[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gießen von spröden
Metallegierungen, insbesondere von Ferrolegierungen, wie z.B. Ferrosilizium.
[0002] Ferrolegierungen werden nach ihrer Erschmelzung bzw. ihrer metallurgischen Darstellung
der Schmelze chargenweise bzw. diskontinuierlich in Formen abgegossen. Die Formen
bestehen aus Einmalformen, wie z.B. Sand-Herdguß, oder aus Dauerformen, d.h. Kokillen.
[0003] Bei Ferrosilizium bestehen diese Formen aus Hämatit mit den Maßen von ungefähr 1,5
x 1,5 m
2 und einer Dicke von etwa 100 mm. Solche Formen befinden sich auf einem Gießkarussell
und werden durch die Abstichpfanne portionsweise gefüllt. Mit einem solchen Verfahren
ist eine lange Erstarrungszeit verbunden, bei der Analyse-Entmischungen entstehen.
Ferner treten verfahrenstechnische Nachteile insofern auf, als der Kokillenvorrat
auf dem Karussell jeweils dem Pfanneninhalt entspricht. Bei großem Pfanneninhalt muß
das Gießkarussell entsprechend dimensioniert werden, wobei meist unangemessen große
Gießräder entstehen.
[0004] Das in Formen gegossene Ferrosilizium wird nach seiner Erstarrung zu Platten in einem
Brech- bzw. Mahlwerk bis zur gewünschten Körnung zerkleinert. Hierbei fallen bis zu
20 % unverkäuflicher Feinanteil an. Dieser Feinanteil wird unter den bekannten Schwierigkeiten,
die der Einsatz von Stäuben in metallurgischen Öfen mit sich bringt, wieder eingeschmolzen.
[0005] Anlagentechnisch sind die Investitionskosten für Gießkarussell und Brech- bzw. Mahlwerk
relativ hoch und im Betrieb energieintensiv, und derartige Anlagen arbeiten unbefriedigend.
Aufgrund der Gegebenheiten ist der Stand der Technik in mehreren Hinsichten nicht
zufriedenstellend: Betriebsverfahrenstechnisch ist die chargenweise Verarbeitung nachteilig.
Herstellverfahrenstechnisch ist der 20 %ige Anfall von Feinanteil äußerst nachteilig.
Anlagentechnisch sind die hohen Investitionskosten für Gießkarussell, Brech- und Mahlwerk
nachteilig. Betriebstechnisch arbeiten derartige Anlagen ebenfalls nicht zufriedenstellend.
[0006] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demgemäß darin, die Erzeugung und
Verarbeitung von Ferrolegierungen herstellverfahrenstechnisch, betriebsverfahrenstechnisch,
anlagentechnisch und hinsichtlich erforderlicher Investitionen zu verbessern.
[0007] Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Metallschmelze
in eine Horizontalstranggießkokille geleitet wird, daß ferner der Gußstrang in Intervallen
im wesentlichen gezogen wird und daß Haltezeiten zur tiefengesteuerten Kerbbildung
zwischen zwei Ziehvorgängen über 0,5 bis 10 Sekunden eingehalten werden. Die Erfindung
konnte nur durch Versuche auf ihre Brauchbarkeit überprüft werden. Einer Anwendung
des Stranggießens stehen nämlich mehrere Parameter entgegen: Ferrolegierungen weisen
ungünstige Fließ- und Erstarrungseigenschaften auf, neigen außerdem zu Entmischungen
der Analyse und beeinträchtigen das Gefüge. Bei Ferrolegierungen Ist eine Langzeittemperaturführung
nur schwerlich möglich. Während der Erstarrung treten nachteilige Zustandsänderungen
in Temperaturintervallen auf. Bei höheren Temperaturen kann hierbei ein Zerfall der
Kristallstruktur auftreten (Peritektika). Ferner treten gefährlich Volumenveränderungen
bei der Abkühlung auf (Sprengwirkung). Bei Ferrosilizium muß außerdem mit einem unkontrollierten
Zerbrechen im Warmzustand bei geringer mechanischer Beanspruchung gerechnet werden.
