DE1261634B - Verfahren zum Kuehlen beim Stranggiessen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

B22d

Deutsche Kl.: 31 b2-11/12

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

A48382VI a/31 b2
12. Februar 1965
22. Februar 1968

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Kühlen beim Stranggießen durch unmittelbares Aufbringen von Kühlmittel auf den aus der Stranggießkokille austretenden Strang, bei dem der Kühlmittelstrom in seiner Stärke verändert wird.

An den Stellen, an denen das Metall beim Stranggießen den Anfahrkopf berührt, dem sogenannten Strangfuß, und an den Seitenwänden der Kokille bildet sich zunächst eine feste Metallhaut, die den sogenannten Sumpf umschließt. Man entzieht dem Strang Wärme, indem man auf seine Oberfläche dicht unterhalb des unteren Randes der Kokille Wasser auftreffen läßt. Beim Strangguß von Aluminiumbarren unter direkter Kühlung, wie es die Regel ist, ist der Strangfuß nach dem Erhärten zunächst eben. Sobald sich jedoch etwa 2,5 bis 5 cm Strang gebildet haben, wölbt sich das Strangende konvex und nimmt etwa die Form eines Kugelsegments an. Die Wölbung setzt sich fort in dem Maße, wie der Strang länger wird und die Abkühlung fortschreitet. Dies führt zu einer Einschnürung, wobei sich der Querschnitt des Stranges unmittelbar über der gewölbten Endfläche leicht vermindert.

In vielen Fällen hat die Wölbung zur Folge, daß das Metall an der Einschnürung stellenweise kleine Durchbrüche zeigt, die durch das auftreffende Kühlwasser zu sogenannten Ausschwitzungen erstarren. Diese Fehler müssen vor dem Walzen beseitigt werden, was zu Zeit- und/oder Materialverlusten führt.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Kühlung des Stranges so zu steuern, daß man Metallbarren mit praktisch ebenem Strangfuß erhält.

Es wurde experimentell festgestellt, daß die Wölbung des Strangendes auf Wärmespannungen zurückzuführen ist, die infolge des longitudinalen Temperaturgradienten in der Oberflächenregion des Stranges auftreten. Um den Temperaturgradienten zu vermindern, muß man die Wärme langsamer als üblich vom Strangfuß abführen, so daß der unmittelbar mit dem Anfahrkopf in Berührung stehende Teil des Stranges zu Beginn der Strangabsenkung zunächst noch auf einer höheren Temperatur gehalten wird.

Beispielsweise durch die deutschen Patentschriften 806 376 und 882481 wurden bereits verschiedene Vorschläge gemacht, den Strang an verschiedenen Stellen eines Weges in unterschiedlichem Maße zu kühlen. Auch wurden durch die deutsche Patentschrift 932 085 Mittel angegeben, die es erlauben, den Kühlmittelstrom am Austritt der Kokille einzustellen.

Verfahren zum Kühlen beim Stranggießen

Anmelder:

Aluminium Laboratories Limited,

Montreal, Quebec (Kanada)

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Hoffmann, Dipl.-Ing. W. Eitle
und Dr. rer. nat. K. Hoffmann, Patentanwälte,
8000 München 8, Maria-Theresia-Str. 6

Als Erfinder benannt:

Neil Burton Bryson, Kingston, Ontario (Kanada)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 18. Februar 1964 (345 670)

Durch diese Maßnahmen gelingt es indessen noch nicht, die Wärme vom Strangfuß in dem Maße abas zuleiten, wie es für die Beseitigung der geschilderten Nachteile erforderlich wäre. In allen Fällen sind die Kühlmittelströme nach erfolgter Einstellung zeitlich und örtlich konstant.

Wird aber die Oberfläche des Stranges durch Bespritzen mit einem turbulenten Wasserstrahl abgekühlt, so ist die Wärmeabfuhrgeschwindigkeit keineswegs proportional dem Wasserdurchsatz. Natürlich führt eine Verminderung der Austrittsgeschwindigkeit des Kühlmittels auch zu einer gewissen Verminderung der Wärmeabfuhrgeschwindigkeit, wobei das Kühlmittel stärker als sonst aufgeheizt wird. Es ist jedoch sehr schwierig, die Wärmeabfuhrgeschwindigkeit durch Drosselung des Kühlmittelstromes zu steuern.

Erfindungsgemäß ist nun zur Lösung der erstmalig gestellten Aufgabe vorgesehen, daß der Kühlmittelstrom zumindest beim Anfahren pulsierend aufgebracht wird. Dieses Pulsieren kann derart erfolgen, daß der Kühlmittelstrom in bestimmten, verhältnismäßig kurzen Zeitintervallen ein- und ausgeschaltet wird, jedoch auch dadurch, daß die Intensität des Kühlmittelstromes periodisch verändert wird.

