NO138752B - Er fremgangsmaate for kontinuerlig stoeping av aluminiumsblokk - Google Patents

Description

Nærværende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for

fremstilling av støpeblokker av aluminium samt aluminium-

legeringer, ved hjelp av den direkte kokillestøpnings-

prosessen.

Ved den direkte kokillestbpnings-prosessen, slik denne vanligvis praktiseres, blir smeltet metall tilfort en stbpeform hvis bunn-

del opprinnelig er lukket ved hjelp av et sete, som kan senkes med en bnsket hastighet under operatorens kontroll.for således å fjerne stdpeblokken fra formen. Når metallet helles i formen, danner det seg en fast hud ved periferien der det smeltede metallet kommer i kontakt med stbpeform-veggen. Etter at man har fått en forutbestemt dybde av metall ved å helle dette i

formen, blir setet senket, og varme fjernes fra metallet ved å anvende et kjblemiddel direkte på den stbrknede overflatehuden av metallet,som er eksponert mellom stbpeformens bunnkant og setet. Hastigheten som anvendes ved fremstilling av stbpegodset er avhengig av den hastighet med hvilken setet senkes, og hvorved man opprettholder en i alt vesentlig konstant metallhbyde i stbpeformen. Ved en alternativ fremgangsmåte tilfores smeltet metall til den ene endedelen av en horisontalt anordnet stbpe-

form, og hvorved man fjerner .aetallet fra den motsatte endedelen av stbpeformen ved hjelp av en uttreknings-anordning.

Når det gjelder mange aluminiumlegeringer, så er det velkjent

at det er en tendens for dannelse av sprekker i stbpeblokkens sentrum, og dette som et resultat av de spenninger som bygges opp i stbpeblokken på grunn av metallets kontraksjon i stbpeblokkens sentrum ved overgangen fra flytende til fast tilstand.

Generelt har man funnet at bkningen av stbpe-hastighefen forer

til dannelse av sentrums-sprekker, og selv om det er foreslått mange midler for å oke stbpe-hastigheten så har resultatene ikke vært tilfredsstillende. Det har nemlig i visse tilfeller vært mulig å stope gode og sprekkfrie stbpeblokker ved hbyere hastigheter enn det som normalt anvendes i industriell skala,

mens man på den annen side med samme hastighet har fått stbpeblokker med utviklede sprekker.

Man har nå blitt klar over at forklaringen på disse ujevne resultatene skyldes de anvendte betingelsene ved overgangen fra langsom stbpehastighet,som normalt anvendes ved begynnelsen av hver stbpeoperasjon, nemlig når de fbrste centimetrene trekkes ut av stbpeformen (vertikalt eller horisontaltog til den hbyere hastigheten som anvendes under den overveiende del av stbpe-cyklusen.

Ved stbping av aluminium-stbpeblokker er det velkjent, og da spesielt i forbindelse med stbping av aluminiumlegeringer som oppviser "rbdskjbr" ("hot short")-sprekningstendenser, at det er en tendens til sentrumssprekker i stbpeblokkens fbrste del,

og denne sprekningen er et resultat av den meget hbye av-kjblings-graden og de derved erholdte hbye spenninger som fås

ved kontakten av den butte enden til stbpeblokken med setet og med kjblemidlet, og som kommer i tillegg til den normale avkjblingen av stbpeblokkens perifere overflate.

"Rbdskjbr"-sprekningen ("hot short" cracking) kan defineres som en tendens til revning eller sprekking, hvorved sprekkens fremadskridende front befinner seg i en sone i stbpeblokken hvis temperatur ligger over solidus-temperaturen.

Ved normal utfbrelse av direkte kokillestbping utbrer

denne sentrumssprekk seg bare noen få tommer inn i støpeblokken,

hvor sprekken ender. Selv om det er slil: ,har man av og til funnet at slike sprekker utstrekker seg til et sted utover det hvor setet eller den horisontale utstrekningsanordningen har vært gjenstand for akselerasjon til full stbpehastighet.

M.a.o. har sprekkdannelsen opphbrt etter at man har oppnådd

full normal stbpehastighet. Ved vanlig stbpe-drift er derfor stbpehastighetene begrenset til slike hastigheter hvorved man får sprekkdannelser bare innenfor et kort stykke.