Alle diese Nachteile werden durch die Erfindung vermieden. Zusätzlich ist vorteilhaft,
daß die Oberfläche gegenüber dem bekannten Verfahren praktisch ohne Einfluß des Luftsauerstoffs
erstarrt und eine metallische Oberfläche bildet. Außerdem wird durch das kontinuierlich
arbeitende Gießverfahren der Betriebsablauf erleichtert, weil beim Stranggießen der
Staubanfall nicht mehr auftritt. Dennoch können brauchbare Portionierungen erfolgen,
und der große Investitionsaufwand für Gießkarussell, Brech- bzw. Mahlwerk wird vermieden.
[0008] Nach der weiteren Erfindung ist vorgesehen, daß die Haltezeiten nach solchen Ziehvorgängen
eingelegt werden, deren Abstände den späteren Brechlängen entsprechen. Aufgrund der
Haltezeiten kann daher das Portionierungsproblem gelöst werden.
[0009] Der Grundlage "Stranggießen" wird dadurch Rechnung getragen, daß zwischen den Brechlängen
kürzere Haltezeiten gegenüber den längeren Brechlängen-Haltezeiten eingelegt werden.
[0010] Um ein unkontrolliertes Brechen des Gußwerkstoffes zu vermeiden, wird vorgeschlagen,
daß die Abkühlung des Gußstranges außerhalb der Horizontalstranggießkokille gebremst
wird.
[0011] Weiterhin ist vorteilhaft, daß die Abkühlung des Gußstranges derart gesteuert wird,
daß nach Verlassen der Ziehmaschine die Temperatur über dem kritischen Wert für spröde
Metallegierungen liegt.
[0012] Insgesamt betrachtet führt daher das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhafterweise
zu einem kontinuierlichen Verfahren, d.h. zum kontinuierlichen Vergießen von Werkstoffen,
die bisher nicht gieß- , bar erschienen (spröde Metallegierungen, Ferrolegierungen
und Nicht-Metalle, wie z.B. Kalziumkarbid). Die Verfahrensführung wird durch die Kombination
des Horizontalstranggießens, der Möglichkeit des Warmhaltens mit Feinung und Portioniermöglichkeit
optimiert. Der bisherige Feinanteil entfällt bei gleichzeitiger Vergleichmäßigung
bzw. Erhöhung der Produktqualität und der Dosierung. Außerdem kann eine Steuerung
der Produktkörnung des Gefüges erfolgen.
[0013] Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sieht ein Vorratsgefäß für die Metallschmelze
und angeflanschter Horizontalstranggießkokille vor.
[0014] Der Aufwand für die Vorrichtung kann nunmehr dahingehend vermindert werden, indem
auf eine relativ kurze Horizontalstranggießkokille in geringem Abstand die Ziehmaschine
angeordnet ist und indem zwischen Horizontalstranggießkokille und Ziehmaschine sowie
auf die Ziehmaschine nachfolgend eine Einrichtung zur Steuerung einer trockenen Wärmeabfuhr
vorgesehen ist.
[0015] Im einfachsten Fall besteht die Einrichtung zur Steuerung der trockenen Wärmeabfuhr
aus einer Wärmedämmung.
[0016] Bei dem vorausgegangenen Verfahren werden die Haltezeiten darauf abgestimmt, um eine
programmierte Kerbenbildung zu erzeugen, wobei über die Haltezeiten eine mehr oder
weniger starke Kerbwirkung gesteuert wird. In der Hauptsache entstehen die Kerben
durch die lange Erstarrungszeit und das Abkühlen dieser Stelle auf niedrige Temperaturen,
die ein Aufschmelzen durch nachfolgendes Flüssigmetall nicht mehr zulassen. Bei einem
entsprechenden Rückstoß wird die sich neu bildende Strangschale nach innen gebogen
und bietet damit einen ähnlichen Effekt der Kerbenbildung.
