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Die Erfindung betrifft die Erzeugung von Metallblech direkt
aus der Schmelze. Insbesondere betrifft sie das Gießen von
Metallblech auf der Außenfläche einer gekühlten zylindrischen
Trommel. Eine Schicht aus der Schmelze wird typischerweise
mittels einer Zwischenpfanne auf die Gießfläche gegeben. Die
Zwischenpfanne ist an einem Ende offen, ist aber an diesem
Ende der Gießfläche eng benachbart und an diese angepaßt, so
daß Schmelze ohne Leckage zwischen der Zwischenpfanne und der
Gießfläche auf die Fläche gegeben wird. Die Füllhöhe der
Schmelze beeinflußt ebenso wie andere Parameter des
Gießvorgangs die Stärke des Gußbandes. Vor der vorliegenden
Erfindung zeigte die Stärke eine Tendenz zu höherer Stärke an den
Rändern, und zwar aufgrund einer höheren Rate des Kopfabzuges
durch die Schichttrommel an und nahe den Rändern des Bandes
gegenüber der Mitte. Das anschließende Kaltwalzen des
Produktbandes erfordert allgemein die entgegengesetzte Kontur,
d.h. ein Band, das in der Mitte etwas stärker ist.
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Die europäische Patentveröffentlichung Nr. 0198669
offenbart ein Verfahren zum Direktgießen, das zwei Kühlräder
einsetzt, die sich in einander entgegengesetzten Richtungen
drehen. EP 0198669 spricht jedoch nicht das Problem
ungleichförmiger Abkühlung über die Breite des Metallblechs an.
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Die frühere EP-Veröffentlichung 0 147 912 hat
vorgeschlagen, daß ein stärkeres Band dadurch erzeugt werden kann, daß
die Zwischenpfanne gegenüber dem Gießrad zurückgesetzt wird,
um den dazwischen bestehenden Spalt zu vergrößern. Dies hat
jedoch seine Grenzen, da das flüssige Metall ausläuft, wenn
der Spalt zu groß wird. Darüberhinaus gibt es Fälle, in denen
in dem Band ein konturiertes Dickenprofil gewünscht sein kann.
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Band 10 Nr. 159(M-486) [22-15] der japanischen Patent
Abstracts offenbart eine Vorrichtung, die ein Kühlrad und eine
Düse zum Direktgießen eines dünnen Metallbandes umfaßt. Die
Oberfläche des Kühlrades und/oder die Düse sind so geformt,
daß sie die bogenförmige Hitzewölbung, die entlang der
Längsachse des Metallblechs gebildet wird, aufnehmen, um dadurch
einen gleichbleibenden Abstand zwischen der Oberfläche des
Blechs und der Düse über deren Breite zu ermöglichen. Die
Offenbarung dieses japanischen Abstracts spricht jedoch nicht
das Problem der unterschiedlichen Abkühlung über die Breite
des Metallblechs an.
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Band 11 Nr. 44 (M-560) [2491] der japanischen Patent
Abstracts offenbart eine Düse zur Verwendung beim Direktgießen
eines dünnen Metallbandes auf ein Kühlrad. Die Düse ist in
Querrichtung zum Blech so geformt, daß sie auf jeder Seite der
Düse einen Vorsprung bildet. Nach der Offenbarung in dem JP-
Abstract Nr. 44 gestattet eine solche Formgebung der Düse die
Unterdrückung eines Staus an jedem Ende des Metallfilms. Die
Düse ist jedoch nicht zur Verwendung beim Gießen eines
Metallbandes auf eine Walze aus einer Zwischenpfanne geeignet, bei
der die Vorderkante oder Vorderfläche der Zwischenpfanne der
Oberfläche des Kühlrades im wesentlichen benachbart oder fast
benachbart angeordnet ist, um eine Metalleckage zu
verhindern.
Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein neues Verfahren zum
Gießen von Metallblech bereitzustellen.
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Eine weitere Aufgabe ist es, ein solches Verfahren zum
Direktformen eines Metallbleches auf einer gekühlten Gießtrommel
aus einer Schmelze in einer Zwischenpfanne bereitzustellen.
