DE3490683T1

DE3490683T1 - Verfahren und Vorrichtung zum kontinuierlichen Gießen von Metall

Info

Publication number: DE3490683T1
Application number: DE19843490683
Authority: DE
Inventors: Alan New York N.Y. Kurzinski; Cass Syracuse N.Y. Kurzinski; Asish Jersey City N.J. Sengupta
Original assignee: AMB Technology, Inc., New York, N.Y.
Priority date: 1984-03-19
Filing date: 1984-03-19
Publication date: 1986-04-24
Also published as: US4669525A; WO1985004125A1; JPH0510185B2; JPS61501501A

Description

AMB TECHNOLOGY, INC., 612 Avenue of the Americas, New York, NY 10011, U.S.A.

Verfahren und Vorrichtung zum kontinuierlichen Gießen von Metall

Technisches Gebiet

Diese Erfindung betrifft allgemein das Gießen von Metallen und insbesondere das kontinuierliche Gießen von Metallen mit einem hohen Schmelzpunkt, d.h. über etwa 2600° F.

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Beim kontinuierlichen Gießen von Hochtemperaturmetallen ist es wesentlich, daß das gegossene Metall· darin gehindert wird, an der Gießform anzuhaften, wenn das gegossene Metall abkühlt und sich verfestigt.

Stand der Technik

Beim herkömmlichen kontinuierlichen Stahlgießen wird der geschmolzene Stahl durch eine vertikal ausgerichtete, üblicherweise gebogene, Gießhülse gegeben. Die Gießhülse ist vorzugsweise aus Kupfer hergestellt und weist typischerweise einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt auf. Wenn der geschmolzene Stahl durch die Gießhülse strömt, erhärtet seine Außenhaut. Wenn der Stahlstrang weiter erhärtet, wird er durch einen Winkel von 90° gebogen, so daß er sich beim Verlassen der Gießmaschine horizontal bewegt, und anschließend in einzelne Blöcke geschnitten.

Die Temperatur des geschmolzenen Stahls liegt typischerweise bei 2850° F, obwohl bei gewissen Qualitätsstufen des Stahls die Temperatur so niedrig wie 2600° F liegen kann. Obwohl die meisten Hinweise hierin sich auf Stahlgießen beziehen, betrachtet die Erfindung im allgemeinen das Gießen von jedem Metall oder jeder Metallegierung, deren Flüssigkeitstemperatur etwa 2600° F überschreitet.

Die Gießhülse wird bei herkömmlichen Maschinen zum kontinuierlichen Gießen oszillierend bewegt, um das Anhaften des geschmolzenen Metalls an den Wänden der Gießhülse zu verhindern. Wenn die Oszillation der Gießhülse unterbrochen oder gestoppt wird, wird der Stahl an der Kupfergießhülse anhaften und schließlich eine vollständige Außenhaut

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bilden, die einen flüssigen Stahlkern umhüllt. Wenn sich diese ortsfeste Außenhaut gebildet hat, hört die Wärmeübertragung auf, und die Außenhaut des Stranges platzt, wodurch der flüssige Stahlkern ausströmen kann (in der Technik als "Durchbruch" bezeichnet). Wenn ein Durchbruch auftritt, muß der Gießvorgang abgebrochen werden, und der gegossene Stahl ist verdorben.

Zusätzlich zur Oszillation der Gießhülse wird ein Schmiermaterial wie Rapsöl oder eine Pulvermischung mit hohem Schmelzpunkt entweder automatisch oder manuell auf den Miniskus des flüssigen Stahls in der Gießform aufgebracht.

Durch Forschung und Experimente, die während der Entwicklung des kontinuierlichen Gießverfahrens durchgeführt wurden, hat sich die Strangoszillation als notwendig herausgestellt, um das Verfließen des Schmiermittels auf den Wänden der Kupfergießhülse zu ermöglichen. Dieses Schmiermaterial stellt sicher, daß der Stahl nicht an den Wänden der Gießform anhaftet. Bis jetzt glaubte man, daß die wirkungsvollste Frequenz und Amplitude der Oszillation zwischen etwa 60 bis etwa 120 Zyklen pro Minute bzw. zwischen etwa 0,375 bis etwa 0,75 Zoll liegt. Weiterhin wurde die Oszillation daraufhin streng kontrolliert, daß sie nur in der vertikalen Richtung stattfindet - oder parallel zur Richtung, in der der Stahlstrang sich bewegt.