Ifblge oppfinnelsen har man nå oppdaget at stbpe-hastigheten

kan bkes etter at sprekken har grodd igjen til en hastighet som, hvis den tidligere skulle ha blitt anvendt for senkningen av setet, skulle ha fort til en dårlig stbpeblokk med en mer eller mindre kontinuerlig sentrumssprekk.

Det har vist seg at det er en maksimal stbpehastighet under hvilken en sprekk i en stbpeblokk ikke vil heles når stope-prosessen fortsetter. Denne hastighet er her kalt "sprekk-utbredelseshastighet" (" crack propagating speed") {C.P.S.), d.v.s. den m.inimumhastighet som er nbdvendig for å opprettholde veksten av en på forhånd nærværende sprekk. Når stbpehastigheten reduseres under C.P.S, vil en allerede eksisterende sprekk stanse.

Når en gang sprekken er stanse<t>Qg uttrekningen av den stbpte blokken er foretatt slik at man har fått en viss lengde med god stbpeblokk, så vil en ny sprekk i sentrum av stbpeblokken bare kunne dannes hvis stbpehastigheten bkes til en verdi utover C.P.S. Denne hbyere hastighet kalles her "sprekk-initieringshastighet" ("crack initiating speed") (C.I.S.).

Nærværende oppfinnelse tilveiebringer fremgangsmåte for kontinuerlig støping av blokker av aluminiummetall hvor smeltet aluminium innføres ved den ene enden av en støpeform med åpne ender og hvor et flytende kjølemiddel bringes umiddel-

bart på den størknede overflaten av blokken som trekkes ut av støpeformens andre ende, og der blokken ved støpinqen først trekkes ut med lav.hastighet og etter å ha nådd en tilstrekkelig avstand fra blokkfoten til støpekokillen,

trekkes ut med forhøyet hastighet, karakterisert ved at støpingen utføres ved en hastighet under sprékkutbredelses-hastigheten inntil.en sprekkfri kjerne på minst en blokk-

diameters lengde har blitt utviklet, hvoretter støpehastig-heten økes langsomt til en hastighet over sprekkutbredelseshastigheten, men under sprekkinitieringshastigheten kontinuerlig eller i små trinn.

Det er foretrukket at støpingen utføres ved en hastighet

under sprekkutbredelseshastigheten inntil lengden av blokken som kommer ut av formen utgjør minst 2,5 ganger blokkens tverrsnitt, hvoretter støpehastigheten økes til en verdi som ligger over sprekkutbredelseshastigheten, men under sprekkinitieringshastigheten.

Fortrinnsvis foretas overgangen fra stbpehastigheten under C.P.S, til hastigheten mellom C.P.S, og C.I.S, ved hjelp av kontinuerlige inkrementer på ca. 1,27 cm/min, hvorved hver hastighetsinkrement skjer langsomt f.eks. på 5 - 30 sekunder. Selv om hastigheten av driftsmessige hensyn bkes i separate inkrementer i intervaller på la oss si 1 minutt, så kan det

i visse tilfelle være mulig å oke stbpehastigheten kontinuerlig fra den fbrste hastigheten under C.P.S, til hastigheten mellom C.P.S, og C.I.S, med en i alt vesentlig konstant akselerasjons-grad, som f.eks. 3,17 - 127 mm/min pr. minutt, slik at stbpehastigheten bkes fra en hastighet noe under C.P.S, til den endelige stbpehastigheten på ^ - 15 minutter.

Fremgangsmåten ifblge nærværende oppfinnelse er spesielt verdifull ved fremstillingen av runde stbpeblokker som er dannet av de legeringer som er fblsomme for "rbdskjbr"-sprekking. Et antall vanlig anvendte legeringer av Al-Mn-, Al-Mg-, Al-Cu- og Al-Zn-Mg-seriene,og da spesielt legeringer i Al-Mg-Si-seriene som har funnet utLraflt anvendelse ved sprbytestbpning, er bmfintlige for "Rbdskjbr"-sprekking. Fremgangsmåten ifblge nærværende oppfinnelse har spesielt funnet å være verdifull ved stbping av Al-Mg-Si-legeringer med fblgende. prosentuelle inn-hold av .magnesium og silisium: Mg; 0,45 - 0,9» Si 0,20 - 0,6j Mg 0,4 -0,8; Si 0,7 - 1,3; Mg 0,8 - 1,2; Si 0,40 - 0,8; Mg 0,35 - 0,8; Si 0,30 - 0,7.

