Die vorliegende Erfindung betrifft ein Walzgiessverfahren gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Walzgießanlage zur Durchführung des Verfahrens.
Seit den Dreissigerjahren dieses Jahrhunderts wurde dieses Verfahren mit sogenannten Walzgiessmaschinen (ROLL CASTER) industriell eingesetzt und gewann seit 1955 immer grössere Bedeutung (E. Herrmann. « Handbook on Continuous Casting •, Ausgabe 1980. S. 63-65 bzw. 166-167).
Die erzeugte Banddicke bei bisher ausgeführten Anlagen liegt zwischen 3 und 15 mm, meistens bei 6 bis 8 mm. Die Bandbreite misst bei neueren Produktionsanlagen zwischen 0,25 und 2 m. Bei entsprechender Dimensionierung der Giesswalzen, deren Lagerung und des Antriebes sind jedoch der zu erzeugenden Bandbreite giesstechnisch keine Grenzen gesetzt, so dass auch Bandbreiten von 3 bis 4 oder mehr Metern durchaus realisierbar sind.
Indem sich die nachfolgende Beschreibung als Beispiel auf das Giessen von Aluminium bezieht. ist bei entsprechend angepassten Daten die sinngemässe Anwendung des erfindungsgemässen Walzgiessverfahrens auch auf andere Materialien. insbesondere auf Stahl, anwendbar.
Der Giessprozess wurde bisher hauptsächlich für die Produktion von Aluminiumbändern angewandt. wobei eine stündliche Produktion von 900 bis 1200 kg/m Bandbreite, je nach erzeugter Banddicke und verarbeiteter Legierung, erreicht wird. Das dabei erzeugte Band verlässt den durch die beiden Walzen gebildeten Giess-Spalt mit einer Geschwindigkeit, allgemein mit Giessgeschwindigkeit bezeichnet, von 0,75 bis 1,4 m/min. Nach dem Austritt aus den Walzen liegt die Temperatur des Gussbandes in der Regel zwischen 350° und 400 °C.
Die Giessrichtung kann hierbei beliebig sein. Es sind Anlagen bekannt, mit welchen senkrecht aufwärts, horizontal oder schräg auf- oder abwärts gegossen wird.
Die Walzen sind mit einem Kühlsystem versehen. so dass die aufgenommene Wärme durch eine Kühlflüssigkeit abgeleitet wird. Dabei hat sich bisher die interne Walzenkühlung durchgesetzt, indem die Walzen innerhalb eines aufgesetzten Walzenmantels vom Kühlmittel durchströmte Kanäle aufweisen. Es können jedoch auch extern wirkende Systeme zur Anwendung gelangen, indem die Walzenoberfläche direkt mit dem Kühlmittel in Kontakt gebracht wird (Sir Henry Bessemer, 1846).
Es liegt im Interesse jedes Anwenders des Giessverfahrens, eine möglichst hohe Produktion pro Zeiteinheit zu erreichen, d. h. die Anlagen mit den höchstmöglichen Giessgeschwindigkeiten zu betreiben. Dabei besteht die Bedingung, dass das Giessgut beim Verlassen der Walzen über den ganzen Bandquerschnitt erstarrt ist, daansonsten das flüssige Metall zwischen den Walzen durchfliesst, womit der Giessprozess unterbrochen oder zumindest stark gestört wird, bis der Schmelzedurchbruch durch entsprechendes Verändern der Giessparameter (Verkleinern der Giessgeschwindigkeit und/oder Senken der Metalltemperatur in der Schmelzezufuhr, Reinigung der Walzenoberflächen etc.) behoben ist.
Da bei gegebener Banddicke und Legierung und gleichen thermischen Voraussetzungen (Wärmefluss) die erforderliche Kontaktzeit zwischen Walzen und Giessgut bestimmt ist, wäre es naheliegend, die Kontaktlänge des Giessgutes mit den Walzen durch Zurücksetzen der Düse (Vergrösserung des Maßes h, Fig. 1) zu vergrössern und dabei die Giessgeschwindigkeit soweit zu erhöhen, dass die erforderliche Kontaktzeit noch gewährleistet ist. In der Praxis zeigt sich, dass die Erstarrung der Schmelze, über die Breite des Bandes betrachtet, in etwas unterschiedlicher Distanz nach dem Düsenaustritt erfolgen kann. Dies ist bedingt durch kleine Variationen des Wärmeüberganges infolge zeitlich und/oder örtlich auftretender Veränderungen der Walzenoberfläche, beispielsweise durch Reibstellen der Düse und/oder Temperaturschwankungen im Kühlwasser bzw. in der Schmelze oder durch andere Umstände. Deshalb muss, um Schmelzedurchbrüche mit Sicherheit zu vermeiden, zwischen der vollständigen Erstarrung des Giessgutes und dem Walzenaustritt ein gewisser Abstand (Distanz a. Fig. 3) vorhanden sein.
