Verfahren und Einrichtung zum kontinuierlichen Giessen eines Metallbarrens
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum kontinuierlichen Giessen eines Metallbarrens.
Beim normalen kontinuierlichen Giessen von Stahl wird eine mit Wasser gekühlte offene Kokille in einer festen vertikalen Stellung gehalten, während ein gerade gegossener Barren von unten mit einer Ganggeschwindigkeit herausgezogen wird, die durch die thermodynamischen Bedingungen bestimmt wird. Der kontinuierlich gegossene Barren wird dann zur weiteren Bearbeitung in Längsteile geschnitten.
Die Förderung, die für herkömmliche kontinuierlich arbeitende Giessgeräte erforderlich ist, bedingt beträchtliche Konstrultionskosten, um den geschmolzenen Stahl auf eine erforderliche Höhe anzuheben. Die kontinuierlich arbeitende Giesseinrichtung gemäss vorliegender Erfindung erlaubt ein im wesentlichen horizontales kontinuierliches Stahlgiessen, mit sich ergebenden beträchtlichen Einsparungen. Darüberhinaus erlaubt das Verfahren nach der Erfindung, dass beim kontinuierlichen Giessen eines unberuhigten Stahls eine genügende Zeit zum Entweichen der eingeschlossenen Gase verbleibt.
Das Verfahren zum kontinuierlichen Giessen eines Metallbarrens mit die Länge einer Giesskokille übersteigender Länge, in die flüssiges Metall von einem Giessbehälter eingeführt wird, ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass während des Giessvorganges die Kokille und der Giessbehälter längs einer Bahn derart voneinander wegbewegt werden, dass ein Metallbarren mit einer erstarrten Gussschale und einem flüssigen Kern gebildet wird und von dem Giessbehälter flüssiges Metall durch den Kern in Richtung der Kokille strömt.
Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bestehend aus einem Giessbehälter, einer am Ende geschlossenen Giesskokille und einem Anfahrstück, ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass das Anfahrstück den Auslass des Giessbehälters fest umgibt und einen hohlen Innenraum aufweist, durch den das flüssige Metall während des Giessvorganges fliesst, und dass eine Fördervorrichtung den Giessbehälter und die Kokille voneinander wegbewegt.
Eine am Ende geschlossene, beispielsweise wassergekühlte Kokille, wird also von einem hohlen und rohrförmigen Anfahrstück weggezogen, das aus dem Giessbehälter herausragt. Das geschmolzene Metall erstarrt bei Berührung der Kokillenwände, jedoch ist das geschmolzene Metall mit den in Längsrichtung gleitenden Seitenwänden, die eine erstarrte rohrförmige Schale um einen Kren geschmolzenen Metalls bilden, länger in Berührung. Wenn das Metall bei seiner kurzen Berührung mit den Endwänden der Kokille erstarrt, und die Kokille herausgezogen wird, brechen die dünnen erstarrten Endwände auf und schmelzen erneut. Dies wiederholt sich bei dem kontinuierlichen Giessen der Barren.
Ein solcher Barren besitzt einen Kern aus geschmolzenem Metall, das längs durch den Barren fliesst, wenn dieser hergestellt wird. Die Kokille kann in einer Reihe zusätzlicher Schritte oder Hin- und Herbewegungen herausgezogen werden, um so die kontinuierliche Rückschmelzung der Endwände zu unterstützen. Darüberhinaus kann ein Barren horizontal oder nach unten geneigt hergestellt werden, um ein Entweichen der eingeschlossenen Gase zu ermöglichen.
Zum weiteren Verständnis wird die Erfindung an Hand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, näher beschrieben. Hierbei zeigen:
Fig. 1 einen vertikalen Längsschnitt durch eine kontinuierlich arbeitende Giesseinrichtung zu Beginn eines Giessvorganges,
Fig. 2 einen vertikalen Längsschnitt durch einen Teil der Austrittsdüse eines Trichters, eines Anfahrstückes eines Barrens, der gerade gegossen wird, und eine unterschiedlich gekühlte Kokille,
Fig. 3 und 4 vertikale Längsschnitte durch verschiedene Ausführungen einer wassergekühlten Kokille,
Fig. 5 einen vertikalen Längsschnitt durch eine Kokille und eines Teiles eines Blockes, der gerade gegossen wird, wobei die Kokille so ausgeführt ist, dass ein Schmiermittel zugeführt werden kann,
Fig.
