DE10115999C2

DE10115999C2 - Kokille mit Funktionsring

Info

Publication number: DE10115999C2
Application number: DE10115999A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Schneider; Manfred Langen; Stephen Instone
Original assignee: Vereinigte Aluminium Werke AG; Vaw Aluminium AG
Current assignee: Maerz Gautschi Industrieofenanlagen GmbH Germany
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2003-08-14
Anticipated expiration: 2021-03-31
Also published as: RU2220021C2; EP1245310A3; EP1245310A2; EP1245310B1; DE10115999A1; TW555602B; DE50203235D1; AU2935102A; DK1245310T3; ES2243611T3; US20020139508A1; JP3522731B2; ATE296697T1; NO20021444L; CA2379460C; AU783071B2; JP2002301547A; CA2379460A1; CN1386598A; PT1245310E

Description

Die Erfindung betrifft eine Heißkopfkokille für eine Stranggießanlage bestehend aus einem Heißkopf, der auf der Oberseite eines Trennmittelverteilers aufliegt und diesen mit seiner Unterseite gegen die Oberfläche einer Kokille drückt, wobei an der radial innenliegenden Fläche des Heißkopfes ein Überhang ausgebildet ist, der über den Trennmittelverteiler in Strangabzugsrichtung hinausragt und mit der Kokillenlauffläche einen Ringspalt bildet.

Eine Heißkopfkokille der eingangs genannten Art ist aus der EP 0566 865 A1 (VAW) bekannt, über den Trennmittelverteiler gelangt Trennmittel zur Oberfläche des Gussstranges, wobei auch zwei verschiedene Trennmittel separat oder als Trennmittelgemisch von zum Beispiel flüssigem Trennöl und gasförmigem Trennmedium zugeführt werden können. Es wurde bereits erkannt, dass es besonders günstig ist, wenn das Öl-Gasgemisch erst im Bereich der Kokille gebildet wird.

Aus der DE 29 06 261 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung für den direkten Kokillenguss von Nichteisenmetallen bekannt, bei der eine in axialer Richtung bewegliche Hülse 4 in der Kokille angeordnet ist, um während des Gießvorganges die Kontaktfläche zwischen Metallschmelze und Kokilleninnenwand zu verringern. Ferner ist im direkten Kühlbereich unterhalb der Kokille eine ringförmige, durchlässige Membran angeordnet, durch die Druckluft über Kanäle senkrecht gegen denn Metallstrang geblasen wird. Hierdurch soll der Metallstrang seitlich gestützt werden, während über ein unterhalb der Membran 11 angeordnetes Wasserrohr Kühlwasser auf das austretende Gussstück gerichtet ist.

Zur Vermeidung einer Berührung zwischen flüssigen Metall und wassergekühlter Kokille wird ein Streifen aus Fiberfrax über den Spalt zwischen Hülse und Kokille gelegt. Ferner werden Steuerungsanordnungen beschrieben, um entweder bei ortsfester Hülse die Kokille anheben und absenken zu können oder bei beweglicher Hülse diese über pneumatisch gesteuerte Kolben- und Zylindermotoren auf die jeweilige Kontaktflächenlänge einstellen zu können. Derartige Vorrichtungen sind kompliziert und wurden bisher nur bei geringen Legierungszusätzen, z. B. bei den 1200-Legierungen, eingesetzt.

Nach wie vor bestehen aber Probleme hinsichtlich der Gießbarkeit von sogenannten schwer gießbaren Legierungen, da hier die Oberflächengüte oftmals nicht ausreichend ist. Dies trifft insbesondere für die Blei-, Zink-, Zinn- und Kupferhaltigen Aluminiumlegierungen zu. Diese haben in letzter Zeit an Bedeutung zugenommen für die Herstellung von Sonderlegierungen und Automatenlegierungen, die bei hoher Schnittgeschwindigkeit eingesetzt werden sollen.

