DE19738466C1 - Stranggußvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stranggußvorrichtung zum Herstellen von Metallprofilen, insbesondere aus Alumi­ nium oder Kupfer sowie deren Legierungen.

In konventionellen Stranggußverfahren wird eine metal­ lische Schmelze in eine keramische Form kontinuierlich eingespeist und fließt von dort in eine wassergekühlte Metallkokille. Unterhalb der Metallkokille wird das auf einem verschiebbaren Podest erstarrte Material direkt mit Wasser angespritzt, so daß sich ein durchgehender, blasenfreier Wasserfilm bildet. Die Absenkung des Pode­ stes erlaubt das Erstarren von Strängen oder Bändern. Die Abkühlung der Schmelze in der Metallkokille führt häufig zu Problemen, wie z. B. Kleben des teilerstarrten Materials an der Kokille, Reibung zwischen erstarrter Randschale und Kokille, Verschleiß der Kokille. Deshalb wird ein Trennmittel (geeignete wasserfreie Öle) zwi­ schen Kokille und Metallschmelze eingeführt. Ein dünner Film des Trennmittels wird über Kanäle im Raum zwischen keramischer Düse und Metallkokille durch den Unter­ druck, der durch den Wasserstrahl erzeugt wird, einge­ saugt. Zum Teil wird der ölige Trennfilm durch eine geeignete Luftströmung ersetzt. Ein weiteres Problem des konventionellen Stranggusses ist der schrittweise Vorschub des Podestes. Der schon erstarrte Strang wird stufenweise unter der Kokille abgesenkt, wobei die Hal­ te- und Fahrzyklen für die jeweilige Legierung und die jeweiligen Gießbedingungen ausgetestet werden müssen. Dieses schrittweise Verfahren ist notwendig, damit im­ mer eine erstarrte Randschicht vorliegt, auf die der Wasserstrahl auftrifft, und zur Einstellung einer mög­ lichst glatten Oberfläche. Das Verfahren mit sogenann­ ten Stop-and-Go-Zyklen führt zu einer charakteristi­ schen Oberflächenstruktur, die zur direkten weiteren Verarbeitung, z. B. durch Strangpressen, wenig geeignet ist.

Aus "Journal of Non-Cristalline Solids" 186 (1995), 395-401, sowie aus "Scripta Metallurgica et Materialia" Vol. 29, 1993, pp. 1495-1500, ist es bekannt, eine Gießform für metallurgische Anwendungen mit einem Aero­ gelrohr auszustatten, in welchem die stehende Schmelze erstarrt, wobei die Erstarrungsfront in Längsrichtung des Aerogelrohres fortschreitet.

Aerogele sind extrem poröse, sehr leichte Werkstoffe, die größtenteils aus Luft (bzw. dem jeweiligen Umge­ bungsgas oder Vakuum) bestehen. Man kann sie grundsätz­ lich aus jedem Metalloxid, aus Kohlenstoff, aus Halb­ leiterverbindungen oder diversen anderen Materialien herstellen (J. Fricke "Aerogele", Spektrum der Wissen­ schaft, 7, 1988, 60-66). Mikroskopisch besteht ein Ae­ rogel aus 1-10 nm großen Partikeln, die aneinanderhän­ gen und Ketten bilden. Diese Ketten haben untereinander so viele Kontaktierungspunkte, daß ein stabiles dreidi­ mensionales Netzwerk gebildet wird. Der Abstand zwi­ schen den Ketten beträgt dabei üblicherweise 10-100 nm und dieses freie Volumen ist mit dem jeweiligen Umge­ bungsgas gefüllt, da die Struktur offen ist. Das Poren­ volumen variiert im allgemeinen zwischen etwa 90% und 99%. Aerogele haben eine äußerst geringe thermische Leitfähigkeit im Bereich von etwa 0,02 W/Km. Herstel­ lung und Struktur von Aerogelen sind beschrieben in S. Henning "Large-scale production of airglass" in "Aero­ gels", J. Fricke, Editor, 1985, Springer Proc. Phys., Berlin, S. 38-41. Aerogele sind formbeständig, aber fragil.