6 einen vertikalen Längsschnitt durch eine Kokille und eines Teiles eines Blockes, der gerade gegossen wird, mit Seitenwänden des Barrens, die beim Austritt aus der Kokille mit Wasser besprüht dargestellt sind, und mit einer erhärteten Endwand des darin dargestellten Barrens,
Fig. 7 einen vertikalen Längsschnitt durch eine Kokille und einen Teil eines Barrens, wobei die erhärtete Endwand des Barrens berührungsfrei mit der Endwand der Kokille vor dem Aufbrechen und Wiederschmelzen der Barrenwand dargestellt ist,
Fig. 8 einen vertikalen Längsschnitt durch einen Trichter eines gerade gegossenen Barrens und einer Kokille, die eine Abwandlung der Einrichtung aufzeigt, bei der ein Barren unter einem Winkel zur Horizontalen gegossen wird und
Fig.
9 eine Seitenansicht eines Trichters und einen vertikalen Längsschnitt durch ein nicht befestigtes Anfahrstück und einen Teil eines Barrens mit geschmolzenem Metall, das von dem Trichter in das obere Ende des Anfahrstückes strömend dargestellt ist, wenn der Barren gerade gegossen wird.
Fig. 1 zeigt eine Giesspfanne 10, aus der ein heisser Metallstrom 11 in den Trichter 12 fliesst, der mit einem geeigneten feuerfesten Material 13 ausgefüttert ist. Der Trichter 12 besitzt eine Absperrvorrichtung 14, um einen gesteuerten Strom eines geschmolzenen Metalls 15 durch die Düse 16 zu ermöglichen. Das rohrförmige Anfahrstück 17 ist an der Düse 16 befestigt, und weist ein äusseres sich verjüngendes Ende 18 auf, das um, seinen Umfang Einkerbungen 19 aufweist. Das sich verjüngende Ende 18 des Anfahrstückes 17 ist in der geschlossenen Endkokille 20 angeordnet, die aus Kupfer besteht und wassergekühlt ist.
Der Trichter 12 ruht auf einem Fundament 19', von dem aus Schienen 21 verlaufen, auf denen ein Kokillentransportwagen 22 auf Rädern 23 rollt. Auf dem Wagen 22 befindet sich die Kokille 20, welche mit einem Kokillenoszillator 24 über die Stange 25 verbunden ist. Der Wagen 22 wird durch die Zugstange 26 wie dargestellt nach rechts gezogen, wenn ein Barren gegossen wird. Die Barrenstützen 27, die in einer gelösten Stellung gezeigt sind, werden angehoben, um einen Barren zu stützen, wenn dieser gegossen und die Kokille 20 nach rechts bewegt wird. Das Kühlwasser 28 gelangt durch den Schlauch 29 in die Kokille 20 und verlässt diese durch den Schlauch 30.
Wie aus den Fig. 1, 6 und 7 ersichtlich ist, wird ein Barren 32 in folgender Weise gegossen. Geschmolzener Stahl fliesst von dem Trichter 12 durch das hohle Anfahrstück 17 in die geschlossene Endkokille 20. Das Anfahrstück 17 kann vorerwärmt werden, um eine übermässige Erstarrung des darin befindlichen Stahls zu verhindern, die eine weitere Strömung des Stahls durch das Anfahrstück blockieren würde. Der flüssige Stahl, der gegen die wassergekühlte Kokille 20 stösst, erstarrt um das sich verjüngende Ende 18 des Anfahrstückes 17, und haftet an dem Anfahrstück 17 unterstützt durch die Einkerbungen 19. An dem Anfahrstück können abwechselnd Aushöhlungen oder Erhebungen vorgesehen sein, damit eine sich erhärtende Stahlschale darin haften kann.
