DE3339813C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das fallende
Kokillengießen großer Blöcke oder Knüppel, insbesondere
rechteckförmiger Blöcke, aus Leichtmetallen wie Aluminium
und Aluminiumlegierungen. Im vorliegenden Zusammenhang
umfaßt die Bezeichnung "Aluminium" sowohl Reinaluminium als
auch Aluminiumlegierungen.
Beim konventionellen fallenden Kokillengießen wird Metall
schmelze in das Eingußende einer offenendigen rohrförmigen
Kokille gegossen, und erstarrtes oder teilerstarrtes Metall
tritt aus dem Austrittsende der Kokille aus. Die Kokille
selbst wird mittels eines Wassermantels von einer Kühlmit
telmenge gekühlt, die an der Rückseite der Kokille unter
halten wird. Kühlmittel, das normalerweise Wasser ist, wird
um den Umfang des Blocks zur Einwirkung gebracht, während
der Block aus der Kokille austritt, so daß der Block er
starrt. Beim Gießen von Leichtmetallen wie etwa Aluminium
wird das Kühlmittel üblicherweise durch ein oder mehrere
Leitorgane vom Kühlmittelkörper im Wassermantel nach unten
entlang der Rückseite der Kokille und aus geeigneten Öff
nungen oder Leitungen am Unterende der Kokille auf den am
Austrittsende der Kokille austretenden Block gerichtet.
Das elektromagnetische Gießen gleicht dem vorstehenden
konventionellen fallenden Kokillengießen, wobei allerdings
die seitliche Form der Schmelze durch elektromagnetischen
Druck bestimmt wird, der von dem ringförmigen Induktor, der
die Säule aus Metallschmelze umgibt, und nicht von der
Bohrung der Kokille wie beim konventionellen Kokillengießen
erzeugt wird. Eine vollständige Erläuterung des elektroma
gnetischen Kokillengießens ist z. B. in den US-PS′en
39 85 179 und 40 04 631 und den dort angegebenen Entgegen
haltungen enthalten.
Beim fallenden Kokillengießen und elektromagnetischen Gießen
ist im Austrittsende der Kokille (beim fallenden Kokillen
gießen) oder im Austrittsende des elektromagnetischen
Induktors (beim elektromagnetischen Gießen) ein Kokillenkern
angeordnet, der die Austrittsöffnung verschließt und die
Metallschmelze hält, bis sie ausreichend weit erstarrt ist,
so daß sie ihre erwünschte Endform behält. Wenn das Metall
hinreichend erstarrt ist, wird der Kokillenkern aus dem
Austrittsende der Kokille oder des Induktors abgesenkt, so
daß der erstarrte Block kontinuierlich oder halbkontinuier
lich aus der Kokille oder dem Induktor austritt. Wenn das
Absenken des Kokillenkerns einmal begonnen hat, wird dessen
Absenkgeschwindigkeit üblicherweise bis zur Beendigung des
Gießvorgangs gleichbleibend gehalten, da jede plötzliche
Änderung der Absenkgeschwindigkeit Änderungen der Quer
schnittsabmessungen des erstarrten Blocks über dessen Länge
sowie schwerwiegende Oberflächenfehler des Blocks zur Folge
haben kann.
Für den erstarrten Block gibt es während dessen Absenkbewe
gung beim konventionellen fallenden Kokillengießen nur eine
sehr geringe und beim elektromagnetischen Gießen im wesent
lichen keine horizontale Halterung, so daß der Block auf dem
Kokillenkern gut im Gleichgewicht stehen muß, um ein Schau
keln oder eine Schräglage zu vermeiden. Bei der Erstarrung
und Abkühlung des unteren Endes des Blocks schrumpft jedoch
der Block, was in einem Welligwerden des unteren Blockendes
hauptsächlich in Richtung der größten Breite resultiert. Die
den Kokillenkern kontaktierende untere Endfläche des Blocks
bildet im allgemeinen eine gewölbte Fläche, so daß es dem
Block aufgrund der gewölbten unteren Endfläche möglich ist,
eine außermittige Lage einzunehmen oder auf dem Kokillenkern
hin- und herzuschaukeln; in beiden Fällen ergibt sich eine
schwerwiegende Formänderung des Blocks.