Seitliche Bewegungen der Gießhülse wurden streng vermieden, da festgestellt wurde, daß seitliche Bewegung aufgrund von hohen Spannungen in der Außenhaut des Stranges, die von dieser Bewegung herrühren, zu großen Oberflächenrissen im sich verfestigenden Stahl führt. Folglich wurden große, komplexe Maschinen konstruiert und entwickelt, um die Möglichkeit jeder seitlichen Bewegung der Gießhülse während des Gieß-

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Vorganges zu verhindern.

Um ein Oszillationssystem zu konstruieren, das eine Gießform leicht hebt und senkt, benötigt man eine sehr komplexe mechanische Anordnung (eine typische Gießform wiegt über 1000 Pfund). Es ist deshalb sehr schwierig gewesen, ein System zu bauen, das sicherstellt, daß jede seitliche Bewegung ausgeschlossen ist. Tatsächlich beinhalten die meisten Oszillatoren eine bedeutende seitliche Bewegung (so groß wie 0,0625 Zoll), die, wenn sie mit einer Oszillationshublänge im Bereich von etwa 0,037 5 bis etwa 0,750 Zoll verbunden ist, zu Querrissen in den Blöcken und zu übermäßigem Verschleiß der Kupfergießhülse führt. So ergibt sich daraus eine schlechte Oberflächenqualität. Alle Konstrukteure und Betreiber von Maschinen zum kontinuierlichen Stahlgießen bemühen sich daher, beim Entwerfen oder Konstruieren von Gießmaschinen jede Form von seitlicher Bewegung der Gießhülse auszuschließen.

Da herkömmliche Oszillationssysteme für Gießformen große Hublängen erfordern, typischerweise 0,375 bis 0,750 Zoll, schlägt der Strang gegen die Wände der Kupfergießhülse, wenn eine seitliche Bewegung auftritt. Wenn die Gießform sich auch noch vertikal gegenüber dem hinabfließenden Strang bewegt, schleift der Stahl eine kleine Menge Kupfer von der Gießform ab. Dieses Aneinanderreiben und Abschleifen bewirkt den Verschleiß der Gießform. Da die seitliche Bewegung mit dem Verschleiß ausgeprägter wird, nimmt der Gießformabrieb dramatisch zu, wodurch es erforderlich wird, daß die Gießform außer Dienst gestellt und verschrottet werden muß. Normalerweise ist eine Kupfergießform nach etwa 6000 bis etwa 10000 Tonnen Stahl, die durch sie hindurchgegossen worden sind, abgenutzt.

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Offenbarung der Erfindung

Im Gegensatz zur bisherigen Annahme der Konstrukteure und Betreiber von Maschinen zum kontinuierlichen Stahlgießen, daß jede Bewegung senkrecht zur Gießrichtung einen in beträchtlichem Maße schädlichen Einfluß auf den gegossenen Strang zur Folge hat, wurde vom Anmelder festgestellt, daß eine sehr kleine Menge einer Hochfrequenzbewegung in Richtungen, die sowohl parallel als auch senkrecht zur Richtung der Strangbewegung verlaufen, das Anhaften zwischen dem Stahl und der Gießform nicht nur nicht verhindert, sondern die Qualität des gegossenen Stahlstrangs auch verbessert.

Die Gießhülse wird von Halteplatten getragen, die am Gießformgehäuse befestigt sind. Die Gießhülse ist frei von jedem direkten Kontakt oder jeder direkten Verbindung mit dem Gießformgehäuse und relativ zu diesem beweglich. Ein oder mehr Vibratoren sind an den Halteplatten befestigt oder mit ihnen verbunden, um sie zum vibrieren zu bringen und auf diese Weise die Gießhülse zum Vibrieren zu bringen. Zwischen den Halteplatten und den Befestigungspunkten am Gießformgehäuse sind Dämpfpolster angebracht, um die Vibrationsübertragung auf das Gehäuse auf ein Mindestmaß zurückzuführen. Die Vibratoren können kommerziell erhältliche Einrichtungen zum übertragen einer hochfrequenten (1000 bis 12000 Zyklen pro Minute) Bewegung mit kleiner Amplitude (0,00078 bis 0,1250 Zoll) auf die Gießhülse sein.