Es kann Abkühlschrott vorgesehen sein, um. eine schnelle und positive Erstarrung um das sich verjüngende Ende 18 des Anfahrstückes 17 sicherzustellen.
Sobald der Kokillenhohlraum 33 mit geschmolzenem Stahl gefüllt ist, wird der Transportwagen 22 und die Kokille 20, wie dargestellt, nach rechts bewegt. Wie aus den Fig. 6 und 7 entnommen werden kann, wird eine erstarrte Gussschale 34 aus einem geschmolzenen Kern oder einem Mittelteil 35 gebildet. Wenn die Kokille 20 sich nach rechts bewegt, setzt das geschmolzene Metall seine Strömung aus dem Trichter 12 durch den geschmolzenen Mittelteil 35 des Barren 32 fort, erhärtet und bildet am Ende des Barrens, das von dem Trichter 12 entfernt ist, eine Gussschale 34. Obgleich sich eine dünne Endmembran 36 bilden kann, wenn der geschmolzene Stahl die gekühlte Endwand 37, wie in Fig. 6 dargestellt ist, berührt, so wird eine weitere Bewegung der Kokille 20, die von dem Trichter 12 weggerichtet ist, die Endwand 37 von der dünnen Membrane 36, wie in Fig. 7 dargestellt ist, fortbewegen.
Der geschmolzene Stahl des Kerns 35 wird sodann die Membran 36 aufbrechen und zurückschmelzen.
Die Seitenwände 38 der Kokille 20 haben einen längeren gleitenden Kontakt mit der Gussschale 34, so dass diese sie abkühlen, und erstarren lassen, um dem ferrostatischen Druck zu widerstehen. Wenn sich die Kokille 20 von dem Trichter 12 fortbewegt, richten die Düsen 40 einen Wassersprühkegel 41 in erforderlichem Masse auf die Gussschale 34. Wie beim herkömmlichen kontinuierlichen Giessen schrumpft die Gussschale 34 beim Erhärten von den Kokillenwänden 38 weg. Falls erforderlich, können die Kokillenwände 38 sich in Richtung des offenen Endes der Kokille 20 verjüngen, so dass sich diese der schrumpfenden Gussschale enger anpassen.
Wie aus den Fig. 1, 6 und 7 zu entnehmen ist, kann ein Kokillenoszillator 24 mit der Kokille 20 verbunden werden.
Der Kokillenoszillator 24 bringt die Kokille 20 in Stufen vorwärts, damjt zwischen der gekühlten Endwand 37 und der Endmembran 36 des erstarrten Stahls ein Spalt entsteht. Die Endmembran 36 befindet sich in einem plastischen Zustand und ist nicht in der Lage, sogar dem auf sie wirkenden kleinen ferrostatischen Druck zu widerstehen. Darüberhinaus ist die Masse der Membran 36, verglichen mit dem Volumen des flüssigen Metalls, das mit ihr in Kontakt steht, sehr gering. Die gemeinsamen Wirkungen dieses Druckes und der Wärme bewirken, dass die Membran aufbricht und nahezu unmittelbar wieder schmilzt. Das flüssige Metall wird nun den zwischen der Membran 36 und der Endwand 37 in Fig. 7 gezeigten Spalt füllen.
Um, die fortlaufende Bildung und erneute Schmelzung der Membran 36 sicherzustellen, wird die Kokille 20 in einer bestimmten Weise in Schwingungen versetzt. Nimmt man an, dass der Kokillentransportwagen von dem Trichter 12 mit einer Geschwindigkeit von 92 cm/min (36 inch/min) fortbewegt wird, so sollte die Kokille mit einer Geschwindigkeit von weniger als 92 cm/min bei einer vorgegebenen Schwingungszahl pro Sekunde, beispielsweise 10 Schwingungen pro Sekunde in Schwingung versetzt werden. Wenn der Kokillenoszillator 24 die Kokille 20 auf dem Wagen 22 mit einer Geschwindigkeit von 92 cm/min bewegt, so bildet die Kokille 20 eine kurze Zeit lang relativ zum, Barren 32 stehen und bewegt sich dann eine kurze Zeit lang mit einer Geschwindigkeit von 92 cm/sec vom Trichter 12 weg. Während die Kokille 20 relativ zum Barren 32 stationär ist, bildet sich die Membran 36.