Aus US-Z: Scripta Metallurgica et Materialia, Vol. 29, 1993, Seiten 1495 bis 1500 ist es bekannt, eine Schmelze in ein Formwerkzeug aus Aerogel zu gießen und dabei mittels einer Kamera Infrarotaufnahmen der Schmelze herzustellen, um den Temperaturverlauf und die monotektische Reaktion zu beobachten. Die Beobach­ tungsergebnisse werden nicht für Regelungsprozesse aus­ gewertet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strang­ gußvorrichtung zu schaffen, die die Herstellung extrem hochwertiger und homogener Werkstücke mit hervorragen­ der Oberflächenqualität ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Bei der erfindungsgemäßen Stranggußvorrichtung besteht das Formwerkzeug, in dem die Erstarrung der Schmelze während des Durchlaufs erfolgt, aus einem Aerogel. Überraschenderweise hat sich herausgestellt, daß mit einem Formwerkzeug aus Aerogelmaterial der Verfahrens­ ablauf eines Stranggußverfahrens weitaus besser be­ herrschbar ist als bei üblichen Formwerkzeugen, bei de­ nen die Gefahr des unkontrollierten Anhaftens der Me­ tallschmelze besteht. Aerogele werden von Metallschmel­ zen nicht benetzt, so daß eine ideale Ablösung der Schmelze von dem Formwerkzeug erfolgt und die Reibung extrem gering ist. Aufgrund der Rauhigkeit der Aerogel­ struktur im Nanometerbereich ergeben sich praktisch nur Punktkontakte mit der Schmelze. Dadurch kann auf den Einsatz jeglicher Trennmittel (einschließlich Druck­ luft) im Formwerkzeug verzichtet werden.

An dem Formwerkzeug ist die Sensorik eines optoelektroni­ schen Wandlers zur Bestimmung der Phasengrenze vorgese­ hen. Eine Regeleinrichtung regelt die Bewegungen eines Abzugsstempels in Abhängigkeit von den Signalen des Wandlers. Dadurch ist mit einer optischen Kontrolle die Lage der Erstarrungsfront erfaßbar und zu Regelungs­ zwecken auswertbar. Die Erstarrungsfront wird anhand der unterschiedlichen Wärmeemissionen ermittelt, die von der Schmelze und der erstarrten Phase ausgehen. Be­ sonders geeignet für den Einsatz optischer Sensoren (im nahen IR-Bereich) sind Silica-Aerogele, weil diese für optische Strahlung und Wärmestrahlung transparent sind.

Die erfindungsgemäße Stranggußvorrichtung kann mit kon­ tinuierlichem Werkstückabzug betrieben werden. Dies bedeutet, daß ein intermittierendes Abziehen oder zeit­ lich variierende Abzugsgeschwindigkeiten nicht erfor­ derlich sind. Dadurch, daß eine gleichmäßige Stranger­ zeugung bei geringer Reibung des Formwerkzeuges er­ folgt, wird die Gefahr eines Strangabrisses vermieden. Darüber hinaus hat sich herausgestellt, daß der erzeug­ te Strang über seinen gesamten Querschnitt ein sehr einheitliches Metallgefüge hat, wobei sich eine hoch­ glänzende Oberfläche ergibt.

Die erfindungsgemäße Stranggußvorrichtung eignet sich für niedrigschmelzende Legierungen, insbesondere für Aluminium- und Kupferlegierungen, deren Schmelzpunkt im Bereich von 550°C-850°C liegt.

Für das Formwerkzeug haben sich transparente Silica- Aerogele als geeignet erwiesen. Auch Kohlenstoff-Aero­ gele können benutzt werden, wenn die Stranggußvorrich­ tung unter nicht-reduzierender Atmosphäre arbeitet.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich für jegli­ che Art von Strangguß, besonders aber für den Bandguß, bei dem Bänder von rechteckigem Querschnitt erzeugt werden.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die einzige Fi­ gur der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

In der Zeichnung ist schematisch ein Vertikalschnitt durch eine Stranggußvorrichtung dargestellt.

Die abgebildete Stranggußvorrichtung weist einen Tiegel 10 aus keramischem Werkstoff auf. In dem Tiegelboden 11, der ebenfalls aus keramischem Werkstoff besteht, befindet sich der Auslauf 12. Der Tiegel 10 ist von einer Heizvorrichtung 13 umgeben, die außen von einer thermischen Isolierung 14 umschlossen ist. Die thermi­ sche Isolierung 14 sitzt in einem Außenbehälter 15. Im Auslauf 12 des Tiegels 10 befindet sich ein Formwerk­ zeug 16, das von dem Tiegelboden 11 eng umschlossen ist und aus einem rohrförmigen Körper besteht, dessen In­ nenkanal 17 im Querschnitt die Form des herzustellenden Stranges 18 bestimmt. Wird die Stranggußvorrichtung zur Herstellung eines Bandes benutzt, so ist der Kanal 17 als Schlitzdüse ausgebildet.