Ein anderes Problem ist die genaue Steuerung des Gasdruckes, der ausschlaggebend dafür ist, ob das Trennmittel die gesamte Oberfläche des Metallstranges erreicht. Bei Druckschwankungen kann es leicht zu Oberflächenfehlern kommen und bei zu hohem Druck besteht die Gefahr, dass Gas über das flüssige Metall entweicht.

Zur Lösung dieses Problems wird in der US-Patentschrift 4 732 209 (Pechiney) vorgeschlagen, einen Graphitring an der Kokilleninnenseite zu verwenden, dessen Porosität so eingestellt ist, dass ein unter Druck stehendes Gas von außen durch die offenen Poren des Graphitmaterials bis an die Innenseite der Kokille gedrückt wird und dort als Trennmittel zwischen der Oberfläche des entstehenden Metall Stranges und der Kokillenlauffläche wirkt. Nach unseren Erfahrungen können aber hiermit nicht die Probleme beim Herstellen von schwergießbaren Legierungen gelöst werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Heißkopfkokille der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass damit verschiedene Legierungstypen, insbesondere auch schwergießbare Legierungen mit befriedigender Oberflächenqualität hergestellt werden können. Zur Lösung wird vorgeschlagen, dass:

a) dass die Kokille 3 zur Kokillenlauffläche hin einen Funktionsring 5 umschließt, der zusammen mit dem Trennmittelverteiler 2 an den Oberflächen Funktionsflächen mit einstellbaren Rauhigkeiten bildet, wobei in den Trennmittelverteiler 2 radiale Kanäle an der Oberseite und Unterseite eingearbeitet sind,
b) dass an der Oberseite 2a des Trennmittelverteilers 2 radiale Gaskanäle für ein unter Druck stehendes Gasmedium angeordnet sind, während an der Unterseite 2b des Trennmittelverteilers 2 radiale Flüssigkeitskanäle ausgebildet sind, die an ein unter Druck stehendes Flüssigkeitsreservoir angeschlossen sind, wobei die Kanalquerschnitte zwischen Ober- und Unterseite sich verhalten wie 1 : 3-1 : 5,
c) dass in der Kokille 3 Kühlkanäle angeordnet sind, die bis in den Bereich unterhalb des Trennmittelverteilers 2 und des Funktionsringes 5 reichen zur Wärmeabfuhr im Ringspalt 14 und zur Ausbildung einer in Strangabzugsrichtung auftretenden, vom Gas- und Flüssigkeitsmedium erzeugten Schaumlage 16 und
d) dass der Heißkopf 1a, 1b von einem Außenring 4 zentriert und über einen Klemmring 6 mit der Kokille 3 verspannt wird, wobei der Außenring 4 an der Kokille 3 zum Austausch des Trennmittelverteilers 2 und des Funktionsringes 5 lösbar befestigt ist.

Gemäß Merkmal a) besteht die Erfindung in der Anwendung eines Funktionsringes 5 mit Funktionsflächen zum Trennmittelverteiler und zur Kokillenlauffläche hin. Die Funktionsflächen bilden Wandseiten mit definierter Rauhigkeit für die durch den Trennmittelverteiler geformten Kanäle, wobei es hier besonders günstig ist, wenn die Funktionsfläche eine Wandseite für den Flüssigkeitsführenden Kanalquerschnitt bildet. Es hat sich nämlich gezeigt, dass mit einer genau eingestellten Oberflächenrauhigkeit und -temperatur der Funktionsflächen eine definierte Viskositätsänderung des flüssigen Trennmittels zur Erzeugung einer stabilen Schaumlage erreicht werden kann.

Gemäß Merkmal b) wird der Trennmittelverteiler 2 auf der Oberseite 2a für die Ausbildung von gasführenden Kanälen und auf der Unterseite 2b für ein flüssiges Trennmittel verwendet. Die Kanäle müssen mit sehr hoher Präzision gefertigt werden, was beispielsweise durch Laserbearbeitung oder durch einen chemischen Ätzvorgang erreichbar ist.