Wenn die Kokille 20 von dem Trichter 12 weg bewegt wird, schmilzt die Membran 36 wieder. Die Amplitude und die Schwingungsperiode der Kokille 20 kann, falls dies erforderlich ist, durch die Zeit bestimmt werden, die zur Bildung und zum erneuten Schmelzen der Membran 36 benötigt wird.
Gewisse empirische Formeln haben sich als ziemlich genau herausgestellt, um die Zeit zu bestimmen, die für eine kontinuierlich gegossene Metallplatte oder einen Barren benötigt wird, um vollständig zu erstarren.
Eine solche Formel lautet für eine Metallplatte T = 0,0264 x D2, wobei D die Dicke der Metallplatte in cm und T die Zeit in Minuten ist (bzw. 0,17 x D2, wobei D in inch gemessen wird). Somit erstarrt eine 25,4 cm dicke (= 10 inch) Metallplatte in 17 Minuten.
Diese Formel berücksichtigt, dass ein Teil der Metallplattendicke in einer kontinuierlich gegossenen Kokille erstarrt ist, und dass eine maximale äussere Kühlung durch Besprühen mit Wasser vorgesehen ist. Die Annahme erscheint vernünftig, dass bei einer geringen Sprühkühlung, ausgenommen dort, wo es absolut erforderlich ist, wie am Kokilleneingang und bei kontinuierlicher Wärmezufuhr durch die Strömung des geschmolzenen Metalls im Kern 35, eine Erstarrung gut auf weitere 60 Minuten im Kern 35 über die Länge einer Metallplatte oder eines Barrens, der gemäss der Erfindung gegossen wird, ausgedehnt werden kann. Bezogen auf die Grösse der Geschwindigkeiten beim herkömmlichen kontinuierlichen Giessverfahren bedeuten 60 Minuten eine angemessene Zeit, um eine Giesspfanne einer mittleren Grösse vollständig zu entleeren.
Das Verfahren ist daher thermodynamisch durchführbar.
Fig. 2 zeigt einen Kern 32, der eine gegossene Schale 34 und einen geschmolzenen Kern 35 aufweist, der in einer Kokille 20' gegossen wird, welche eine unterschiedliche Kühlung besitzt. Die Barrenstützen 27 sind ausgefahren, um den Barren 32 entlang seiner Länge zu schützen, während dieser entsteht. Wassersprühdüsen 43 richten einen Sprühstrahl 44 auf die gegossene Schale 34, wenn diese aus der Kokille 20' herauskommt.
Die Kokille 20' ist in zwei Wasserabteile 45 und 46 aufgeteilt, welche die Kokillenseitenwände 47 kühlen, und in ein Wasserabteil 48, das die Endwand 49 kühlt. Ein Kühlwassereinlassrohr 49' teilt sich in die Röhren 50, 51 und 52 auf, die zu den entsprechenden Abteilen 45, 46 und 48 führen. Mit Hilfe der Ventile 53, 54 und 55 kann eine Kühlung in verschiedenen Teilen der Kokille 20' je nach Bedarf erhöht oder verringert werden. Das Wasser, das die Kokille 20' verlässt, strömt durch die Röhren 56, 57 und 58.
Die Fig. 3, 4 und 5 zeigen Abwandlungen der Kokillen. Die Kokille 60 weist eine Endwand 61 auf, die von den Seitenwänden 62 her leicht gewölbt ist. Die Kokille 63 weist eine Endwand 64 auf, welche konkav ausgebildet ist. Die Kokille 65 besitzt einen Einlasskanal 66 in ihrer Endwand 67, durch den ein Kokillenschmiermittel von dem Rohr 67' aus eingespritzt werden kann, wenn sich die Kokille 65 nach rechts bewegt, und einen Spalt zwischen der Membran 36 und der Kokillenwand 67 zurücklässt.