Disse er utbredt anvendte kommersielle aluminiumlegeringer. C.P.S. og-C.I.S. for fremstilling ay stbpeblokker av en bestemt legering avhenger avet antall faktorer, som delvis skyldes stbpe-betingelsene ogsdelvis metallets sammensetning og tilstand.

Således vil temperaturen ved hvilken metallet tilfores stbpeformen, typen anvendt flottør og dypperbr for regulering av metallnivået i stbpeformen, stbpeformdiameter eller dimen-sjoner i tverr-retning samt metoden for kjbling av stbpeblokk-overflaten alle påvirke verdien for C.P.S, og C.I.S.

I tillegg til hovedlegerihgs-elementene, vil metallets renhet og nærværende mengde jern i aluminiumet samt nærvær av elementer, som påvirker kornstbrrelsen,også utove en viktig.påvirkning

av disse verdier. Generelt vil nærvær av såvel jern og korn-raffineringsmidler oke C.P.S.-og C.I.S.-verdiene

Bestemmelsen av verdiene for C.P.S, og C.I.S, kan på grunn av dét store antall variable stbrrelser, som de er avhengig av,bare gjbres empirisk ved å stope en stbpeblokk fra en legeringssmelte. Med f.eks. en stbpeblokk av "AA6063-legering" og med en diameter på 17,7 cm bor stbpehastigheten bkes i trinn fra et opprinnelig trinn på la oss si 100 mm/min, kontinuerlig i inkrementer på

f.eks. 1.27 cm/min, og,som er diskutert ovenfor, ved lengdeinter-valler av stbpegodset på 61 cm inntil den bnskede C.I.S, i alt vesentlig er oppnådd, og deretter kontinuerlig senkning av stbpe-hastigheten på samme måte. For stbpeblokker med mindre diametere og/eller legeringer som er mindre bmfintlige overfor "rbdskjbr"-sprekking,kan stbrre utgangshastigheter anvendes med, de samme inkrementer, mens når det gjelder stbpeblokker med stbrre diametere og/eller legeringer som er mer bmfintlige for skjbrsprbhet, så vil mindre utgangshastigheter og mindré inkrementer anvendes. Ved å registrere stbpehastigheten -ved etter hverandre fblgende

steder langs stbpeblokken, vil etterfblgende ultralyd-under-sbkning av stbpeblokken muliggjbre bestemningen av stbpehastigheten ved hvilken sentrumssprekken oppsto (annerledes ved den butte enden) i et betydelig antall stbpeblokker. Dette vil bestemme

C.I.S.

Bestemningen av stbpehastigheten ved hvilken sentrumssprekken opphbrte under senkningen av stbpehastigheten vil indikere verdien for C.P.S., og spesielt en hastighet under C.PiS. ved hvilken uttrekningen kan foretas ved begynnelsen av stbpe-cyklusen for å få et helt og godt sentrumsparti.

Som et eksempel på oppnådde fordeler ved anvendelsen av fremgangsmåten ifblge oppfinnelsen,har man funnet at ved fremstillingen av ekstruderte stbpeblokker med 17,7 cm diameter av aluminium-magnesium- silisium-legering,og som inneholder 0,4 - 0,9% Mg,