Dabei kommt es bei dem Trennmittelverteiler auf das Verhältnis der Kanalquerschnitte zur Regelung der Zusammensetzung des Trennmittelgemisches an. Durch Kombination der Merkmale a) und b) kann eine Schaumbildung erreicht werden, die als hochviskoses Trennmittel besonders wirksam ist und insbesondere bei schwer gießbaren Legierungen eine sehr gute Oberflächenqualität ermöglicht.

Die Kühlung des Funktionsringes 5 erfolgt gemäß Merkmal c) durch in der Kokille 3 angeordnete Kühlkanäle, die bis in den Bereich des Funktionsringes reichen. In dieser Primärkühlzone wird eine Temperatur für die optimale Wirkung des Trennmittels eingestellt. In der anschließenden Sekundar-Kühlzone ist für eine schnelle Wärmeabfuhr gesorgt, da die Kühlkanäle hier in Strangabzugsrichtung verlaufen und in eine Schlitzsdüse münden. Hier wird der Druck des Kühlmittels abgebaut, so dass sich das Kühlmedium an den Aluminiumstrang anlegt und diesen so weiter abkühlt.

Gemäß Merkmal d) wird vorgeschlagen, den Heißkopf 1a, 1b durch einen Außenring 4 zu zentrieren und den Außenring 4 über einen Klemmring 6 mit dem Heißkopf 1a, 1b, dem Trennmittelverteiler 2 und der Kokille 3 zu verspannen. Nach Lösen des Klemmringes 6 und des Außenringes 4 können der Trennmittelverteiler 2 und Funktionsring 5 leicht ausgetauscht werden. Damit ist eine Anpassung der für die Schaumbildung verantwortlichen Oberflächen- und Kanalquerschnitte leicht möglich. Dadurch ist es möglich verschiedene Trennmittelverteiler und Funktionsringe je nach gewünschtem Legierungstyp schnell auszuwechseln.

Ferner ist es gemäß Anspruch 5 vorteilhaft, wenn für den Funktionsring 5 eine definierte, geschlossene Porosität und eine spezifische Dichte innerhalb enger Grenzen gewählt wird. Zusätzliche Verbesserungen in der Stabilität des Trennmittelschaums konnten durch weitere Versuche erzielt werden, wobei eine Kühlung des Funktionsringes 5 vorgenommen wurde, um die Viscositätseigenschaften an den Funktionsflächen konstant zu halten. Aufbau und Wirkungsweise der Funktionsflächen und der Kühlung wird in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Gemäß Anspruch 6 kommt es für den Luftanteil im Trennmittelschaum auch auf die Querschnittform der radialen Kanäle des Trennmittelverteilers und auf das Flächenverhältnis der Kanäle zur Ausbildung eines gleichmäßig über den Umfang verteilten Trennmittelschaumes an. Unter diesen Verhältnissen wird das Trennmittel besonders feinzellig und damit tragfähig ausgebildet, sodass die flüssige Komponente des Trennmittels reduziert werden kann.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen Heißkopfkokille in Explosions-Darstellung

Fig. 2 Darstellung der erfindungsgemäßen Heißkopfkokille beim Stranggießen (Prinzipbild) In der Gesamtdarstellung nach Fig. 1 sind folgende Systemteile der erfindungsgemäßen Heißkopfkokille angegeben, die ineinander gefügt sind: 1a Heißkopf
1b Heißkopf
2 Trennmittelverteiler
2a Oberseite
2b Unterseite
3 Kokille
3a Oberfläche
4 Außenring
5 Funktionsring
6 Klemmring
7 Aktivatorring
8 Bodenteil
9 Druckblech
10 Metallstrang
11 Ringspalt
12 Trennmittelschaum
13 -
14 Ringspalt
15 Kühlkanäle
16 Schaumlage

