DE3201725A1

DE3201725A1 - Verfahren zum giessen von leichtmetallerzeugnissen

Info

Publication number: DE3201725A1
Application number: DE19823201725
Authority: DE
Inventors: David George 94583 Danville Calif. Goodrich
Original assignee: Kaiser Aluminum and Chemical Corp
Current assignee: Kaiser Aluminum and Chemical Corp
Priority date: 1979-09-24
Filing date: 1982-01-21
Publication date: 1983-07-28
Also published as: US4351384A; AT387166B; FR2521463A1; FR2521463B1; GB2113586B; NL8200541A; SE430131B; ATA36382A; AU542389B2; JPS6137024B2; AU7913681A; JPS58138542A; SE8200718L; CA1188480A; GB2113586A

Description

Verfahren zum Gießen von Leichtmetallerzeugnissen

Die Erfindung bezieht sich auf das Kokillengießen mit Direktkühlung von Leichtmetallerzeugnissen wie Aluminium und Aluminiumlegierungen in einem elektromagnetischen Feld.

Das Kokillengießen mit Direktkühlung umfaßt: Einspeisen von Metallschmelze in das Zuführende des offenendigen Kanals einer rohrförmigen Form, Erstarren oder teilweises Erstarren der Metallschmelze bei Durchlaufen des Kanals und Beaufschlagen der erstarrten oder teilweise erstarrten Metalloberfläche bei Austritt des Metalls aus dem Austrittsende des offenendigen Kanals mit Kühlmittel. Bei Gießbeginn befindet sich ein Unterblock oder eine ähnliche Vorrichtung am Austrittsende der Form, um den Kanal abzusperren, und wenn der Formkanal mit Metallschmelze gefüllt und das darin enthaltene Metalls ausreichend erstarrt ist, um sich selbst zu tragen, wird der Unterblock allmählich aus dem Aus-

trittsende entfernt. Obwohl die Rückseite des Formkörpers mit Kühlmittel beaufschlagt wird, um die Formoberflächen desselben zu kühlen und damit das Erstarren der Metallschmelze im Formhohlraum einzuleiten, wird das Erstarren größtenteils durch Kühlmittelbeaufschlagen der Oberfläche des gegossenen Metalls bei dessen Austritt aus dem Austrittsende der Form bewirkt, was darauf zurückzuführen ist, daß bei Kontakt der Metallschmelze mit den wassergekühlten Kühlflächen des Formhohlraums die Schmelze eine erste Schale oder einen "Embryo" bildet, und der Metallstrom zieht sich dann zusammen und löst sich bei zunehmendem Erstarren von den Formoberflächen. Wenn der Kontakt mit dem Metallstrom verloren ist, findet eine sehr geringe Wärmeübertragung durch die Formwände statt.

Beim herkömmlichen Kokillengießen mit Direktkühlung wird ein Kühlmittelvorhang vollständig um den Umfang des austretenden Metalls gelegt, gewöhnlich unter einem Winkel von ca. 5-30° zur Metalloberfläche und in Richtung der Meta11bewegung. Das Kühlmittel wird unter einem geringen Winkel aufgebracht, um das Wegspritzen von Kühlmittel von der Metalloberfläche, das die Wärmeübertragung unterbrechen und die Erstarrungsrate nachteilig beeinflussen kann, weitgehend zu minimieren.

Das elektromagnetische Kokillengießen mit Direktkühlung ist eine Abwandlung des herkömmlichen Kokillengießens mit Direktkühlung, bei dem Glektromagnetische Kräfte anstelle des Hohlraums der herkömmlichen rohrförmigen Gießform eingesetzt werden, um die Form der Metallschmelze während der Erstarrung zu kontrollieren. In vieler Hinsicht entspricht das elektromagnetische Kokillengießen mit Direktkühlung im wesentlichen dem herkömmlichen Kokillengießen mit Direktkühlung,

mit der Ausnahme, daß es beim elektromagnetischen Kokillengießen mit Direktkühlung keine Kühlflächen zum Einleiten des Erstarrens gibt. Im wesentlichen erfolgt die ganze Kühlung zum Zweck der Erstarrung durch Kühlmittelbeaufschlagung der Oberfläche des Metalls bei Austritt desselben aus dem Austrittsende der elektromagnetischen Gießvorrichtung (vgl. z. B. US-PS'en 2 686 864,

3 605 865, 3 646 988, 3 985 179 und

4 004 631).