Unterhalb des Tiegelbodens 11 befindet sich eine Kühl­ vorrichtung 19, die in wärmeleitendem Kontakt mit der Stirnseite des Formwerkzeugs 16 steht. Die Kühlvorrich­ tung 19 wird mit Kühlwasser betrieben, das über eine Leitung 20 zugeführt wird. Angrenzend an den Strang 18 weist die Kühlvorrichtung 19 schlitzförmige Auslässe 21 auf, durch die Kühlwasser an die Außenseite des Stran­ ges 18 geleitet wird und einen an dem Strang entlang­ fließenden Kühlmantel bildet.

Die Stranggußvorrichtung weist ferner einen Stempel 22 auf, der passend in den Endkanal 17 des Formwerkzeuges 16 einführbar ist und gesteuert in axialer Richtung bewegt werden kann, um den Strang 18 abzuziehen. Der Stempel 22 enthält eine Gewindebohrung 23, mit der das Strangende im Stempel verankert wird. Ferner enthält der Stempel 22 eine Kühlvorrichtung 24.

Infolge des Temperaturgradienten, der durch die Kühl­ vorrichtungen 19, 20 verursacht wird, bildet sich in dem Innenkanal 17 eine Erstarrungsfront 25 oder Phasengren­ ze aus. Unterhalb der Erstarrungsfront 25 ist der Strang 18 fest und darüber befindet sich die Metall­ schmelze 26.

Das Formwerkzeug 16 besteht aus einem Aerogel, also einem Material von sehr hoher Porosität und sehr nied­ riger Leitfähigkeit. Bei Verwendung eines Silica-Aero­ gels ist das Material darüber hinaus für Wärmestrahlung und optische Strahlung transparent.

An der Außenseite des Formwerkzeugs 16 ist die Sensorik 27 eines (nicht dargestellten) photoelektrischen Wand­ lers befestigt. Diese Sensorik besteht aus einer Wärme­ kamera mit einer einzigen vertikalen Zeile oder einer Gruppierung aus für Wärmestrahlung empfindlichen Elementen. Die Sensorik 27 ist über eine Faseroptik 28 mit dem lichtelektrischen Wandler verbunden, der die Signale, die den verschiedenen Höhen der Sensorelemente zugeord­ net sind, an den photoelektrischen Wandler weiterlei­ tet. Die Sensorik 27 ermittelt den Wärmeverlauf in Längsrichtung des Innenkanals 17 und bestimmt dadurch die Höhe der Erstarrungsfront 25. In Abhängigkeit von der Höhe der Erstarrungsfront 25 wird die Abzugsge­ schwindigkeit des Stempels 22 gesteuert, so daß die Erstarrungsfront 25 in der vorgesehenen Höhe im Form­ werkzeug 16 verbleibt. Dadurch ist eine optische Pro­ zeßüberwachung in dem Formwerkzeug möglich, um den Ver­ fahrensablauf zu steuern bzw. zu regeln. Der Abzug des Stranges 18 erfolgt kontinuierlich mit gleichmäßiger Geschwindigkeit, wobei Geschwindigkeitsänderungen nur zur Positionsregelung der Erstarrungsfront 25 durchge­ führt werden.

Praktische Versuche haben ergeben, daß mit der Strang­ gußvorrichtung Legierungen auf Aluminium-Basis oder Kupfer-Basis mit hoher Qualität verarbeitet werden kön­ nen, insbesondere zu Rundprofilen mit einem Durchmesser von 8-20 mm und zu Flachprofilen mit einer Dicke von 8-­ 20 mm und einer Breite von 8-200 mm.

Claims (3)

1. Stranggußvorrichtung mit einem eine metallische Schmelze (26) aufnehmenden Tiegel (10) und einem an einem Auslauf (12) des Tiegels (10) vorgesehe­ nen Formwerkzeug (16), in dessen Bereich die Schmelze (26) erstarrt, dadurch gekennzeichnet, daß das Formwerkzeug (16) aus einem Aerogel be­ steht, daß an dem Formwerkzeug (16) die Sensorik (27) eines optoelektronischen Wandlers zur Bestim­ mung der Phasengrenze vorgesehen ist, und daß eine Regeleinrichtung vorgesehen ist, die die Bewegung eines Abzugsstempels (22) in Abhängigkeit von den Signalen des Wandlers regelt.

2. Stranggußvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Aerogel ein transparentes Silica-Aerogel ist.

3. Stranggußvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Aerogel ein Kohlenstoff-Ae­ rogel ist.