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Es ist auch eine Aufgabe, ein solches Blechgießverfahren
bereitzustellen, bei dem die Stärke des Bleches entlang seiner
Länge und Breite gleichförmig ist.
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Es ist ebenfalls eine Aufgabe, ein Blechgießverfahren
bereitzustellen, bei dem das Stärkenprofil entlang seiner Länge
und über die Breite kontrollierbar ist, ohne den Spalt
zwischen der Zwischenpfanne und dem Rad zu verändern.
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Nach der vorliegenden Erfindung ist daher eine Vorrichtung
zum Direktgießen eines Bleches kontrollierter Stärke aus einer
Schmelze auf eine gekühlte Gießfläche der Art vorgesehen, die
eine geschmolzenes Metall enthaltende Zwischenpfanne mit einer
Rückwand, gegenüberliegenden Seitenwänden und einem Boden
umfaßt, wobei die Seitenwände und der Boden der gekühlten
Gießfläche eng benachbart und wie diese konturiert sind und die
Vorderwand des Bodens der Zwischenpfanne geformt ist, dadurch
gekennzeichnet, daß die neben der Gießfläche liegende Fläche
des Bodens der Zwischenpfanne unter Bildung einer Ausnehmung
im Ausgußteil des Bodens der Zwischenpfanne und in einem
oberen Teil der Vorderwand geformt und dadurch der wirksame
Pfannenschnabel gegenüber der Oberfläche der Schmelze in der
Zwischenpfanne nach unten versetzt ist, wodurch sich die
Erstarrungslänge der Schmelze bei einem gegebenen Abstand der
Vorderwand von der Gießfläche vergrößert.
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Somit ist nach der vorliegenden Erfindung bei der
Zwischenpfanne ein Teil des vorderen Pfannenschnabels des Bodens durch
einen Versatz von der Gießfläche entfernt, um dadurch eine
längere Kontaktlänge der Schmelze mit der Gießfläche und ein
stärkeres Blech im Bereich des Versatzes zu ermöglichen. Ein
Teil des Bodenpfannenschnabels wird über die
Pfannenschnabelbreite beibehalten, so daß der Spalt vom Rad für diesen
verbleibenden Teil der gleiche bleibt, um das flüssige Metall
zurückzuhalten. Ein bevorzugter Versatz zur Erzeugung eines
Bandes gleichförmiger Stärke über die Breite ist ein
bogenförmiger Versatz, der von der Oberseite des Bodens nach unten
ausgenommen ist. Im allgemeinen ist die Stärke des Bandes
proportional zur Tiefe des Versatzes. Das gewünschte
Stärkenprofil kann durch ein besonderes Versatzprofil erzeugt werden.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist
ein Verfahren zur Ausbildung einer gewünschten Stärkenkontur
über die Breite eines direkt aus der Schmelze auf eine
gekühlte Gießfläche gegossenen Metallblechs vorgesehen, bei dem eine
Zwischenpfanne, die einen Vorrat von geschmolzenem Metall
enthält, mit einer Rückwand, gegenüberliegenden Seitenwänden und
einem dazwischen befindlichen Boden bereitgestellt wird, bei
der der Boden und die Seitenwände der gekühlten Gießfläche eng
benachbart und wie diese konturiert sind, so daß die
Gießfläche eine Sperre bildet, die mit dem Vorrat von geschmolzenem
Metall in Kontakt steht, gekennzeichnet durch Entfernen eines
Teils eines Pfannenschnabels des Bodens neben dem Gießrad
einschließlich eines Teils einer Oberseite des Bodens an
gewünschten Stellen, wodurch eine größere Kontakttiefe der
Schmelze mit der Gießfläche ermöglicht wird, während die
Unterseite des Bodens über ihre Breite in Abstandsbeziehung zu
der gekühlten Fläche bleibt, um das Stärkenprofil des Bleches
über seine Breite zu kontrollieren, und Bewegen der Gießfläche
durch den Schmelzvorrat unter Ausbildung einer erstarrten
Metallschicht der gewünschten Stärkenkontur auf der Gießfläche.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Figur 1 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung
zum Gießen eines Bleches direkt aus der Schmelze.