Da die Wärmeübertragung vom flüssigen Stahl zum Kühlwasser beim kontinuierlichen Gießvorgang nur effektiv ist, während die Außenhaut des Stranges in direktem Kontakt mit der kühlen Wand der Kupfergießform steht, wird die kleinste zu-

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lässige Bewegung, die noch ein gleichförmiges Verfließen des Schmieröls auf der Grenzfläche zwischen dem Stahl und der Kupfergießform erlaubt und den gegossenen Strang ständig in dynamischer Beziehung zur Kupfergießform hält, eine Gießstruktur zur Folge haben, die über längere Zeiträume in Kontakt mit der Gießform steht und daher eine längere Verweildauer an der kühlen Gießformwand aufweist. Diese längere Verweildauer erlaubt eine schnellere und ausgedehntere Wärmeübertragung, was zu einer dickeren Außenhaut des Stranges und einer gleichförmigeren Blockstruktur führt, als sie mit einer herkömmlichen oszillierenden Gießform erreichbar sind. Die Eigenschaft einer verbesserten Wärmeübertragung führt auch zu einer bedeutenden Verringerung von Rissen in der Oberfläche und der Schicht unter der Oberfläche der Blöcke. Dies kommt daher, weil eine stärkere, dickere Außenhaut des Stranges eine Zugfestigkeit aufweist, die erforderlich ist, um die hohen Spannungen auszuhalten, die auftreten, wenn der Stahl vom flüssigen in den festen Zustand übergeht. Innere und äußere Risse sind bedeutend seltener, wenn eine starke Außenhaut schnell gebildet wird.

Die vorliegende Erfindung beseitigt das Anhaften, das mit herkömmlichen Gießformsystemen verbunden ist, und beseitigt daher die Eckrisse, die durch das Haften zwischen dem Metall und der Gießformwand hervorgerufen werden. Ferner wird die sich verfestigende Stahlhaut in der mit hoher Frequenz vibrierenden Gießform der Erfindung einer bedeutend geringeren Spannung ausgesetzt als in herkömmlichen mit niedriger Frequenz oszillierenden Gießformen. Oberflächenrisse, die sich in den Stahlblöcken, die mit herkömmlichen Verfahren gegossen werden, bilden, können in die Endprodukte des Stahlwerkes hineingewalzt werden, was zu Ausschuß und Schrott führt. Bei der vorliegenden Erfindung bilden sich diese

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kleinen Oberflächenrisse oder Oszillationsfehlstellen nicht. In der Tat wird die Oberfläche, da sich die Gießform mit einer hohen Frequenz relativ zum gegossenen Strang bewegt, durch das schnelle "Klopfen" der Gießform gegen den Strang geglättet. Der sich verfestigende Stahl zeigt auf diese Weise eine Oberfläche, die in vielen Fällen so glatt ist wie das gewalzte Endprodukt. Diese Voraussetzung wird die Stahlproduktionskosten pro Tonne für alle Werke, die das Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung verwenden, bedeutend vermindern.