Sowohl beim herkömmlichen Kokillengießen mit Direktkühlung als auch beim elektromagnetischen Kokillengießen mit Direktkühlung gibt es verschiedene Anfordernungen hinsichtlich des Kühlmittelflusses zur Erzielung einer guten Gießleistung, die u. a. von Größe und Form des Blocks oder Knüppels, der Legierungszusammensetzung und der Oberflächenbeschaffenheit des aus der Form austretenden Blocks oder Knüppels abhängen. Außerdem können Anfordernungen hinsichtlich des Kühlmittelflusses bei Gießbeginn von denen des restlichen Gießvorgangs wesentlich abweichen. Selbst während des Gießens können sich die Anfordernungen hinsichtlich des Kühlmittels aufgrund von Änderungen der Gießgeschwindigkeit oder der Oberflächenbeschaffenheit des Blocks oder Knüppels ändern.

In den vergangenen Jahren wurden verschiedene Techniken angewandt, um die Kühlmittelbeaufschlagung der Oberfläche des aus dem Austrittsende der Kokille austretenden Blocks oder Knüppels zu regeln. Die US-PS 2 791 812 sieht Luftstrahlen vor, die in den Kühlmittelstrom gerichtet werden, um die Kühlflüssigkeit

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vor Kontakt derselben mit der Metalloberfläche zu zerstäuben und damit zu verhindern, daß Kühlflüssigkeit auf die Block- oder Knüppeloberfläche fließt. Die US-PS 3 713 479 sieht eine Verringerung des Kühlmittelflusses am Austrittsende der Form vor, um die Erstarrungsgeschwindigkeit zu verlangsamen, und dann findet eine Beaufschlagung mit einem zweiten Kühlmittelstrom in einem gewissen Abstand vom Austrittsende der Form statt, um das Erstarren abzuschließen. Wie aus Fig. 3 dieser US-PS ersichtlich, wird der Kühlmittelfluß zur Block- oder Knüppeloberfläche dadurch verringert, daß der Kühlmittelstrom parallel zur Block oder Knüppeloberfläche gerichtet und dann periodisch ein Fluid wie Wasser oder Luft auf den Kühlmittelvorhang stoßartig gerichtet wird, um die Richtung desselben in bezug auf die Block- oder Knüppeloberfläche zu ändern. Nach der US-PS 3 623 536 bewirkt eine auf die Metalloberfläche aufgebrachte Kühlflüssigkeit das Ansaugen und Mischen von Luft mit der Kühlflüssigkeit zum Verlangsamen von deren Kühleigenschaften. Die US-PS 3 765 493 sieht vor, das bei Gießbeginn auf die Metalloberfläche aufgebrachte Kühlmittel einer Pulsation zu unterwerfen, um die Kühlwirkung der Kühlflüssigkeit zu verzögern und damit die Gefahr von Rißbildungen bei einigen Aluminiumlegierungen auszuschließen. Die DE-PS 932 085 beschreibt eine Kokillengießform mit Direktkühlung, bei der das auf der Rückseite der Form parallel zum Metallfluß fließende Kühlmittel mit dem Kühlmittel eines zweiten Kühlmittelstroms vereinigt wird, so daß dann die vereinigten Ströme auf die Gußmetalloberfläche aufgebracht werden können. L.G. Berezin et al. beschreiben in "Tsvetnye

Metally", 1974, Nr. 4, S. 56-7 die Verwendung von drei getrennten Kühlmittelbeaufschlagungszonen beim elektromagnetischen Kokillengießen mit Direktkühlung zum Gießen dicker Blöcke. Obwohl viele dieser Vorschläge Vorzüge haben, sind sie bisher in großtechnischen Kokillengießverfahren mit Direktkühlung nicht in großem Umfang eingesetzt worden.