Das Kühlwasser kann dabei durch öffnen und Schließen eines Ventils in der Zuleitung oder etwa durch bewegliche Ablenkbleche, die den Wasserstrahl je nach ihrer Stellung auf die Oberfläche des

809 509/270

Herstellung großer Barren indessen zwischen etwa 2:1 und 1: 2, insbesondere etwa 2:1 bis 1:1, wobei die Periodendauer etwa 1 bis 6 Sekunden, vorzugsweise 2 bis 5 Sekunden beträgt.

Über weitere Einzelheiten geben die folgenden beiden Beispiele Aufschluß.

Beispiel A Die Wölbung des Strangfußes wurde unter Ver

verfahren für technisch reines Aluminium traf das Wasser aus einer ringförmigen Öffnung kontinuierlich mit einem Durchschnittsdurchsatz von

Barrens auftrefien lassen oder davon ablenken, oder
auf sonstige Weise gesteuert werden. Läßt man den
auf die Strangoberfläche auftreffenden Kühlmittelstrom zumindest auf die ersten 10 cm des Strangfußes, gewöhnlich aber auf die ersten 15 bis 20 cm,
in der angegebenen Weise pulsierend auftreffen, so
gelingt es, die Wölbung des Strangendes auf einen
Bruchteil der gewohnten Wölbung herabzumindern.
Zumindest in einigen Fällen lassen sich darüber
hinaus die metallurgischen Eigenschaften des Mate- io Wendung einer handelsüblichen Stranggußanlage rials verbessern, wenn man den Kühlmittelstrom untersucht. Die Tiefe der Kokille betrug dabei etwa auch während des restlichen Gießvorganges pulsieren 7,6 cm.

läßt. In einer Versuchsreihe wurden Stränge mit einem

Durch Pulsierenlassen des Kühlmittelstromes, Querschnitt von etwa 23 · 81 cm hergestellt. -Die während man mit dem Absenken des Strangfußes 15 Wölbung des Strangfußes wurde als der senkrechte beginnt, erreicht man, daß der mit dem Anfahrkopf Abstand zwischen der Endfläche des Stranges auf der in Berührung stehende Teil des Stranges während etwa 23 cm messenden Seite und dem äußersten dieser Zeit eine höhere Temperatur als nach den Strangende gemessen. Die gewölbte Fläche des üblichen Verfahren aufweist, wodurch die Wölbung Strangendes war mehr oder weniger gleichförmig beträchtlich vermindert wird. Hat die Länge des 20 gekrümmt.

aus der Kokille ausgetretenen Stranges 10 cm er- 1. Bei dem gewöhnlichen, herkömmlichen Gießreicht, so kann man die Kühlung in der gewohnten
Weise mit kontinuierlichem Wasserstrom fortsetzen,
da sich zu diesem Zeitpunkt der Strangfuß bereits
durchgehend verfestigt hat und die Gefahr einer 25 etwa 408 l/min auf die Oberfläche des austretenden Wölbung damit nicht mehr besteht. Vorzugsweise Stranges auf, und zwar gleich nachdem der Strangsetzt man jedoch die pulsierende Kühlung zumindest fuß unter der Kokille etwa 13 mm hervorgetreten so lange fort, bis der Strang um mindestens 15 bis war. Dabei hatte sich die Temperatur des Wassers 20 cm aus der Kokille ausgetreten ist, sofern die infolge der Berührung mit der Kokillenwand bepulsierende Kühlung nicht, wie erwähnt, während 30 reits um 30° C erhöht. Das Kühlwasser wurde mit des ganzen Gießvorganges aufrechterhalten werden dem angegebenen Durchsatz kontinuierlich während

des gesamten Stranggusses aufgebracht. Der Strang senkte sich dabei mit einer Geschwindigkeit von etwa 7,6 cm/min ab. Die Wölbung betrug etwa kurz, wobei sich eine Periodendauer von 1 bis 35 4,5 cm.
6 Sekunden als ausreichend erwiesen hat. Man kann 2. Bei diesem Versuch wurde der Wasserdurch-

das Wasser bei jedem Stoß, wie erwähnt, praktisch satz auf etwa 91 l/min herabgesetzt und so lange augenblicklich an- und abschalten oder aber die aufrechterhalten, bis sich der Anfahrkopf um etwa Strömungsgeschwindigkeit allmählich auf ein Maxi- 25,4 cm abgesenkt hatte. Dann wurde der Durchsatz mum erhöhen und dann wieder auf den Wert Null 40 auf etwa 408 l/min erhöht. Die Wölbung betrug in zurückführen. diesem Fall etwa 2,3 cm.