Wenn der gegossene Strang sich verfestigt, beginnen darüber hinaus Körner, sich neben der Gießformwand zu bilden und als Kristallisationskeime zu wirken und zur Mitte des Stranges hin zu wachsen, bis sie schließlich auf Körner treffen, die von allen Seiten des Stranges nach innen wachsen. An diesem Punkt, üblicherweise nach einer bis fünfzehn Minuten, ist der Strang verfestigt. Da die Körner sich in der Mitte jedoch nicht miteinander verbinden können, bildet sich ein Hohlraum, der sich über die gesamte Länge des Stranges erstrecken kann. Dieser Hohlraum ist allgemein als Mittenporosität oder -ablösung bekannt. Diese Mittenporosität ist für das Stahlwerk sehr schädlich, da die Ablösung, wenn der endgültige Walzvorgang durchgeführt wird, als ein innerer Fehler auftritt oder sogar zum Brechen der gewalzten Stücke führt. So müssen diese Körner, wenn die Produkte eines herkömmlichen Gießers gewalzt werden, um die endgültigen Produkte des Stahlwerks herzustellen, ständig gebrochen werden, um die physikalichen Eigenschaften der Endprodukte zu verbessern. Eine Unterbrechung der Kornbildung im Strang wird augenblicklich durch die Verwendung von elektromagnetischen Wellen durchgeführt, die in der Gießform eine Rührbewegung im flüssigen Stähl herbeiführen.

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In der vorliegenden Erfindung führt die Vibration der Gießform und damit des Metalls, das gegossen wird, Wellen im Metall herbei, die sich durch den Strang fortsetzen und bewirken, daß die Verfestigungsfront ständig zerbrochen wird. Die vorrückenden Körner bilden daher keine kontinuierlichen, getrennten Korngrenzen, sondern bilden stattdessen eine Reihe von winzigen, stark wechselwirkenden Korngrenzen, die sich vermischen und alle Hohlräume, die sich bilden wollen, ausfüllen. Das Resultat ist ein Strangkern, der sehr dicht ist und frei von den schädlichen Effekten der Mittenablösung. Darüber hinaus ist die Korngröße durch den ganzen gegossenen Strang hindurch kleiner und gleichförmiger, als es mit jedem herkömmlichen Oszillationssystem für Gießformen möglich ist.

Ferner beseitigt der Einsatz einer Vibration mit hoher Frequenz und kleiner Amplitude bei der vorliegenden Erfindung noch die Notwendigkeit der großen Kraft zum Anheben von herkömmlichen Gießformanordnungen und auch die Notwendigkeit von Führungstischen und -walzen, wie bei herkömmlichen Systemen erforderlich. Dies erlaubt Konstrukteuren beachtlichen Spielraum, wenn sie all die Trägersysteme des kontinuierlichen Gießers entwerfen, einschließlich strukturellen Maschinenteilen, Bodenfläche, Tragfähigkeiten und erforderlicher Gesamtenergie, was bis jetzt alles durch die Beschränkungen diktiert wurde, die von den Erfordernissen der herkömmlichen Gießform- und Oszillatorsysteme auferlegt wurden. Die Einfachheit der Konstruktion und die Beseitigung einer großen maschinellen Einrichtung verlängern zusammen mit der Vibration der Gießform mit hoher Frequenz und kleiner Amplitude auch die Lebensdauer der Gießform, wodurch die Produktionskosten des Stahlgießens reduziert werden.

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Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Diese und andere Gegenstände und Vorteile der Erfindung werden von der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen verdeutlicht, in denen gleiche Bezugszeichen durch mehrere Ansichten hindurch gleiche Teile bezeichnen, und wobei:

Fig. 1 ein vertikaler Querschnitt einer Gießform zum kontinuierlichen Gießen gemäß der Erfindung ist;

Fig. 2 ein horizontaler Querschnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. 1 ist; und

Fig. 3 eine auseinandergezogene Perspektivansicht, von unten betrachtet, der Vibrationseinrichtung ist, die in der Gießform der Fig. 1 und 2 verwendet ist.

Beste Art und Weise zur Ausführung der Erfindung

Bei genauerem Bezug auf die Zeichnungen ist eine Vorrichtung gemäß der Erfindung in den Fig. 1 und 2 im allgemeinen mit 10 bezeichnet und enthält ein Gießformgehäuse 11 mit Seitenwänden 12, 13, 14 und 15 und Deck- und Bodenwänden 16 bzw. 17. Die Deck- und Bodenwände 16 und 17 haben hindurchgehende öffnungen 18 und 19. Das Gießformgehäuse ist in der Gießmaschine in herkömmlicher Art und Weise abgestützt, und der Aufbau der Abstützung ist in den Zeichnungen nicht gezeigt, weil dieser Aufbau nicht für einen wesentlich Teil der vorliegenden Erfindung gehalten wird.