Typisch für den Gießbeginn beim elektromagnetischen Kokillengießen mit Direktkühlung waren bisher außergewöhnliche Probleme, die darin bestehen, daß sich am Ende des Blocks oder Knüppels aufgrund der Unfähigkeit der magnetischen Kräfte und des Unterblocks, die Metallschmelze während der ersten Anfahrperiode vollständig zu halten, eiszapfenförmige Ansätze bilden. Kleine Metallschmelzströme fließen über das Ende und erstarren, wodurch sich die eiszapfenähnlichen Ansätze bilden. Diese Eiszapfenformationen erfordern das Abschöpfen eines übermäßigen Teils des Endes, bevor eine Weiterbearbeitung des Blocks oder Knüppels möglich ist, was die Kosten des elektromagnetischen Kokillengießens mit Direktkühlung beträchtlich erhöht und auch dessen Anwendung erheblich einschränkt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik wurde die vorliegende Erfindung entwickelt.

Die Erfindung bezieht sich auf das elektromagnetische Kokillengießen mit Direktkühlung von Leichtmetallerzeugnissen wie Aluminium und Aluminiumlegierungen und insbesondere auf ein verbessertes Verfahren zur Kühlmittelbeaufschlagung der Oberfläche eines Erzeugnisses des elektromagnetischen Kokillengießens mit Direktkühlung bei Austritt dieses Erzeugnisses aus dem Austrittsende des Induktors.

Gemäß der Erfindung wird ein erster Kühlfluidstrom auf die Oberfläche des erstarrten oder teilweise erstarrten, aus dem Austrittsende des Induktors austretenden Metalls gerichtet und ein zweiter Fluidstrom, vorzugsweise Kühlmittelstrom, wird so zur Metalloberfläche gerichtet, daß beide Ströme an einem Punkt zusammenfließen, der von der Oberfläche des austretenden Metalls gering beabstandet ist. Der Kühlmittelfluß des ersten Stroms verläuft in der generellen Richtung der Metallbewegung und unter einem Winkel von ca. 5-40° zur Metalloberfläche. Der zweite Fluidstrom ist unter einem Konvergenzwinkel zwischen dem ersten und zweiten Kühlmittelstrom von ca. 30-80° auf die Metalloberfläche gerichtet.

Durch Änderung des Volumens und/oder der Geschwindigkeit eines oder beider Kühlmittelströme ist der Kühlmittelauftreffpunkt auf der Oberfläche des aus der Form austretenden Metalls kontrollierbar und infolgedessen sind Änderungen der Kühlgeschwindigkeit und damit der Erstarrungsebene vornehmbar. Wird z. B. der Kühlmittelauftreffpunkt auf der Metalloberfläche so kontrolliert, daß er näher am Austrittsende der Formvorrichtung liegt, sind erhöhte Kühlgeschwindigkeiten erzielbar, während bei einer Kontrolle des Kühlmittelauftreffpunkts auf der Metalloberfläche so, daß dieser vom Austrittsende der Form weiter entfernt ist, die Kühlgeschwindigkeiten verringerbar sind. Die durch die Vereinigung der beiden Kühlmittelströme erzeugte Turbulenz absorbiert viel Energie der beiden Kühlmittelströme, so daß der vereinigte Kühlmittelstrom an der Block- oder Knüppeloberfläche haftet, obwohl der Auftreffwinkel der vereinigten Ströme viel größer ist als der mit einem einzigen Kühlmittelstrom mögliche maximale Winkel. Obwohl für den zweiten Strom Kühlmittel (gewöhnlich Wasser) bevorzugt wird, sind auch Gase, wie z. B. Luft, und andere Flüssigkeiten einsetzbar.