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Figuren 2(a) und 2(b) sind vergrößerte Ansichten des
Bereichs zwischen dem Zwischenpfannenboden nach dem
Stand der Technik und der Gießfläche, worin der Spalt
jeweils klein oder groß ist.
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Figur 3 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Gießbereichs in
der erfindungsgemäßen Zwischenpfanne mit konturiertem
Pfannenschnabel.
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Figur 4 ist eine Draufsicht auf eine Zwischenpfanne mit
einem sinusförmigen Versatz nach der Erfindung,
welcher die Wirkungen der Kantenabkühlung auf die
Bandstärke kompensieren würde.
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Figur 5 ist eine geschnittene, abgebrochene Seitenansicht
eines alternativen Zwischenpfannenversatzes gemäß der
Erfindung.
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Figur 6 ist eine perspektivische Ansicht einer
alternativen Zwischenpfanne mit einem bogenförmigen Versatz,
der an der Oberseite des Bodens nach unten
herausgenommen ist.
Beschreibung der bevorzugten Ausführung
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Eine bekannte Vorrichtung zur Ausbildung eines
Metallblechs nahezu in Reinform direkt aus der Schmelze ist in Figur
1 gezeigt. Das flüssige Metall 5 ist in der Zwischenpfanne 2
enthalten. Die Seitenwände und der Boden der Zwischenpfanne 2
sind am offenen Ende konturiert und dicht an der Gießfläche,
um eine Schmelzelage ohne Leckage zwischen der Gießfläche und
dem Boden der Zwischenpfanne abzugeben.
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In den Figuren 2(a) und 2(b) beeinflußt die Tiefe der
Schmelze die Berührungslänge d&sub1; entlang der gekühlten
Gießfläche 1. Wenn die Schmelze genügend lange mit der Gießfläche in
Berührung ist, bildet sich eine Erstarrungsfront 4 zwischen
der Schmelze 5 und dem Blech 31. Abhängig vom Abstand x des
Zwischenpfannenbodens 8 und der Gießfläche kann sich ein
Absatz 7 bilden, was zu einer geringfügig längeren
Berührungslänge d&sub2; beiträgt. Je länger die Berührungslänge der Schmelze
ist, desto dicker wird das Blech. Eingabe der Schmelze in die
Zwischenpfanne bis zu einer größeren Tiefe trägt daher zu
einem stärkeren Band bei. Ein zu großer Vorrat hat aber auch
Nachteile. Es ist auch bekannt, daß eine Vergrößerung des
Abstandes oder des Spalts x ebenfalls die Berührungslänge und
die Bandstärke vergrößert, ohne daß die Tiefe der Schmelze in
der Zwischenpfanne vergrößert wird.
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Es wurde gefunden, daß der Fluß von geschmolzenem Metall
durch die Zwischenpfanne einen bedeutenden Einfluß auf die
Gleichförmigkeit der Dimensionen des erzeugten Streifens hat.
Reibungskräfte entlang der Zwischenpfannenwände bewirken, daß
sich die Schmelze nahe den Seiten des Kanals langsamer bewegt,
was größeren Wärmeverlust verursacht. Darüberhinaus besteht
eine Wärmeableitung zur Gießfläche nahe den Gußbandrändern im
wesentlichen in zwei Richtungen (radial und seitlich) im
Gegensatz zum Verlust im wesentlichen in einer Richtung
(radial) nahe der Bandmitte. Diese unterschiedliche Abkühlung
ergibt ein erstarrtes Band mit einer "Hantel" ("Hundeknochen")-
Querschnittsform, bei der die Ränder dicker als die Mitte
sind. Dieses Bandprofil ist unerwünscht, weil es die Anzahl
der Verfahrensschritte und die Herstellungskosten im Handel
annehmbarer Walzbänder steigert.