[0017] Auf diese verfahrenstechnischen Maßnahmen ist nunmehr die Vorrichtung nach der weiteren
Erfindung abgestimmt, indem auf die Ziehmaschine folgend eine mechanische oder thermische
Abtrenneinrichtung angeordnet ist.
[0018] Hierbei Ist vorteilhaft, daß die mechanische Abtrenneinrichtung aus einer die Kerbwirkung
ausnutzenden Brecheinrichtung besteht.
[0019] Vorteilhaft ist weiterhin, daß die thermische Abtrenneinrichtung aus einer die Schockwirkung
ausnutzenden Kühleinrichtung besteht.
[0020] Der Gefügezustand, die Temperatur, die Körnigkeit u. dgl. können außerdem dadurch
beeinflußt werden, daß dem Vorratsgefäß ein Behandlungsgefäß zugeordnet ist, das mit
einer Heizvorrichtung und/oder mit einer Feinungseinrichtung ausgestattet ist.
[0021] Ausführungsbeispiele der Erfindung (verfahrenstechnische und vorrichtungstechnische)
sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
[0022] Es zeigen:
Fig. 1 einen schematisiert dargestellten Verfahrensablauf des bisherigen Verfahrens
zum Herstellen von Ferrosilizium, mit einem körnigen Endprodukt,
Fig. 2 den erfindungsgemäßen Verfahrensablauf mit einem in Portionen anfallenden Endprodukt,
Fig. 3 einen Längsschnitt durch den in der Horizontalstranggießkokille erzeugten Gußstrang
in der Phase der Strangschalenbildung nach einem ersten Verfahren,
Fig. 4 denselben Schnitt gemäß Fig. 3 nach einem alternativen Verfahren,
Fig. 5 ein Ausziehdiagramm für den Gußstrang in Abhängigkeit von Produktlänge und
Zeit für das gemäß Fig. 3 angewendete Yerfahren A und das gemäß Fig. 4 angewendete
Verfahren B,
Fig. 6 einen teilweisen Längsschnitt durch eine Horizontalstranggießkokille für das
erfindungsgemäße Verfahren mit Rückstoß-Schritten,
Fig. 7 einen teilweisen Längsschnitt wie Fig. 6 in konstruktiv veränderter Ausführungsform,
Fig. 8 einen teilweisen Längsschnitt durch die Horizontalstranggießkokille für ein
Verfahren ohne Rückstoß und
Fig. 9 einen teilweisen Längsschnitt durch die Horizontalstranggießkokille wie Fig.
8, ebenfalls für ein Verfahren ohne Rückstoß.
[0023] In Fig. 1 ist der Verfahrensablauf vor dem Anmeldetag der vorliegenden Erfindung
dargestellt. Aus dem Schmelzofen 1 wird die Ferrolegierung in der Pfanne 2 über ein
Gießkarussell 3 transportiert und in die umlaufenden Gießformen 4 abgegossen. Nach
dem Erstarren werden die Masseln 5 in das Brechwerk 6 und anschließend in das Mahlwerk
7 verbracht, wonach als Endprodukt 8 ein Spektrum von fein- und grobkörnigem Material
entsteht.
[0024] Demgegenüber weist gemäß Fig. 2 die Anlage aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens
den Schmelzofen 1 auf, eine Pfanne 2, ein Vorratsgefäß 9, eine angeflanschte Horizontalstranggießkokille
10, eine Ziehmaschine 11 und eine Abtrenneinrichtung 12. Die Ziehmaschine 11 kann
z.B. in der Art ausgeführt sein, wie eine solche in der DE-Patentschrift 32 06 501
beschrieben ist. Das Endprodukt 8 besteht hier aus festen Körpern 8a, die in dieser
Form (zylindrisch rund, zylindrisch quadratisch u. dgl.) unmittelbar Legierungsprozessen
zugeführt werden.