Wenn zu Beginn des Gießvorgangs das untere Blockende wellig
wird, fließt Kühlmittel, das auf die Blockoberflächen
gerichtet wird, in den Raum zwischen Kokillenkern und
unterem Blockende. Die Hitze im unteren Blockende führt
dazu, daß das sich ansammelnde Wasser verdampft, und zwar
häufig mit solcher Intensität, daß der Block tatsächlich
infolge der durch den Dampf ausgeübten Kraft auf dem Kokil
lenkern springt. Ein solches Springen stört den Gießvorgang
erheblich ebenso wie ungleichmäßige Absenkgeschwindigkeiten,
jedoch mit viel ernsteren Folgen, insbesondere beim elektro
magnetischen Gießen.
Um die durch die Verdampfung von Kühlmittel, das sich
zwischen dem unteren Blockende und dem Kokillenkern sammelt,
entstehenden Probleme zu vermeiden, wurden bereits Löcher
oder andere Mittel im Kokillenkern vorgesehen, um das
Kühlmittel abzuführen, bevor es in explosiver Weise ver
dampft (vgl. z. B. die DE-PS 8 93 690 und die US-PS′en
37 02 152 und 37 02 631). Diese Druckschriften richten sich
jedoch nicht auf das Problem der Instabilität des Blocks auf
dem Kokillenkern während des Gießvorgangs, wobei diese
Instabilität durch das gewölbte untere Blockende bedingt
ist. Frühere Versuche, die erwünschte Stabilität insbeson
dere beim elektromagnetischen Gießen des Blocks zu errei
chen, waren nicht erfolgreich. Z. B. wurden unterschiedlich
geformte Vorsprünge auf der Oberfläche des Kokillenkerns
vorgesehen, so daß Metallschmelze bei Beginn des Gießvor
gangs um diese Vorsprünge herum erstarrt und dadurch den
Block durch den Verkeilungseffekt stabilisiert. Dieses
Verfahren hat sich zwar als erfolgreich hinsichtlich der
Blockstabilisierung erwiesen, aber die Vertiefungen im
unteren Ende des Blocks, die aus dem erstarrenden Metall um
die Vorsprünge resultieren, wirken spannungserhöhend und
führen häufig zu Rissen im Block. Manchmal resultieren diese
Vorsprünge auch infolge der hohen Wärmespannungen in einem
Rissigwerden des Blocks.
In ähnlicher Weise wurden unterschiedlich geformte Vertie
fungen in der Oberfläche des Kokillenkerns im wesentlichen
für die gleichen Zwecke verwendet, also zum Verkeilen des
unteren Blockendes, so daß der Block beim Gießen nicht
schaukelt oder sich neigt. Auch dieser Vorschlag war nicht
erfolgreich, denn Wasser, das in der Vertiefung eingeschlos
sen wird, verdampft beim Kontakt mit Metallschmelze sehr
schnell und führt zu Explosionen des Metalls.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstel
lung eines verbesserten Kokillenkerns, mit dem die vorste
hend angegebenen Probleme vermieden werden, wobei der
Kokillenkern zum Einsatz beim fallenden Kokillengießen und
beim vertikalen elektromagnetischen Gießen großer Metall
blöcke oder -knüppel, insbesondere solcher mit im wesentli
chen Rechteckquerschnitten, ausgebildet ist.
Gemäß der Erfindung weist der Kokillenkern wenigstens zwei,
bevorzugt vier oder mehr, Ablauflöcher zur Abführung des
Kühlmittels auf, das sich zwischen der Oberfläche des
Kokillenkerns und dem unteren Blockende sammelt, und in der
Oberfläche des Kokillenkerns sind um einen großen Abschnitt
jedes Ablauflochs fächerförmige Vertiefungen ausgebildet.
Diese verlaufen nach innen zum Mittelabschnitt des Kokillen
kerns, und die unteren Flächen der Vertiefungen sind nach
oben und im wesentlichen zum Mittelabschnitt des Kokillen
kerns hin schräg geneigt. Am Grund der Vertiefung jedes
Ablauflochs ist ein Element vorgesehen, das den Durchtritt
von Kühlmittel durch das Ablaufloch erlaubt, jedoch den
Durchtritt von Metallschmelze verhindert.