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Eine gedehnte, gebogene Kupfergießhülse 20 wird so im Gehäuse gehalten, daß ihr oberes und ihr unteres Ende an den öffnungen 18 und 19 ausgerichtet, aber vom Gehäuse räumlich getrennt sind. Die Gießhülse wird von einem Paar von im wesentlichen flachen Halteplatten 21 und 22 getragen, wobei jede an einem ihrer Enden mit Befestigungflanschen 23 und 24, die auf gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses an die Seitenwände des Gehäuses angeschweißt oder auf andere Weise angebracht sind, verschraubt oder auf andere Weise geeignet verbunden ist. Ein Dämpfpolster 25 ist zwischen das Ende der Halteplatten und die damit verbundene Befestigungsflansch geschoben, um eine Vibrationsübertragung von den Halteplatten auf das Gießformgehäuse zu vermeiden.

Wie am besten in den Fig. 2 und 3 zu sehen, sind die anderen Enden der Halteplatten bei 26 und 27 gegabelt, wodurch sie eine jochähnliche Struktur erhalten, die die Gießhülse umgibt und an der einen Platte ein Paar Schenkel 28 aufweist, das mit einem entsprechenden Paar Schenkel 29 an der anderen Halteplatte überlappt. Die Halteplatten werden fest gegen die Außenfläche der Gießhülse gedrückt und in dieser Stellung verschraubt, um die Gießhülse zu tragen.

Wenigstens ein Vibrator 30 ist an eine der Halteplatten befestigt, aber vorzugsweise ist auch an der anderen Halteplatte ein zweiter Vibrator 31 als Reserve im Fall des Versagens des ersten Vibrators während des Systembetriebs befestigt. Diese Vibratoren können von jeder geeigneten Art sein, sind aber vorzugsweise pneumatisch betrieben und kommerziell bei VIBCO unter Modellnummer BVS25O erhältlich. Die Rohre 32 und 33 sind mit jedem Vibrator verbunden, um Druckluft oder ein anderes Betriebsfluid zu und von den Vibratoren zu liefern und abzuziehen.

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Die Halteplatten können an jeder Stelle entlang der Länge der Gießhülse innerhalb des Gießformgehäuses positioniert werden, sollten aber so angebracht werden, daß für sowenig wie möglich gegenseitige Beeinflussung mit dem weiter unten beschriebenen Kühlwassersprühsystem gesorgt ist.

Kühlwasser wird auf die Außenflächen der Gießhülse mit einem Sprühnebel-Kühlsystem aufgebracht, das mehrere aufrechtstehende Sprühverteiler 34, 35, 36 und 37 aufweist, die so positioniert sind, daß sie Sprühnebel aus Kühlwasser gegen die Ecken der Gießhülse richten, wobei jeder mehrere Sprühdüsen 38 aufweist, die sich räumlich getrennt über seine ganze Länge verteilen. Ein geeignetes Sprühsystem ist ausführlicher in der gleichzeitig eingereichten Anmeldung mit der Seriennummer 299,999 beschrieben.

Obgleich die Erfindung hier im Detail veranschaulicht und beschrieben worden ist, soll es sich von selbst verstehen, daß verschiedene Änderungen in Konstruktion und Betrieb vorgenommen werden können, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen, wie er durch den Umfang der beiliegenden Ansprüche festgelegt ist.

Claims

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1. Verfahren zum kontinuierlichen Gießen von Metallen, bei dem geschmolzenes Metall in eine Gießhülse gegossen, abgekühlt und verfestigt wird, wobei die Verbesserung folgenden Schritt aufweist:

das In-Vibration-Versetzen der Gießhülse mit einer Frequenz im Bereich von etwa 1000 bis etwa 12000 Zyklen pro Minute und mit einer Amplitude im Bereich von etwa 0,0007 8 bis etwa 0,1250 Zoll.

