel ihrer Höhe vom Boden aus liegt.
4. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Feldstärke vergrößert wird, um die Höhe zu verringern.
5. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Feldstärke vermindert wird, um die Höhe zu vergrößern.
6. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß bei einem Gießvorgang die Feldstärke zum Zeitpunkt des Anfahrens erhöht und sie dann allmählich vermindert wird, und zwar bis zu einem maximalen Wert, oberhalb dessen sich die Oberfläche des Gießereierzeugnisses zu verformen Deginnt.
7. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Feldstärke verändert wird, wenn sich die Gießgeschwindigkeit ändert.