[0025] In der Horizontalstranggießkokille 10 wird die Metallschmelze 13 zum Erstarren von
außen nach innen gebracht. Hierbei bildet sich die Strangschale 14. Während des Kühlens
in der Horizontalstranggießkokille 10 wird der sich bildende Gußstrang 15 in Intervallen
zur tiefengesteuerten Kerbbildung in Schritten ausgezogen, angehalten (0,5 bis 10
Sekunden), u.U. zurückgestoßen (0,5 bis 3 mm) und wieder ausgezogen. Die jeweils gewählten
Zyklen wiederholen sich. Im allgemeinen dienen beim Horizontalstranggießen von Stahl
die Haltezeiten zur Bildung von Strangschale bzw. zum beschleunigten Abkühlen des
Werkstoffes. Für ein solches Abkühlen sind kürzere Haltezeiten "a" und Hubmarken 16
vorgesehen. Verlängerte Haltezeiten "b" hingegen erzeugen um den Gußstrang 15 umlaufende
Kerben 17, die sich zu sichtbaren Rillen ausweiten können. Währenddem der Gußstrang
15 in Intervallen "c" ausgezogen wird, sind die Haltezeiten "b" jeweils größer als
die Haltezeiten "a". Ein z.B. verdoppelter Intervallabstand 18 ergibt später die Länge
der Körper 8a. Der während des Gießens eingehaltene Intervallabstand 18 entspricht
daher der späteren Brechlänge in der Abtrennvorrichtung 12. Die Ausziehmethoden gemäß
Fig. 3 analog dem Diagramm A in Fig. 5 arbeiten ohne Rückstoß des Gußstranges 15.
[0026] Demgegenüber arbeitet das Verfahren gemäß Fig. 4 analog dem Diagramm B in Fig. 5
mit Rückstoß, wobei die Rückstoßzeit "d" relativ zu den Haltezeiten a bzw. b gering
ist (Fig. 5).
[0027] Die Abkühlung des Gußstranges 15 außerhalb der Horizontalstranggießkokille 10 wird
dadurch gebremst, indem zunächst keine übliche Sekundärkühlstrecke vorhanden ist.
Es kann jedoch eine Wärmeabstrahlung durch eine Wärmedämmung weitestgehend unterbunden
werden. Hierdurch wird die Abkühlung des Gußstranges 15 derart gesteuert, daß nach
Verlassen der Ziehmaschine 12 die Gefügetemperatur über dem kritischen Wert für spröde
Metallegierungen liegt. Bei Ferrosilizium liegt diese kritische Temperatur bei etwa
700°C.
[0028] Die Vorrichtung (Fig. 1 und 6 bis 9) besteht aus dem Vorratsgefäß 9 mit vorgeflanschter
wassergekühlter Horizontalstranggießkokille 10 und der bewährten Ziehmaschine mit
Backen und hydraulischer Steuerung gemäß dem genannten deutschen Patent 32 06 501.
[0029] Die Horizontalstranggießkokille 10 ist relativ kurz; im geringen Abstand 19 hierzu
befindet sich die Ziehmaschine 11. Auf die Horizontalstranggießkokille 10 bzw. die
Ziehmaschine 11 folgt eine Einrichtung 20 zur Steuerung einer trockenen Wärmeabfuhr.
Eine solche Wärmedämmung kann z.B. aus einem isolierenden Rohr bestehen.
[0030] Die mechanische oder thermische Abtrenneinrichtung 12 bewirkt durch weiteres Ansägen,
Abbrechen oder punktuelle starke Kühlung die Abtrennung der Körper 8a, wobei kein
sonst anfallender Staub erzeugt wird. Der Gußstrang 15 wird auf diese Weise in handelsübliche
Größen bzw. Gewichte der Körper 8a unterteilt.