0,3 - 0,7% Si, 0,2 - 0,3% Fe og 0,005 - 0,15% Ti, så er den normale maksimale stbpehastigheten for fremstilling av feilfrie stbpeblokker ca. 12,7 cm/min etter å ha stbpt de fbrste få centimetrene ved en hastighet på 7,6 - 10 cm/min. Når denne utfbrelses-form anvendes finner man at det av og til finnes sentrumssprekker som utstrekker seg ca. 21 cm oppover fra den butte enden regnet. Ved å anvende utfbrelsesformen ifblge nærværende oppfinnelse stbpes en initiallengde av stbpeblokken, f.eks. 60 cm, med en hastighet på 12,7 cm/min (etter å ha stbpt de fbrste få centimetrene ved en hastighet på 7,6 - 10 cm/min som ovenfor) for derved å fremstille en stbpeblokklengde med et sprekkfritt sentrumsparti. Man fant at stbpningshastigheten deretter kunne bkes sakte til 16,5 cm/min på tidligere angitt måte uten at man fikk en sentrumssprekk. Hvis samme hastighet hadde blitt anvendt ved begynnelsen av stbpeprosessen, d.v.s. for den butte sprekken var utbedret, ville stbpeblokken være sprukket fra ende til ende.

Oppfinnelsen skal i det fblgende ytterligere beskrives ved hjelp av eksempel under henvisning til vedlagte tegninger, hvor: Fig. 1 ér et skjematisk delsnitt av «t kontinuerlig stbpe-apparat, og fig. 2 er et delsnitt langs linje 2-2 i fig. 1. Fig. 1 viser en aksielt vertikal ringformet stbpeform 10til hvilken smeltet aluminium 11 tilfores for stopning av en stbpeblokk 12. Stbpeformen 10 er tilvirket av et metall (såsom aluminium) som egner seg for stbping av aluminium,og har en indre vegg 14 som avgrenser en aksiell vertikal stbpesone.

Rundt omkring den ytre overflaten av stbpeformveggen 14 har

man en kjblemantel 15, som avgrenser et sirkelformet kammer,

som i sideretning fullstendig omgir stbpesonen. Kammeret tilfores kjblevann for kjbling av stbpeformen 14, og er utstyrt med en utlbpssliss 22 hvorigjennom vann tilfores overflaten av den voksende stbpeblokken 12 på konvensjonell måte.

Ved begynnelsen av stbpeprosessen er den nedre delen av stbpesonen lukket med et sete 18,som bæres oppe på en plattform 19, som i sin tur bæres oppe av et hydraulisk stempel 20. Når det smeltede aluminiumet i stbpesonen stbrkner senkes setet 18 og plattform 19 ved å regulere det hydrauliske stempel 2o med en hastighet som kontrolleres av operatoren.

Smeltet aluminium tilfores til smelteformen fra en tapperenne 26, som er anordnet over stbpeformen 10, og som har et aksielt vertikalt dypperbr 28, som utstrekker seg koaksielt i stbpeformen. Den lavere delen av dypperbret 28 utmunner under nivået for det smeltede aluminiumet 11 i stbpesonen, og dette hindrer overflate-turbulens i stbpesone-bassenget.

En flottbr 30 omgir den nedre delen av dypperbret 28 og vil ved oppdrift bæres oppe i det smeltéde metallet 11. ' Flottbren består av et relativt tykt, stivt skiveformet legeme 31;. som har en sentral boring 32, som har noe stbrre diameter enn dypperbret 28. Den nedre overflaten til legemet 31 har en sentral utsparing 34 i hvilken borehullet 32 munner. En stiv ledeplatedel 36 tilhbrende flottbren utstrekker seg tvers over utsparingen 34 umiddelbart under borehullet 32. Ledeplatedelen 36 har en ovre overflate som er videre enn den indre diameteren til dypperbret 28. Når dypperbret 28 utstrekker seg nedover igjennom borehullet 32, er dets åpne nedre del direkte ovenfor ledepiaten. Det smeltede aluminiumet innkommer gjennom dypperbret 28 og dirigeres i sideretning ved hjelp av ledeplate 36 mot støpe-formens periferi.

Da driftsnivået for smeltet metall 11 i stbpeformen 10 skal holdes over den nedre del av dypperbret 28, og da den ovre overflaten til ledepiaten 36 vanligvis befinner seg nedenfor enden av dypperbret for således å muliggjbre fjerning av det smeltede metallet, så er det slik å forstå at oppdriftsegen-skapene til flottbren skulle gi det briskede toriirom-f orhbld mellom dypperbr og lédeplate når det smeltede metall;befinner

seg ved et passende nivå i stbpeformen.

Et par wire—stbtter 38 bæres oppe av flottbren og er bbyd

utover for å gå over kantene på toppveggen til stbpeformen og derved hindre at flottbren synker under et forutbestemt nivå.