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Die vorliegende Erfindung erstrebt im allgemeinen, die
Bandstärke auf ein gleichförmiges oder gewünschtes
nichtgleichförmiges Profil zu kontrollieren. Insbesondere erstrebt
sie, einen rechtwinkligen oder leicht konvexen Querschnitt zu
erzeugen, welcher für das Walzen erwünscht ist. Dies wird
durch Kontrolle der Länge erreicht, über die die Schmelze
erstarren kann. Diese Länge ist im wesentlichen der Abstand
zwischen dem Punkt, an dem die Schmelze das Rad zuerst berührt,
und dem Punkt, an dem das erstarrte Band aus dem Gießvorrat
austritt. Der obere Punkt steht daher in Beziehung zur oberen
Höhe des Schmelzevorrats. Der untere Punkt steht in Beziehung
zur Höhe des Zwischenpfannenbodens und des Pfannenschnabels.
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Wie in Figur 3 gezeigt ist, kann der Erstarrungsabstand
oder die Berührungslänge d durch Konturieren des
Pfannenschnabels 14 des Zwischenpfannenbodens kontrolliert werden. Der
Zwischenpfannenboden hat eine Oberseite 12, eine Unterseite 13
und einen Pfannenschnabel 14, der zur Anpassung an die
Gießfläche 1 konturiert ist. Die Vorderwand befindet sich im
Abstand von der Gießfläche durch einen feststehenden Spalt x.
Ohne den Versatz oder Auschnitt 10 aus dem Pfannenschnabel 14
beträgt die Tiefe der Schmelze 11 hx, und der
Erstarrungsabstand ist d. Mit dem Winkelversatz 10 in dem Pfannenschnabel
vergrößert sich die Schmelzetiefe um ein Element Δhxi, und der
Erstarrungsabstand vergrößert sich um Δdi, was an der i-ten
Querstelle einen inkrementalen Anstieg der Bandstärke in
diesem Bereich verursacht.
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Beim Gießen des Metallbandes haben wir festgestellt, daß
die Stärke m mit der Erstarrungszeit t über den
Erstarrungsabstand d zusammenhängt, und zwar nach der Formel:
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C&sub1; M² + C&sub2; M-t = 0 (1)
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Die Konstanten C&sub1; und C&sub2; werden berechnet aus
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Dabei sind
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Tm ist die Schmelz- und Erstarrungstemperatur des Metalls
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To ist die Kühlmitteltemperatur im stationären Zustand
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Hf ist die latente Schmelzwärme
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θ' ist die Dichte der und Schmelze
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Cp' ist die spezifische Wärme des erstarrten Bandes
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k' ist die Wärmeleitfähigkeit des Bandes
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hc ist die effektive Wärmeübertragung auf den Guß oder die
erstarrte Schichtseite der Gußformmetallgrenzfläche und
ist gleich
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hc = (1 + [ k'θ' / kθCp ] ) h
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Hf ist die latente Schmelzwärme
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Ts ist die Temperatur an der Grenzfläche zwischen Rad und
Metall. h ist der Gesamtkoeffizient der Wärmeübertragung
und
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k, θ und Cp sind die Wärmeleitfähigkeit, Dichte und
spezifische Wärme der Gießfläche.
Beispiel 1
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Für eine besondere Aluminiumlegierung, die auf einem
Stahlrad gegossen wird, haben wir die Konstanten C&sub1; und C&sub2; für den
Betrieb im stationären Zustand berechnet und Gleichung (1)
reduziert auf
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14,9 M² + 0,843 M - t = 0
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Da der Wärmeverlust nahe den Rändern des Bandes (annähernd
2,5 cm) in zwei Richtungen erfolgt, variieren die
Wärmeübertragungskoeffizienten und folglich die Konstanten C&sub1; und C&sub2;.
Hypothetisch kann dies den folgenden Satz von Gleichungen
ergeben, die die Bedingungen über die Breite des Bandes
bestimmen:
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Die Zeit t steht geometrisch in Beziehung zu den
Systemparametern nach:
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Darin ist
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α = der Zenithabstand zum Zwischenpfannenschnabel in Grad
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hx = die Tiefe des flüssigen Metalls
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r = der Radius des Gießrads.