Dieses Verfahren der Kühlmittelbeaufschlagung eröffnet eine neue Dimension bei der Regelung des elektromagnetischen Kokillengießverfahrens mit Direktkühlung, weil es Regelungen ermöglicht, die die Bildung von eiszapfenähnlichen Ansätzen am Ende des auf diese Weise gegossenen Blocks oder Knüppels verhindern. Z. B. kann die Geschwindigkeit und/oder das Volumen des zweiten Fluidstroms bei Gießbeginn erhöht werden, so daß der Auftreffpunkt der vereinigten Ströme auf der Metalloberfläche sich so nah wie möglich am Austrittsende des elektromagnetischen Induktors befindet. Das daraus resultierende erhöhte Abkühlen direkt unter dem Induktor bei Gießbeginn verhindert ein Fließen von Metallschmelze über das erstarrende Block- oder Knüppelende, das zu den oben erwähnten eiszapfenähnlichen Ansätzen führen würde. Da viel Energie durch die Turbulenz der beiden Ströme absorbiert wird, neigen die vereinigten Ströme außerdem nicht dazu, die Metalloberfläche bei Gießbeginn zu verformen. Wenn der Unterblock vom Austrittsende des Induktors entfernt wird und die Wahrscheinlichkeit der Bildung eiszapfenähnlicher Ansätze gering ist, kann die Geschwindigkeit und/oder das Volumen des zweiten Stroms verringert werden, so daß der vereinigte Fluidstrom weiter vom Austrittsende des Induktors entfernt auf den Block oder Knüppel auftrifft. Alternativ kann gewünschtenfalls die Geschwindigkeit und/oder das Volumen des ersten KühlmittelStroms erhöht werden, so daß der Kühlmittelauftreffpunkt vom Austrittsende des Induktors weiter entfernt ist. Bei Änderung der Anforderungen hinsichtlich des Kühlmittels während des Gießens ist das Volumen und/oder die Geschwindigkeit eines oder beider Ströme zur Bildung der gewünschten Erstarrungsfront einstellbar.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht

einer elektromagnetischen Kokillengießvorrichtung mit Direktkühlung;

Fig. 2 eine schematische, die Winkel der Kühlmittelströme in bezug auf die gegossene Metalloberfläche darstellende Ansicht;

Fig. 3 und 4 Teilquerschnittsansichten

der elektromagnetischen Kokillengießvorrichtung nach Fig. 1, die

die Einwirkung von Kühlmittel an verschiedenen Punkten des Metalgußteils zeigen.

Fig. 1 zeigt eine elektromagnetische Gießvorrichtung mit einem elektromagnetischen Induktor 50, der von einem Wasserkühlmantel 51 umgeben ist. Die Teile 52 und 53 des Wasserkühlmantels 51 bilden zusammen mit dem Induktor 50 eine Kühlmittelkammer 54. In der Kühlmittelkammer 54 ist eine Leitplatte 55 vorgesehen, die Kühlmittel längs der Rückseite 56 des Induktors 50 und aus den im unteren Abschnitt des Induktors 50 vorgesehenen Kanälen 57 leitet. Der erste Kühlmittelstrom 58 wird auf die Oberfläche 59 eines erstarrten oder teilweise erstarrten, aus dem Austrittsende der Vorrichtung austretenden Blocks oder Knüppels 60 gerichtet. Ein zweiter Kühlmittelstrom 61 wird von einer nicht gezeigten Quelle durch einen Kanal 62 im Teil auf die Oberfläche 59 gerichtet, so daß er den Kühlmittelstrom 58 vor Auftreffen auf die Oberfläche 59 des Blocks oder Knüppels 60 schneidet. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, stehen die Metallschmelze 63 und

der Induktor 50 nicht in Berührung miteinander, weil die Metallschmelze durch elektromagnetische Kräfte geformt wird. Vorzugsweise sind die Kühlmittelquellen für den ersten und zweiten Kühlmittelstrom getrennt, damit beide Ströme unabhängig regelbar sind. Bei Betrieb des Induktors wird die Metallschmelze kontinuierlich dem Induktor 50 zugeführt, wo sie in der in der Zeichnung schematisch dargestellten Weise erstarrt oder teilweise erstarrt. Eine ideale Erstarrungsfront ist bei 64 gezeigt. Der im Induktor verwendete verhältnismäßig hochfrequente Strom (z. B. 500-15.000 Hz) erhitzt jedes Metallteil in der direkten Nachbarschaft des Induktors und kann zu großen Energieverlusten führen. Deshalb bestehen die Teile 52 und 53 vorzugsweise aus nichtmetallischen Werkstoffen.