Ved å anvende apparaturen i henhold til nærværende oppfinnelse vil stemplet 20 opprinnelig befinne seg i en stilling slik at setet 18 lukker den nedre delen av stbpesonen. Kjblevann tilfores, kontinuerlig ' til stbpeformens kjblemantel 15 for å kjole stbpeformyeggen 14, og smeltet aluminium; som tilfores fra stoperennén 26, strammer nedover, på grunn av sin egen vekt gjennom dyppérbret 28, for derved å fylle stbpesonen med smeltet aJ-uminium 11 til det bhskede nivå. Det hydrauliske stemplet 20 blir deretter manbvrert slik at man senker setet 18 med. lav begynnelseshastighet,. såsom 7,6 - 10 cm/min for stbpeblokker stbrrelsen 10 - 23 cm diameter og. da på vanlig måte mens setet beveger seg gjennom et avstandsintervall d^, som typisk er 5 - 12,7 eir for denne stbpeblokk-dimensjon.

Etter at setet har sunket en avstand d^, oker operatoren sakte synkehastigheten til setet, bg dette synker en ytterligere strekning dj, scan er typisk 5 - 12,5. cm, som er litt under C.P.Sv Etter at setet har sunket denne ytterligere strekning d2, så vil en lengde av stbpeblokken?som tilsvarer ca. 2 \ stbpeblokkdiameter, stopes ved samme hastighet, hvoretter operatoren gradvis oker

synkehastigheten til en hastighet som overstiger C.P.S, men som .

er under C.I.S..

I et. eksempel ble C.P.S, og C.I.S, for spesielt en Al-Mg-Si legering bestemt ved hjelp av ovennevnte prosedyre.. C.P.S...

ble funnet å være ca..15,3 - .16,5 cm/min, og C.I.S, ble funnet å være ca. 20,5 cm/min.

FblgenJ.e stbpeprosedyre ble etablert for å stope 17,7 cm diameters stbpeblokker fra denne legering: Støpe- lo cm/min for de første 12,7 cm, økning til 15,3 cm/min hastighet: under de fblgende 5,3 cm, bibeholdelse av 15,3 cm/min for 50,8 cm, bkning til 19 cm/min og bibeholdelse av denne hastighet for de gjenværende 200 cm.

To stbpeblokker, som var stbpt ved hjelp av denne fremgangsmåte,

ble funnet å være feilfrie.

I motsetning til denne fremgangsmåte ble fblgende stbpe-fremgangsmåte fulgt: Støpe- 10 cm/min forde første 10 cm og 19 cm/min forde hastighet: gjenværende.

To stbpeblokker som var stbpt ved hjelp av denne fremgangsmåte

ble funnet å ha sprekker fra ende til ende på grunn av at stbpe-hastigheten ble oket fra under C.P.S, til over C.P.S, for sentrumssprekken var opphbrt..

Claims (2)

1. Fremgangsmåte for kontinuerlig støping av blokker av aluminiummetall hvor smeltet aluminium innføres ved den ene enden av en støpeform med åpne ender og hvor et flytende kjølemiddel bringes umiddelbart på den størknede overflaten av blokken som trekkes ut av støpeformens andre ende, og der blokken ved støpingen først trekkes ut med lav hastighet og etter å ha nådd en tilstrekkelig avstand fra blokkfoten til støpekokillen, trekkes ut med forhøyet hastighet, karakterisert ved at støpingen utføres ved en hastighet under sprekkutbredelseshastigheten inntil en sprekkfri kjerne på minst en blokkdiameters lengde har

blitt utviklet, hvoretter støpehastigheten økes langsomt til en hastighet over sprekkutbredelseshastigheten, men under sprekkinitieringshastigheten kontinuerlig eller i små trinn.

2. Fremgangsmåten ifølge krav 1, karakterisert ved at støpingen utføres ved en hastighet under sprekkutbredelseshastigheten inntil lengden av blokken som kommer ut av formen utgjør minst 2,5 ganger blokkens tverrsnitt, hvoretter støpehastigheten økes til en verdi som ligger over sprekkutbredelseshastigheten, men under sprekkinitieringshastigheten .