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Betrachtet man nun Figur 3, so vergrößert ein
Pfannenschnabelversatz die Vorratstiefe um Δhxi an der i-ten Querstelle
über den Pfannenschnabel hinweg und auch α um Δαi, so daß
Gleichung 2 wird
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Da Zeit = Länge/Geschwindigkeit und d = rß (r = Bogenradius
= Radradius; ß = der durchquerte Winkel in Radian) und da die
Geschwindigkeit und der Radradius feststehen, bestimmt jeder
Wert von ti (t + Δti) einen Wert von di (d +Δdi), aus welchem
Δαi berechnet werden kann
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Δαi = Δdi/r
-
Kenntnis von Δαi für die i-te Stelle erlaubt die Berechnung
von Δhxi unter Verwendung von Gleichung 3. Tatsächlich ist
Δhxi der vertikale Versatz in dem Zwischenpfannenschnabel an
der iten Stelle, der notwendig ist, um eine Stärke Mi in dem
Gußband zu erzeugen. Die inkrementellen Werte von Δhxi können
in eine NC-Machine eingegeben werden, um den gewünschten
Zwischenpfannenschnabel zu konturieren.
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Der Zwischenpfannenschnabel kann gemäß der Tabelle 1
profiliert werden. Um ein 30 cm breites, (nominell) 0,1 cm starkes
Banderzeugnis aus Aluminium auf einem Stahlrad mit einer
schwachen Wölbung (0,097 cm am Rand symmetrisch zu 0,102 cm in
der Mitte) herzustellen, werden die folgenden
Verfahrensparameter verwendet
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Gießradradius = 35,6 cm
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Gießgeschwindigkeit = 41 RPM = 91,5 m/min
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Kühlwassertemperatur - 60ºC
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x = 45º
TABELLE 1.
Pfannenschnabelkontur
Beispiel 2
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Figur 4 zeigt einen alternativen glatten
Sinuskonturversatz 15, der ein erwünschtes Bandprofil erzeugt. Die folgenden
Bedingungen wurden verwendet, um die in Tabelle 2 gezeigte
Kontur vorauszusagen:
TABELLE 2
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Gewünschter maximaler Versatz (Mitte) = 0,95 cm, um ein
Aluminiumband von nominell 0,685 mm mit Rändern
herzustellen, die etwa 0,05mm dünner als die Mitte sind.
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Figur 5 zeigt eine alternative Ausgestaltung des
Pfannenschnabels gemäß der Erfindung zur Bildung eines vergrößerten
Erstarrungsabstandes. Solche Versatze können quer über die
gesamte Zwischenpfanne verlaufen oder könnten nur über einen
Teil der Breite verwendet werden, um ein Banderzeugnis mit
variabler Stärke zu bewirken.
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Figur 6 zeigt eine perspektivische Zeichnung einer
weiteren Zwischenpfanne 22 mit einer alternativen Ausgestaltung des
Pfannenschnabels, bei welcher ein bogenförmiger Ausschnitt 25
im Pfannenschnabel von der Oberseite 26 des Bodens der
Zwischenpfanne nach unten herausgenommen ist. Die verbleibenden
Teile 24 des Pfannenschnabels und 28 der Seitenwände sind dem
Gießrad angepaßt, um eine Leckage des geschmolzenen Metalls zu
verhindern.