Zu Beginn des Gießvorgangs füllt Metallschmelze die Vertie
fung und erstarrt zu einem nach unten verlaufenden Ansatz am
unteren Blockende, der im wesentlichen die gleiche Form wie
die Vertiefung aufweist. Infolge des Schrumpfens und Wellig
werdens des unteren Blockendes infolge der Erstarrung und
Abkühlung schieben sich diese Ansätze des unteren Blockendes
entlang den unteren Schrägflächen der Vertiefungen im
Kokillenkern aufwärts und haltern dadurch den Block während
der restlichen Gießzeit in stabiler Lage. Die Vertiefungen
sollten dabei nicht um Ablauflöcher herum in Bereichen der
stärksten Welligkeit des unteren Blockendes vorgesehen sein,
denn die sich ausbildenden Ansätze heben sich beim Wellig
werden des unteren Blockendes vollständig aus den Vertie
fungen heraus, anstatt gemäß der Erfindung an den Schrägflä
chen der Vertiefungen nach oben zu gleiten. Das stärkste
Schaukeln eines Blocks erfolgt in Richtung der größten
Breite des Blocks, wenn also wenigstens zwei Ansätze in
geeigneter Weise in Richtung zu den schmalen Flächen des
unteren Blockendes angeordnet sind, kann der Block auf dem
Kokillenkern gut im Gleichgewicht gehalten werden. Bevorzugt
sind im Kokillenkern wenigstens drei Vertiefungen vorgese
hen, wenn große Rundblöcke gegossen werden, und es sind
bevorzugt wenigstens vier Vertiefungen vorgesehen, wenn
große rechteckige Blöcke gegossen werden.
Ein bevorzugtes Element für den Durchtritt von Kühlwasser,
jedoch nicht von Metallschmelze am Grund der Vertiefung ist
ein Sieb mit einer Maschenweite, die ausreichend groß ist,
so daß Wasser durch das Sieb und damit weg von der Grenz
fläche zwischen Kokillenkern und Block fließen kann; die
Maschenweite ist aber dabei klein genug, um jeden Durchtritt
von Metallschmelze durch das Sieb zu unterbinden. Dabei sind
Siebmaschendurchmesser von ca. 0,25-2,54 mm geeignet. Es
können auch andere Vorrichtungen mit ähnlich großen bzw.
kleinen Öffnungen verwendet werden. Im allgemeinen bestimmt
die Viskosität der Metallschmelze die geeignete Maschenweite
des Siebs. Die Viskosität der Schmelze ist wiederum durch
ihre Temperatur und Zusammensetzung bestimmt.
Gemäß der Erfindung ist der obere Abschnitt des Ablauflochs
angrenzend an die fächerförmige Schrägfläche nach außen zum
Rand des Kokillenkerns hin abgefast, wodurch verhindert
wird, daß der Ansatz in der Vertiefung hängenbleibt, wenn
sich das untere Blockende wölbt und die Ansätze sich heben
und die Schrägflächen der Vertiefung aufwärtsgleiten. Die
fächerförmigen ebenen Bereiche der Vertiefungen verlaufen
strahlenförmig nach innen zum Mittelteil des Kokillenkerns
und weisen bevorzugt einen Winkel von wenigstens 90° auf.
Auf diese Weise können die sich am unteren Blockende ausbil
denden Ansätze ohne weiteres entlang den schrägen ebenen
Flächen gleiten, wenn das untere Blockende wellig wird und
nach innen schrumpft, während es erstarrt und abkühlt. Durch
Ausbildung von wenigstens zwei nach unten gerichteten
Ansätzen am unteren Blockende gemäß der Erfindung wird der
Block in wirksamer Weise während des restlichen Gießvorgangs
abgestützt und im Gleichgewicht gehalten, selbst wenn
er während der anfänglichen Gießphasen stark schrumpft
und wellig wird. Bevorzugt sind für große runde Gußblöcke
drei oder mehr Ablauflöcher und für große rechteckige
Gußblöcke vier oder mehr Ablauflöcher vorgesehen, so daß
der große Block während des Gießvorgangs gut abgestützt und
im Gleichgewicht gehalten wird.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch den Kokillenkern nach
der Erfindung, wobei links in der Figur der
Gießbeginn gezeigt ist, bei dem der Kokillenkern
in der elektromagnetischen Gießvorrichtung
positioniert ist, und rechts in der Figur das
Gießen nach dem Anfahren gezeigt ist, nachdem
der Kokillenkern aus dem Induktor abgesenkt
wurde;
Fig. 2 eine Draufsicht auf den Kokillenkern von
Fig. 1;
Fig. 3 eine Querschnittsansicht des Kokillenkerns
entlang der Linie III-III in Fig. 2;
Fig. 4 eine größere Draufsicht auf eines der in Fig. 2
dargestellten Ablauflöcher;
Fig. 5 eine Querschnittsansicht entlang der Linie V-V
in Fig. 4;
Fig. 6 eine Querschnittsansicht eines Siebs, das in die
Ablauflöcher im Kokillenkern einsetzbar ist, so
daß zwar der Durchfluß von Wassser, aber nicht
von Metallschmelze bei Gießbeginn möglich
ist;
Fig. 7 das Sieb von Fig. 6 in seiner Lage in einem
Ablaufloch 22;
Fig. 8 den Bewegungsablauf der an der Unterseite des
unteren Blockendes ausgebildeten Ansätze entlang
der schrägen Vertiefungsfläche nach oben, wenn
zu Gießbeginn das untere Blockende schrumpft und
wellig wird; und
Fig. 9 eine weitere Möglichkeit zur Ableitung von
Wasser, das sich auf dem Kokillenkern ansammelt.