Fig. 2 zeigt die relativen Richtungen des ersten und zweiten KühlmittelStroms in bezug auf die Knüppel- oder Blockoberfläche und in bezug aufeinander. Der Winkel A zwischen dem ersten Strom 80 und der Block- oder Knüppeloberfläche 81 beträgt zwischen ca. 5 und 40°, vorzugsweise etwa 5 bis 30°. Der Schnitt- oder Konvergenzwinkel B zwischen dem ersten Kühlmittelstrom 81 und dem zweiton Kühlmittelstrom 82 beträgt zwischen ca. 20 und 95°, vorzugsweise etwa 30 bis 60°. Bevorzugt wird der zweite Kühlmittelstrom 82 annähernd senkrecht zur Oberfläche 81 gehalten, um die Flexibilität bei der Regelung des Auftreffpunkts 83 der zusammenfließenden Ströme auf der Oberfläche des Blocks oder Knüppels 84 zu erhöhen. Ist die Summe der Winkel A und B größer als 125°, erfolgt gewöhnlich ein übermäßiges Spritzen von Kühlmittel auf die Metalloberfläche, das das Verfahren nachteilig beeinflussen kann.

Pig. 3 zeigt den Gießbeginn und, wie ersichtlich, befindet sich im Induktor an dessen Austrittsende ein Unterblock 70. Die Form und die Abmessungen der in die Formvorrichtung eingeführten Metallschmelze werden durch den Unterblock 70 und die durch den Induktor 50 erzeugten elektromagnetischen Kräfte bestimmt. Die Erstarrung wird durch die Vereinigung der Kühlmittelströme 58 und 61 in einen Kühlmittelstrom bewirkt, der so nah wie möglich auf das untere Ende des Induktors 50 gerichtet wird. Durch diese Kontrolle der Metallschmelze werden die für elektromagnetischen Kokillenguß mit Direktkühlung charakteristischen eiszapfenähnlichen Ansätze beim Gießbeginn vermieden. Fig. 4 zeigt den normalen Gießbetrieb, bei dem andere Kühlerfordernisse bestehen als beim Gießbeginn. Im Normalbetrieb werden das Volumen und/oder die Geschwindigkeit des zweiten Kühlmittel Stroms 58 verringert, so daß der vereinigte Kühlmittelstrom 65 an einer Stelle auf die Block- oder Knüppeloberfläche 59 auftrifft, die vom unteren Ende 64 des Induktors 50 weiter als in Fig. 3 gezeigt entfernt ist.

Obwohl in der Zeichnung die Kanäle für den Kühlmittelaustritt zum Block oder Knüppel als eine Reihe von Löchern oder Öffnungen dargestellt ist, kann für den gleichen Zweck auch ein einziger ringförmiger Schlitz oder eine Mehrzahl von Schlitzen verwendet werden. Außerdem kann eine Ablenkfläche zur Richtungsänderung des KühlmittelStroms mit der gewünschten Neigung verwendet werden.

In der Praxis ist es oft recht schwierig, den Winkel zwischen dem ersten Kühlmittelsprühvorhang und der Metalloberfläche oder zwischen den beiden Kühlmittelsprühvorhängen genau zu messen, weil ein Kühlmittelstrom nach Verlassen des richtungsbestimmenden Kanals oder der richtungsbestimmenden Oberfläche dazu neigt, sich auszudehnen, wodurch die Messung erschwert wird. Es ist empfehlenswert, bei Unklarheiten bezüglich des Winkels die Winkelmessung auf dem richtungsbestimmenden Kanal oder der richtungsbestimmenden Oberfläche durchzuführen.