Es darf bemerkt werden, dass dann, wenn ein kontinuierliches Giessverfahren gemäss der Erfindung durchgeführt wird, der ferrostatische Druck in der gegossenen Schale 34 sehr niedrig ist, und die gegossene Schale 34 nur gekühlt werden muss, um genügend zu erstarren, so dass dieser geringe ferrostatische Druck erhalten bleibt. Wenn die Barren 32 gemäss der Erfindung kontinuierlich gegossen werden, können sie Längen von etwa 30 m oder mehr aufweisen. Bei Beendigung des Giessens eines Barrens 32 wird die Kokille eine Periode lang angehalten, um eine Endwand 36 des Barrens erstarren zu lassen, die dick genug ist, um dem ferrostatischen Druck in dem geschmolzenen Kern 35 zu widerstehen. Der so vervollständigte Barren wird dann zur endgültigen Erstarrung weiter gekühlt.
Bei herkömmlichen kontinuierlich arbeitenden Giessgeräten ist es besonders schwierig, einen unberuhigten Stahl zu giessen, da ein flüssiger unberuhigter Stahl ausserordentlich gashaltig ist, und die herkömmlichen Geräte erlauben nicht ein Entweichen dieses Gases bei der Erstarrung. Dieses nicht entwichene Gas verursacht Mängel, die das Produkt nach dem Walzen für ein hochqualitatives Blech unbrauchbar machen.
Wie aus Fig. 8 zu entnehmen ist weist der Trichter 12' eine Absperrvorrichtung 14' und eine geneigte Düse 16' auf. Mit Hilfe eines hohlen, nicht näher dargestellten Anfahrstückes wird von der Düse 16' aus ein Barren 70 unter einem Winkel a zur Horizontalen, wie durch den Pfeil 72 angedeutet ist, gegossen. Während des kontinuierlichen Giessens unter einem Winkel zur Horizontalen steigt der ferrostatische Druck, der auf die lerhärtete Barrenwand 73 wirkt, an, wodurch die Gase nach oben entweichen können.
Eine weitere Abwandlung ist in Fig. 9 dargestellt, in der ein Trichter 21" einen Ausguss 75 besitzt, der einen Strom 76 eines gesteuerten Flusses aus geschmolzenem Metall 77 in das obere Ende eines offenen Anfahrstücks 78 liefert. Das obere Ende des Anfahrstückes 78 kann von einer Isolation 79 umgeben sein, um darin eine Erstarrung des geschnolzenen Metalls zu verhindern. Wie zuvor beschrieben, wird auf diese Weise ein Barren 70 unter einem Winkel zur Horizontalen hergestellt, der ein vollständiges Entweichen der Gase erlaubt, wenn ein unberuhigter Stahl gegossen Wird. Dem oberen Ende des Barren 70 kann nach dem Giessen Wärme zugeführt werden, um die Zeit zu verlängern, in der die Gase aus dem geschmolzenen Kern entweichen können.
Falls erforderlich, kann die Kokille 20 auf dem, Wagen 22 federgelagert sein, um schnell von dem Trichter 12 entlang des Barrens 32 weggezogen werden, wenn die Kokille sich augenblicklich an dem Barren festfrisst. Das Verfahren und das Gerät zum kontinuierlichen Giessen, das hier beschrieben wurde, kann auch auf andere Metalle als Stahl Anwendung finden.
PATENTANSPRUCH 1
Verfahren zum kontinuierlichen Giessen eines Metallbarrens mit die Länge einer Giesskokille übersteigen- der Länge, in die flüssiges Metall von einem Giessbehälter eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass während des Giessvorganges die Kokille und der Giessbehälter längs einer Bahn derart voneinander wegbewegt werden, dass ein Metallbarren mit einer erstarrten Gussschale und einem flüssigen Kern gebildet wird und von dem Giessbehälter flüssiges Metall durch den Kern in Richtung der Kokille strömt.
UNTERANSPRÜCHE
1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Kokille und der Giessbehälter um kleine Schritte voneinander wegbewegt werden.
2. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch ge
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