Die linke Seite von Fig. 1 zeigt den Beginn des Gießvor
gangs, wobei der flachschalenförmige Kokillenkern 10 in dem
Induktor 11 einer elektromagnetischen Gießvorrichtung
positioniert ist. Die seitliche Form der Säule aus Metall
schmelze 12 auf der konkaven, flachschalenförmigen Oberflä
che 13 des Kokillenkerns 10 wird durch den Druck bestimmt,
der von dem durch den Induktor 11 erzeugten elektromagneti
schen Feld entwickelt wird. Metallschmelze wird dem Kokil
lenkern 10 durch den Auslauf 14 zugeführt. Der Induktor 11
hat einen Wassermantel 15 zur Aufrechterhaltung einer
Kühlmittelmasse an der Rückseite des Induktors 11, und
Kühlmittel strömt aus der Kammer 16 des Kühlmantels 15 durch
Leitungen 17 in einem Leitorgan 18 die Rückseite des
Induktors 11 herab und aus einer Mehrzahl Leitungen 19, die
im unteren Abschnitt des Induktors 11 angeordnet sind, so
daß Kühlmittel auf die Oberfläche des Blocks 20 abgegeben
wird, der aus dem Induktor 11 austritt. Der Kokillenkern 10
ist auf einem Ständer 21 gelagert, der auf einem Tisch
(nicht gezeigt) befestigt ist, der üblicherweise in einer
Mehrfach-Blockgießstation mehrere Kokillenkerne haltert. Die
Bewegung des Kokillenkerns ist durch den Pfeil bezeichnet.
Im Kokillenkern 10 sind Ablauflöcher 22 ausgebildet, durch
die Kühlmittel abläuft, das sich zwischen der flachschalen
förmigen Oberfläche 13 des Kokillenkerns und dem Unterende
23 des Blocks ansammelt, nachdem das Unterende 22 zu Gießbe
ginn wellig geworden ist. Die Linie 24 zeigt allgemein eine
idealisierte glockenförmige Erstrarrungsfront. Die Linie 24
kann zwar eine scharfe Trennung zwischen erstarrtem und
geschmolzenem Metall bezeichnen, tatsächlich besteht jedoch
eine heterogene Zone von halberstarrtem Metall zwischen dem
erstarrten und dem flüssigen Metall.
Fig. 2 ist eine Draufsicht auf den Kokillenkern 10 mit vier
Ablauflöchern 22; wie in den Fig. 3-6 deutlich zu erkennen
ist, weist jedes Ablaufloch 22 an seinem oberen Abschnitt
eine fächerförmige Vertiefung 30 auf, deren Unterseite 31
nach oben zur Fläche 13 und nach innen zum Mittenabschnitt
der Vertiefung schräg verläuft.
Fig. 3 ist ein Querschnitt durch den Kokillenkern 10, wobei
Einzelheiten des Ablauflochs 22 gezeigt sind; die flachscha
lenförmige Oberfläche 13 des Kokillenkerns 10 wird durch die
Löcher 22 entwässert, und das Wasser läuft durch Kanäle 32
an der Seite des Kokillenkerns 10 ab.
Die Fig. 4-6 zeigen, daß die Ablauflöcher 22 jeweils Schul
tern 33 aufweisen, auf denen Siebelemente 34 aufliegen, die
im einzelnen in den Fig. 6 und 7 dargestellt sind. Das
Drahtgewebe 35 hat einerseits eine hinreichend kleine
Maschenweite, so daß der Durchtritt von Metallschmelze durch
das Sieb zu Beginn des Gießvorgangs verhindert wird; ande
rerseits ist die Maschenweite ausreichend groß, so daß
Wasser durch die Maschen gelangen kann, wodurch das auf der
Oberfläche 13 sich ansammelnde Wasser abgezogen wird. Im
oberen Abschnitt des Ablauflochs 22 ist entfernt von der
schrägen Fläche 31 eine Abfasung 26 vorgesehen, die ein
Anhaken der Ansätze 40 am Unterende 23 des Blocks beim
Gießbeginn, wenn das Unterende des Blocks schrumpft und
wellig wird, verhindert, wodurch die Ansätze 40 aus den
Vertiefungen 30 heraus und die Schrägfläche 31 hinaufgehoben
werden. Wie Fig. 7 zeigt, weist das Siebelement 34 einen
kurzen zylindrischen Bund 37 auf, der auf der Schulter 33 am
Oberende des Ablauflochs 22 aufliegt.