Mit dem folgenden Beispiel soll die Erfindung weiter erläutert werden. Ein 48,3 · 114,3 cm großer Aluminiumblock (5182-Legierung) wurde mit einer elektromagnetischen Koki.Ilongießvorrichtung mit Direktkühlung ähnlich derjenigen nach Fig. 1 gegossen. Aluminiumschmelze wurde bei einer Temperatur von ca. 716 ⁰C in die elektromagnetische Kokillengießvorrichtung eingeführt. Zu Beginn des Gießens, als sich der Unterblock im unteren Abschnitt des Induktors befand, wurde der erste Kühlmittelstrom unter einem Winkel von 2 5° und mit einem Kühlmitteldurchsatz von 284 l/min auf die Oberfläche des Blocks gerichtet, und der zweite Kühlmittelstrom wurde unter einem Konvergenzwinkel von ca. 65° und mit einem Durchsatz von 284 l/min auf die Blockoberfläche gerichtet. Nachdem der Unterblock sich am Auftreffbereich des vereinigten KühlmittelStroms vorbeibewegt hatte und wenig Gefahr für die Bildung eiszapfenförmiger Ansätze bestand, wurde der Durchsatz des Kühlmittels im zweiten Kühlmittelstrom allmählich für den Normalgießbetrieb auf 190 l/min verringert und bis zum Ende des Gießvorgangs auf diesem Pegel gehalten. Bei Gießbeginn befand sich der Kühlmittelauftreffpunkt ca. 0,64 cm unter dem Induktor, und nachdem der Durchsatz des zweiten KühlmittelStroms auf 190 l/min

verringert worden war, befand sich der Kühlmittelauftreffpunkt ca. 2,5 cm unter dem Induktor. Die Auswurfgeschwindigkeit (Gießgeschwindigkeit) betrug ca.
6,3 cm/min. Die Oberflächen des Blocks waren einwandfrei, und es. bildeten sich praktisch keine eiszapfenähnlichen Ansätze am Ende des Blocks.

Selbstverständlich sind die beschriebenen Ausführungsbeispiele in verschiedener Weise modifizierbar. Z. B. wurde die Erfindung hauptsächlich mit Bezug auf Formflächen und -einrichtungen beschrieben, mit denen Erzeugnisse kreisförmigen Querschnitts gegossen werden, die Formeinrichtungen können jedoch ersichtlich auch so ausgeführt sein, daß Erzeugnisse im wesentlichen jeder gewünschten Form, z. B. quadratische, rechteckige,
ovale u. ä., damit herstellbar sind.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum kontinuierlichen oder halbkontinuierlichen Gießen von LeichtmetallerZeugnissen, wobei Metallschmelze in das Zuführende eines ringförmigen elektromagnetischen Induktors eingeführt, die Form der Metallschmelze beim Erstarren oder teilweisen Erstarren im Induktor durch von einem elektromagnetischen Feld erzeugte Kräfte kontrolliert und die Oberfläche des erstarrten oder teilweise erstarrten, aus dem Austrittsende des elektromagnetischen Induktors austretenden Metalls mit Kühlmittel beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) ein erster Kühlflüssigkeitsstrom unter einem Winkel von ca. 5-40° zur Induktorachse um den Umfang des austretenden Metalls und vom Austrittsende des elektromagnetischen Induktors weg gerichtet wird,

(b) ein zweiter Fluidstrom unter einem Winkel zwischen ca. 20 und 95° zum ersten KühLmittelstrom um den Umfang des austretenden Metalls gerichtet wird, so daß der erste und der zweite Kühlmittelstrom zusammenfließen und in geringem Abstand von der Oberfläche des austretenden Metalls einen vereinigten Kühlmittelstrom bilden und der vereinigte Kühlmittelstrom dann die Metalloberfläche an einer gewünschten Stelle in Abhängigkeit von Volumen und Geschwindigkeit der beiden Ströme kontaktiert, wobei die Summe des Winkels zwischen dem ersten Kühlmittelstrom und der Induktorachse und des Winkels zwischen dem ersten und Zweiten Kühlmittelstrom maximal 125o beträgt, und

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(c) bei Gießbeginn das Volumen oder die Geschwindigkeit oder sowohl das Volumen als auch die Geschwindigkeit des zweiten Fluidstroms auf höhere Werte eingestellt wird, um den vereinigten Kühlmittelstrom auf einen Auftreffbereich auf dem austretenden Metall zu richten, der dem Austrittsende des elektromagnetischen Induktors so nah wie möglich ist, und beim Vorbeilauf des Endes des Blocks oder Knüppels am Kühlmittelauftreffbereich das Volumen oder die Geschwindigkeit oder sowohl das Volumen als auch die Geschwindigkeit des zweiten Fluidstroms so verringert wird, daß der Kühlmittelauftreffbereich auf dem Block oder Knüppel so verschoben wird, daß er vom Auslaßende des Induktors weiter entfernt ist als bei Gießbeginn.