Das optimale Zeitverhältnis »Wasser aus« / 3. Bei diesem Versuch wurde das Wasser mit

»Wasser an« in jeder Periode hängt von ver- einer Periodendauer von 3 Sekunden mit Hilfe eines schiedenen Faktoren ab, insbesondere von den Ab- schnellansprechenden Ventils, das 2 Sekunden ganz messungen des Stranges und der Zusammensetzung 45 geöffnet und 1 Sekunde ganz geschlossen war, so der zu gießenden Legierung, die beide den longi- lange pulsierend aufgespritzt, bis sich der Anfahrtudinalen Temperaturgradienten beeinflussen. Bei kopf um etwa 15,2 cm abgesenkt hatte. Bei geeinigen Aluminiumlegierungen hat man am Strang- offnerem Ventil betrug der Wasserdurchsatz etwa ende Risse festgestellt, wenn man das Wasser 408 l/min. Sobald das untere Strangende etwa längere Zeit abschaltete, um eine minimale Wölbung 50 15,2 cm aus der Kokille ausgetreten war, wurde das des Strangendes zu erreichen. Wasser fortan kontinuierlich aufgespritzt. Die

Es wurde gefunden, daß man das gewünschte Er- Wölbung betrug danach nur etwa 0,95 cm. Es waren gebnis ohne weiteres erhält, wenn man das Kühl- auch keinerlei Einschnürungen festzustellen. Ebensomittelsteuerventil so einstellt, daß die Strömungs- wenig traten Ausschwitzungen bzw. Seigerungen geschwindigkeit im vollgeöffneten Zustand konstant 55 auf. Die nach allen drei Versuchen erhaltenen Barren ist und die Zeiten, in denen das Wasser ein- bzw. ließen keine nennenswerten markostrukturellen ausgeschaltet ist, periodisch miteinander abwechseln
läßt. Die Zeit, in der das Wasser jedesmal eingeschaltet ist, wird durch die zur Erzeugung eines
vertikalen Temperaturgradienten, der zur Ausbildung 60
eines Stranges mit einem praktisch ebenen Strangfuß
ausreicht, erforderliche Wärmeabfuhrgeschwindigkeit bestimmt. Für Stränge bzw. Barren in den zur
Zeit handelsüblichen Größen erhält man gute Ergebnisse, wenn das Verhältnis zwischen den Zeit- 65 sammen. Während eines Drittels der Periodendauer abschnitten, in denen das Wasser vollständig ein- war das Wasser ganz abgeschaltet, während eines bzw. vollständig ausgeschaltet ist, 5:1 bis 1:5 be- weiteren Drittels wurde die Wassergeschwindigkeit trägt. Vorzugsweise liegt das Verhältnis bei der auf die volle Stärke gebracht und während des

Zum Erhalt bestmöglicher Ergebnisse wählt man
die Pulsierperioden zweckmäßigerweise möglichst

Unterschiede erkennen.

Beispiel B

Die Steuerung der Wärmeabfuhr durch Pulsierenlassen des Wassers bei direkter Beaufschlagung wurde noch an Hand weiterer Versuche erprobt. Dabei setzte sich die Pulsierperiode, die insgesamt etwa 2 Sekunden betrug, aus drei Abschnitten zu-

höherer Qualität, beispielsweise Behälterblech, hergestellt werden können. Dabei kann es erwünscht sein, verschiedene Pulsiergeschwindigkeiten für das zunächst aus der Kokille austretende Strangende und für den restlichen Strang anzuwenden.

Die Beobachtungen lassen weiterhin den Schluß zu, daß bei Anwendung der erfindungsgemäß gesteuerten Kühlung mit pulsierend aufgebrachtem Wasser die Zahl der aus »festen« Aluminium

letzten Drittels wieder abgestellt. Dabei wurde der Wasserdurchsatz mittels eines Membranventils gesteuert, das ähnlich wie ein Haushaltswasserhahn arbeitete. Bei vollgeöffnetem Ventil betrug der Wasserdurchsatz etwa 284 l/min.

Dieser Zyklus wurde während des Gusses des gesamten, etwa 61 cm langen Legierungsbarrens mit
einem Querschnitt von etwa 19 · 84 cm eingehalten.
Zu Beginn des Gusses betrug die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers etwa 284 l/min. Die io legierungen, wie Duraluminium, hergestellten Geschwindigkeit des Anfahrkopfes betrug dabei etwa Barren, die sich, wenn in bekannter Weise kontinuierlich oder halbkontinuierlich gegossen, infolge übermäßiger innerer Spannungen spalten, vermindert werden kann.

Durch die mit pulsierend aufgebrachtem Kühlwasser zu erzielende gesteuerte Kühlung lassen sich die thermischen Spannungen vermindern, die normalerweise durch das auf die Strangoberfläche während des Gusses aufgebrachte Kühlwasser in dem ao Strang entstehen.

Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren hier nur in Zusammenhang mit der Herstellung von Aluminiumbarren beschrieben wurde, dürfte es auch für den kontinuierlichen oder halbkontinuierlichen

mäßige Struktur besaß. Die dentritischen Zellen 25 Guß von Barren aus anderen Metallen, beispielswaren etwa gleich groß wie bei einem Strang bzw. weise Messing, anwendbar sein, wobei gleichermaßen

5,1 cm/min. Sobald der Strangfuß aus der Kokille austrat und mit dem Wasser in Berührung trat, was sich durch Zischen bemerkbar machte, ließ man das Wasser pulsierend strömen und erhöhte die Geschwindigkeit des Anfahrkopfes über einen Zeitraum von etwa V2 Minute auf etwa 10,2 cm/min. Während und nach Beendigung des Gusses wurde fortlaufend mit pulsierend strömendem Wasser gekühlt, bis der Strang völlig erstarrt war.

An über die ganze Strangstärke verteilten Stellen wurden Proben für metallographische Untersuchungen entnommen. Dabei wurde gefunden, daß der Strang durchgehend eine verhältnismäßig gleich-

Barren, der in herkömmlicher Weise unter direktem Abschrecken gegossen wurde, jedoch wurden weit mehr intermetallische Bestandteile an den Zellgrenzen festgestellt. Die Anteile waren ähnlich wie bei einem Barren, der in einer normalen Kokille gegossen wurde, soweit dies angesichts der weit geringeren Zellgröße feststellbar war. Das Vorliegen einer feindentritischen Struktur in Verbindung mit einer fast vollständigen Gleichgewichtszusammensetzung ist, soweit bekannt, bei einem Barren gleich nach dem Guß ungewöhnlich. Bei der herkömmlichen kontinuierlichen Abkühlung führt eine zur Erzielung einer fast vollständigen Gleichgewichtszusammensetzung ausreichend niedrige Kühlgeschwindigkeit — durch Abstreifen des Kühlmittels von der Strangoberfläche dicht an der Aufbringungsstelle — zu einer groben Struktur, während eine zur Erzielung einer feinen Struktur hinreichend rasche Abkühlung eine Übersättigung mit sich bringt.

Aus der Mitte und vom Rand (einschließlich der frischgegossenen Oberfläche) des Barrens wurden gleich nach dem Guß kleine Prüfbarren herausgeschnitten. Diese wurden 16 Stunden lang auf 550° C erhitzt, dann auf etwa 4,8 mm warm-, sodann auf etwa 2,3 bis 0,51 mm Stärke kaltgewalzt und schließlich 1 Stunde lang bei 400° C angelassen. Aus dem ausgelassenen Blech wurden Näpfe gepreßt, um die Zipfelbildungseigenschaften festzustellen.

Das aus einem mit pulsierendem Wasser gekühlten Barren hergestellte Blech hatte eine niedrige Zipfelbildungsneigung. Auch war der Grad der Zipfelbildung (bei Anwendung eines Verfahrens ohne Zwischenkühlung) allgemein geringer als mit einem Blech aus einem gewöhnlichen, kontinuierlich gekühlten Barren.

Wird der Barren bzw. Strang auf seiner gesamten Länge mit pulsierendem Wasser gekühlt, so wird offenbar seine Struktur gleichmäßiger. Insbesondere Struktur und einer Barrenende zu

am

erhält man Barren, aus denen Walzerzeugnisse mit 65 882479,882481.

mit einer Verbesserung der
Verminderung der Wölbung
rechnen ist.

Die Anwendung pulsierend aufgebrachten Kühlmittels stellt bisher die einzige wirkungsvolle Maßnahme zur Steuerung der Wärmeabfuhr bei direkter Beaufschlagung des gegossenen Stranges dar.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Kühlen beim Stranggießen durch unmittelbares Aufbringen von Kühlmittel auf den aus der Stranggießkokille austretenden Strang, bei dem der Kühlmittelstrom in seiner Stärke verändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelstrom zumindest beim Anfahren pulsierend aufgebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelstrom mindestens auf die ersten 10 cm des Stranges pulsierend aufgebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelstrom während des gesamten Gießvorganges pulsierend aufgebracht wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelstrom periodisch ein- und ausgeschaltet wird und daß dabei das Verhältnis zwischen Einschaltzeit und Ausschaltzeit zwischen 5:1 und 1: 5 liegt und eine Periode 1 bis 6 Sekunden dauert.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen Einschaltzeit und Ausschaltzeit zwischen 2:1 und 1:2 liegt.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 806 376, 835 040,