Beim Gießbeginn wird der Kokillenkern 10 mit Metallschmelze
gespeist, und die Vertiefungen 30 füllen sich mit Metall
schmelze, die zu Ansätzen 40 am Unterende 23 des Blocks
erstarrt, die im wesentlichen die gleiche Form wie die
Vertiefungen 30 aufweisen. Die Sieböffnungen sind hinrei
chend klein, so daß die Metallschmelze nicht durch das
Drahtgewebe 35 und nach unten in die Ablauflöcher 22 gelan
gen kann. Das Unterende 23 des Blocks erstarrt und beginnt
zu schrumpfen und wellig zu werden, so daß die in den
Vertiefungen 30 gebildeten Ansätze 30 gehoben werden und
dann die untere Schrägfläche 31 aufwärts gleiten (vgl. Fig.
8). Auf diese Weise ist der Block 20 von zwei oder mehr
Ansätzen 40 abgestützt, die auf den Schrägflächen 31 der
Vertiefungen 30 aufliegen. Etwaiges auf der Oberfläche 13
des Kokillenkerns angesammeltes Kühlmittel fließt durch das
Drahtgewebe 35 und die Ablauflöcher 22 und dann aus den
Ablaufkanälen 32 ab.
Fig. 9 zeigt eine alternative Möglichkeit, wobei anstatt der
Siebe Ablauflöcher 52 nicht vollständig durch die Oberfläche
13 ausgearbeitet sind. In den übrigen unbearbeiteten Teil 56
sind mehrere kleinere Löcher 55 gebohrt, wobei der Öffnungs
querschnitt zwischen 0,25 und 2,54 mm liegt.
Claims (5)
1. Kokillenkern zum fallenden Kokillengießen oder elektroma
gnetischen Gießen großer langer Blöcke oder Knüppel, wobei
der Kokillenkern eine flachschalenförmige Oberfläche sowie
eine Mehrzahl Ablauflöcher zur Abführung von Kühlmittel, das
sich auf der flachschalenförmigen Oberfläche während des
Gießvorgangs sammelt, aufweist,
gekennzeichnet durch
in der flachschalenförmigen Oberfläche (13) des Kokillen
kerns (10) ausgebildete Vertiefungen (30), die jeweils dem
oberen Abschnitt von wenigstens zwei Ablauflöchern (22)
zugeordnet sind, wobei die Vertiefungen (30) strahlenförmig
nach innen zum Mittelabschnitt des Kokillenkerns (10)
verlaufen und eine zum Mittelabschnitt des Kokillenkerns
(10) schräg nach oben verlaufende untere Fläche (31) auf
weisen, und wobei die Vertiefungen (30) bei Beginn des
Gießvorgangs Metallschmelze aufnehmen, die unter Bildung von
Ansätzen (40) erstarrt, welche im wesentlichen die gleiche
Form wie die Vertiefungen (30) haben und, wenn das untere
Ende (23) des Blocks infolge der Erstarrung und Abkühlung
schrumpft und wellig wird, entlang den Schrägflächen (31)
der Vertiefungen (30) aufwärts gleiten, wodurch der Block
auf dem Kokillenkern (10) in stabiler Lage gehalten ist und
eine Bewegung des Blocks auf dem Kokillenkern verhindert
bzw. minimiert wird.
2. Kokillenkern nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß am Grund der Vertiefungen (30) Elemente (34) vorgesehen
sind, die den Durchtritt von Kühlmittel gestatten und den
Durchtritt von Metallschmelze unterbinden.
3. Kokillenkern nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet
daß die Elemente (34) Öffnungen mit einem Maximalquerschnitt
von 0,25-2,54 mm aufweisen.
4. Kokillenkern nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Elemente Siebe (34) sind, deren Öffnungen einen
Maximalquerschnitt von 0,25-2,54 mm haben.
5. Kokillenkern nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch
Rechteckform des Kokillenkerns.
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