[0031] Geeignete Horizontalstranggießkokillen 10 (Fig. 6 bis 9) bestehen an der Kokilleninnenseite
aus Graphit (wenn keine C-Löslichkeit der Metallschmelze vorliegt) oder aus Kupfer.
Die mit Gießgeschwindigkeit bzw. in Produktionsrichtung V einströmende Metallschmelze
13 wird durch die Feuerfestwandung 21 bzw. den Mantel 22 des Verteilers 9 und durch
die rückwärtige Wand 23 der Horizontalstranggießkokille 10 eingeleitet. Die rückwärtige
Wand 23 ist gemäß Fig. 7 als separater Ring 24 ausgebildet. Die Horizontalstranggießkokille
10 weist eine Wasserkühlung 25 auf. Diese Ausführungsform der Horizontalstranggießkokille
10 gestattet Rückstöße des Gußstranges 15.
[0032] Die Horizontalstranggießkokille 10 gemäß den Fig. 8 und 9 ist für das Ausziehen ohne
Rückstöße vorgesehen.
[0033] Eine Pfanne 2 wird dann eingesetzt, wenn außer der Temperatureinstellung noch die
Anwendung einer metallurgischen Behandlung vorteilhaft ist. Das Vorratsgefäß 9 bietet
diese Bedingungen nicht in vollem Umfang. Die Pfanne 2 bildet in diesem Fall ein Behandlungsgefäß
26 mit einer Heizvorrichtung 27, die aus einem Plasmabrenner 27a, einem Rinnen- oder
Spulen-Induktor oder einer Pfannendeckel-Heizvorrichtung besteht. Ferner ist eine
Feinungseinrichtung 28, die z.B. auch aus dem Plasmabrenner 27a gebildet werden kann,
vorgesehen.
1. Verfahren zum Gießen von spröden Metallegierungen, insbesondere von Ferrolegierungen,
wie z.B. Ferrosilizium,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Metallschmelze in eine Horizontalstranggießkokille geleitet wird, daß ferner
der Gußstrang in Intervallen im wesentlichen gezogen wird und daß Haltezeiten zur
tiefengesteuerten Kerbbildung zwischen zwei Ziehvorgängen über 0,5 bis 10 Sekunden
eingehalten werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Haltezeiten (b) nach solchen Ziehvorgängen eingelegt werden, deren Abstände
späteren Brechlängen entsprechen.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen den Brechlängen kürzere Haltezeiten (a) gegenüber den längeren Brechlängen-Haltezeiten
(b) eingelegt werden.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Abkühlung des Gußstranges außerhalb der Horizontalstranggießkokille gebremst
wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Abkühlung des Gußstranges derart gesteuert wird, daß nach Verlassen der Ziehmaschine
die Temperatur über dem kritischen Wert für spröde Metallegierungen liegt.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5 mit einem
Vorratsgefäß für die Metallschmelze und angeflanschter Horizontalstranggießkokille,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf eine relativ kurze Horizontalstranggießkokille (10) in geringem Abstand (19)
die Ziehmaschine (11) angeordnet ist und daß zwischen Horizontalstranggießkokille
(10) und Ziehmaschine (11) sowie auf die Ziehmaschine (11) nachfolgend eine Einrichtung
(20) zur Steuerung einer trockenen Wärmeabfuhr vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtung (20) zur Steuerung der trockenen Wärmeabfuhr aus einer Wärmedämmung
besteht.
8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf die Ziehmaschine (11) folgend eine mechanische oder thermische Abtrenneinrichtung
(12) angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die mechanische Abtrenneinrichtung (12) aus einer die Kerbwirkung ausnutzenden
Brecheinrichtung besteht.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die thermische Abtrenneinrichtung (12) aus einer die Schockwirkung ausnutzenden
Kühleinrichtung besteht.
11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß dem Vorratsgefäß (9) ein Behandlungsgefäß (26) zugeordnet ist, das mit einer Heizvorrichtung
(27) und/oder mit einer Feinungseinrichtung (28) ausgestattet ist.