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1. Vorrichtung zum Direktgießen eines Bleches (3)
kontrollierter Dicke aus einer Schmelze (5) auf eine
gekühlte Gießfläche (1), enthaltend eine geschmolzenes
Metall enthaltende Zwischenpfanne (2) mit einer
Rückwand, gegenüberliegenden Seitenwänden und einem Boden (8),
wobei die Seitenwände und der Boden (8) der gekühlten
Gießfläche (1) eng benachbart und wie diese konturiert
sind und die Vorderwand des Bodens (8) der
Zwischenpfanne geformt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die neben der Gießfläche (1)
liegende Flasche des Bodens (8) der Zwischenpfanne unter
Bildung einer Ausnehmung (10) im Ausgußteil (14) des
Bodens (8) der Zwischenpfanne und in einem oberen Teil
der Vorderwand geformt und dadurch der wirksame
Pfannenschnabel gegenüber der Oberfläche (11) der Schmelze in
der Zwischenpfanne (2) nach unten versetzt ist, wodurch
sich die Erstarrungslünge der Schmelze bei einem
gegebenen Abstand der Vorderwand von der Gießfläche (1)
vergrößert.
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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß sich der Versatz (10) des Pfannenschnabels im
wesentlichen über die gesamte Breite der Zwischenpfanne (2)
zwischen den Seitenwänden erstreckt.
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3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Versatz (10) des Pfannenschnabels
von der Oberseite (12) des Bodens (8) der Zwischenpfanne
nach unten zu einem Punkt oberhalb einer Unterseite (13)
des Bodens (8) der Zwischenpfanne gleichförmige Tiefe hat.
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4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Versatz (10) des Pfannenschnabels
von der Oberseite (12) des Bodens (8) der Zwischenpfanne
nach unten zu einem Punkt im Abstand oberhalb der
Unterseite (13) des Bodens (8) der Zwischenpfanne
ungleichförmige Tiefe hat.
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5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekannzeichnet,
daß der Versatz (10) des Pfannenschnabels von nahe den
Seitenwänden der Zwischenpfanne zu nahe der Mitte des
Pfannenschnabels (14) in der Tiefe zunimmt.
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6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die geometrischen Orte von Punkten entlang dem
Versatz (10) im wesentlichen sinusförmig liegen.
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7. Verfahren zur Erzeugung einer gewünschten Dickenkontur
über die Breite eines direkt aus der Schmelze (5) auf
eine gekühlte Gießfläche (1) gegossenen Metallbleches
(3), bei dem eine Zwischenpfanne (2), die einen Vorrat
von geschmolzenem Metall (5) enthält, mit einer Rückwand,
gegenüberliegenden Seitenwänden und einem dazwischen
befindlichen Boden (8) bereitgestellt wird, bei der der
Boden (8) und die Seitenwände der gekühlten Gießfläche(1)
eng benachbart und wie diese konturiert sind, so daß die
Gießfläche (1) eine Sperre bildet, die mit dem Vorrat
von geschmolzenem Metall in Kontakt steht,
gekennzeichnet durch
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Entfernen eines Teils eines Pfannenschnabels (14) des
Bodens (8) neben dem Gießrad (1) einschließlich eines
Teils einer Oberseite (12) des Bodens an gewünschten
Stellen, wodurch eine größere Kontakttiefe der Schmelze
mit der Gießfläche (1) ermöglicht wird, während die
Unterseite (13) des Bodens über ihre Breite in
Abstandsbeziehung
zu der gekühlten Fläche (1) bleibt, um das
Dickenprofil des Bleches über seine Breite zu
kontrollieren, und
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Bewegen der Gießfläche (1) durch den Schmelzevorrat
unter Ausbildung einer erstarrten Metallschicht (3) der
gewünschten Dickenkontur auf der Gießfläche (1).
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8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch die
Entfernung eines Teils des Pfannenschnabels (14) von
gleichförmiger Tiefe von der Oberseite (12) des Bodens
der Zwischenpfanne nach unten zu Punkten oberhalb der
Unterseite (13) des Bodens der Zwischenpfanne.
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9. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch die
Entfernung eines Teils des Pfannenschnabes (14) von
ungleichförmiger Tiefe von der Oberseite (12) des Bodens
der Zwischenpfanne nach unten zu Punkten oberhalb der
Unterseite (13) des Bodens der Zwischenpfanne.
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10. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch
Entfernen eines Teils zunehmender Tiefe von den
Seitenwänden der Zwischenpfanne bis nahe der Mitte des
Pfannenschnabels (14).