Wie aus den Patentansprüchen hervorgeht ist die Ausbildung bestimmter Funktionsflächen von entscheidender Bedeutung für die Bildung eines stabilen Trennmittelschaums. Die Funktionsflächen befinden sich oberhalb und unterhalb des

Claims

1. Heißkopfkokille für eine Stranggießanlage bestehend aus einem Heißkopf (1a, 1b), der auf der Oberseite (2a) eines Trennmittelverteilers (2) aufliegt und diesen mit seiner Unterseite (2b) gegen die Oberfläche (3a) einer Kokille (3) drückt, wobei an der radial innenliegenden Fläche des Heißkopfes (1a, 1b) ein Überhang ausgebildet ist, der über den Trennmittelverteiler (2) in Strangabzugsrichtung hin ausragt und mit der Kokillenlauffläche einen Ringspalt (11) bildet, dadurch gekennzeichnet,

a) dass die Kokille (3) zur Kokillenlauffläche hin einen Funktionsring (5) umschließt, der zusammen mit dem Trenn mittelverteiler (2) an den Oberflächen Funktionsflächen mit einstellbaren Rauhigkeiten bildet, wobei in den Trenn mittelverteiler radiale Kanäle an der Oberseite und Unter seite eingearbeitet sind,
b) dass an der Oberseite (2a) des Trennmittelverteilers (2) radiale Gaskanäle für ein unter Druck stehendes Gasmedium angeordnet sind während an der Unterseite (2b) des Trenn mittelverteilers (2,) radiale Flüssigkeitskanäle ausgebil det sind, die an ein unter Druck stehendes Flüssigkeitsre servoir angeschlossen sind, wobei die Kanalquerschnitte zwischen Ober- und Unterseite sich verhalten wie 1 : 3-1 : 5
c) dass in der Kokille (3) Kühlkanäle (15) angeordnet sind, die bis in den Bereich unterhalb des Trennmittelverteilers (2) und des Funktionsringes (5) reichen zur Wärmeabfuhr im Ringspalt (14) und zur Ausbildung einer in Strangabzug richtung auftretenden, vom Gas- und Flüssigkeitsmedium er zeugten Schaumlage (16)
d) und dass der Heißkopf (1a, 1b) von einem Außenring (4) zentriert und über einen Klemmring (6) mit der Kokille (3) verspannt wird, wobei der Außenring (4) an der Kokille (3) zum Austausch des Trennmittelverteilers (2) und des Funk tionsringes (5) lösbar befestigt ist,

2. Heißkopfkokille nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Funktionsring (5) aus Kupfer oder Kupferlegierun gen besteht.

3. Heißkopfkokille nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Funktionsring (5) aus Keramik- oder Composite- Werkstoffen besteht.

4. Heißkopfkokille nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Funktionsring (5) aus Graphit besteht.

5. Heißkopfkokille nach dem vorhergehenden Anspruch; dadurch gekennzeichnet, dass der Funktionsring (5) eine geschlossene Porosität von 0-20% und eine Dichte von 1,5-10 g/cm³ aufweist.

6. Heißkopfkokille nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die unteren radialen Kanäle des Trennmittelverteilers nach Art eines Diffusors ausgebildet sind, wobei an der radial außenliegenden Zuleitung des Trennmittelverteilers (2) ein etwa quadratischer Querschnitt und an der radial innenliegenden Ausgangsseite ein rechteckförmiger Quer schnitt mit einem Flächenverhältniss von mindestens 1 : 2 ausgebildet ist.

7. Heißkopfkokille nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Teil des Heißkopfes (1b) eine um etwa das 1,5-2,0fache vergrößerte Wärmeleitfähigkeit gegenüber dem oberen Teil des Heißkopfes (1a) aufweist.

8. Heißkopfkokille nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseite (2a) des Trennmittelverteilers (2) mit einem Aktivatorring (7) abgedeckt ist.