2. Verfahren zum kontinuierlichen Gießen von Metallen, bei dem das geschmolzene Metall in eine Gießform gegossen, abgekühlt und verfestigt wird, wobei die Verbesserung folgenden Schritt aufweist:

das In-Vibration-Versetzen der Gießform mit einer hohen Frequenz und einer kleinen Amplitude, um das Anhaften des Metalls an der Gießform zu verhindern und die Körner des Metalls aufzubrechen, wenn es sich verfestigt, um eine Mittenablösung zu verhindern und eine dichtere und gleichmäßigere Kornstruktur zu erhalten.

3. Verfahren zum kontinuierlichen Gießen von Metallen, wie in Anspruch 2 beansprucht, wobei:

die Gießform in einer Richtung senkrecht zur Gießrichtung in Vibration versetzt wird.

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4. Verfahren zum kontinuierlichen Gießen von Metallen, wie in Anspruch 2 beansprucht, wobei:

die Gießform in einer Richtung parallel zur Gießrichtung in Vibration versetzt wird.

5. Verfahren zum kontinuierlichen Gießen von Metallen, wie in Anspruch 2 beansprucht, wobei:

die Gießform sowohl senkrecht als auch parallel zur Gießrichtung in Vibration versetzt wird.

6. Verfahren zum kontinuierlichen Gießen von Metallen, wie in Anspruch 5 beansprucht, wobei:

die Gießform mit einer Frequenz im Bereich von etwa 1000 bis etwa 12000 Zyklen pro Minute und mit einer Amplitude von etwa 0,00078 bis etwa 1,250 Zoll in Vibration versetzt wird.

7. Vorrichtung zum kontinuierlichen Gießen von Metallen, enthaltend:

ein Gießformgehäuse;

eine Gießhülse, die im Gehäuse abgestützt, aber von ihm räumlich getrennt ist;

eine Halteplatteneinrichtung, die mit der Gießhülse verbunden und am Gehäuse befestigt ist, zum Abstützen der Gießhülse im Gehäuse; und

eine Vibrationseinrichtung, die mit der Halteplatteneinrichtung verbunden ist, um die Halteplatteneinrichtung und die Gießhülse in Vibration zu versetzen, um das Anhaften des Metalls an der Gießhülse zu verhindern und die Verfestigungszeit des Metalls zu reduzieren und die innere und äußere Fehlerlosigkeit und Homogenität des gegossenen Metalls zu erhöhen.

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8. Vorrichtung zum kontinuierlichen Gießen von Metall, wie in Anspruch 7 beansprucht, wobei:

die Vibrationseinrichtung an der Halteplatteneinrichtung befestigt ist.

9. Vorrichtung zum kontinuierlichen Gießen von Metall, wie in Anspruch 8 beansprucht, wobei:

die Vibrationseinrichtung pneumatisch betrieben ist.

10. Vorrichtung zum kontinuierlichen Gießen von Metall, wie in Anspruch 9 beansprucht, wobei:

Dämpfpolster zwischen das Gießformgehäuse und die Halteplatteneinrichtung geschoben sind, um die Vibrationsübertragung von der Halteplatteneinrichtung auf das Gießformgehäuse auf ein Mindestmaß zurückzuführen.

11. Vorrichtung zum kontinuierlichen Gießen von Metall, wie in Anspruch 10 beansprucht, wobei:

die Halteplatteneinrichtung ein Paar Halteplatten aufweist mit gegabelten Enden, die räumlich getrennte Schenkel festlegen, die sich auf entgegengesetzten Seiten der Gießhülse erstrecken, wobei besagte Halteplatten an allen Seiten der Gießhülse dicht anliegen und diese fest einspannen.

12. Vorrichtung zum kontinuierlichen Gießen von Metall, wie in Anspruch 11 beschrieben, wobei:

die Halteplatten in eng anliegendem Kontakt mit der Gießhülse miteinander verschraubt sind.

13. Vorrichtung zum kontinuierlichen Gießen von Metall, wie in Anspruch 7 beansprucht, wobei:

die Vibrationseinrichtung auf die Halteplatteneinrichtung und die Gießhülse eine Vibration mit einer Frequenz im Be-

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reich von etwa 1000 bis etwa 12000 Zyklen pro Minute und einer Amplitude im Bereich von etwa 0,00078 bis etwa 1,250 Zoll überträgt.