Bei den heute üblichen, vorstehend erwähnten Giessgeschwindigkeiten bei einer Banddicke von ungefähr 6 mm (bezogen auf Aluminium), bewährt sich in der Praxis eine Distanz h in der Grössenordnung von etwa 30 mm zwischen Düsen- und Walzenaustritt (Fig. 3), wobei die mittlere Distanz a etwa bei 12 mm liegt. Infolge der vorerwähnten Gründe kann diese Distanz, über die Breite des Bandes und über einige Zeit betrachtet, etwa zwischen 8 und 16 mm schwanken.
Damit findet nach der vollständigen Verfestigung des Metalles ein Walzeffekt statt. Beträgt dabei der Walzendurchmesser beispielsweise 600 mm, so ergibt sich mit a = 12 mm ein mittlerer Walzgrad von 7,4 %, bei einem örtlichen Minimum von a = 8 mm ein Walzgrad von 3.4 % und 12.4 % im Maximum bei a = 16 mm. Bei diesem Walzeffekt auf trockenen, ungeschmierten Walzen, bei gleichzeitig hoher Temperatur der Walzenoberfläche. besteht erfahrungsgemäss eine Tendenz des Haftens des festen Bandes an den beiden Walzen. Das aus diesen austretende, bereits eine gewisse Festigkeit bzw. Steifheit aufweisende Gussband. nachstehend Band genannt, hat grundsätzlich die Tendenz, die Walzen in der Symmetrie-Ebene zu verlassen. Ist die Haftkraft an einer Walze grösser als an der anderen und übersteigt der Unterschied einen zulässigen Grenzwert, welcher hauptsächlich durch die Biegefestigkeit des Bandes am Austritt aus dem Giessspalt gegeben ist, so bleibt das Band an der die höhere Haftkraft aufweisenden Walze haften und muss unter Kraftaufwand von dieser gelöst werden, was üblicherweise durch vorgesehene Bandabstreifer oder entsprechend hohen Bandzug geschieht. Dadurch wird die Qualitat des Bandes stark beeinträchtigt, so dass dieses bei den heutigen Qualitätsansprüchen für die meisten Verwendungszwecke unbrauchbar wird. Durch Besprühen der Walzen mit einer leicht verflüchtigenden Flüssigkeit wie suspendierter Graphit. Molybdändisulfyd, Bornitrid, Magnesiumoxyd etc., welche als Trennmittel wirken, kann der Gefahr des Haftens bis zu einem gewissen Grade begegnet werden.
Beträgt die Giessgeschwindigkeit beispielsweise 1,2 m/min., so ergibt sich für eine Entfernung zwischen Düsen- und Walzenaustritt von h = 30 mm (Fig. 3) eine mittlere Kontakt zeit zwischen Giessgut und Walzen von 1,5 s. Diese teilt sich auf in die mittlere Erstarrungszeit von 0,9 s (Erstarrungsstrecke b = 18 mm, Fig. 3) und 0,6 s mittlere Walzzeit (Walzstrecke a = 12 mm, Fig. 3).
Werden diese Zeiten einem Giessprozess zugrunde gelegt, so wird offensichtlich, dass mit zunehmender Giessgeschwindigkeit, bei gleichbleibenden Zeitabschnitten für die einzelnen Phasen (Erstarren, Walzen), die betreffenden Distanzen a. b, und h (Fig. 3) immer entsprechend grösser werden. Bei gleichem Walzendurchmesser wird deshalb der Walzgrad und damit die Verformung des Bandes mit zunehmender Giessgeschwindigkeit unweigerlich höher. Unter dem damit verbundenen erhöhten Walzdruck wird, selbst unter Anwendung der vorgängig erwähnten Trennmittel, die Haftung des Bandes auf den Walzen fester, wobei auch der zulässige Unterschied der Haftkräfte auf den beiden Walzen zumindest zeitweise wesentlich überschritten wird. so dass das Band auf der einen oder anderen Walze haften bleibt und, wie vorgängig beschrieben, unter äusserem Kraftaufwand gelöst werden muss.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Walzgießverfahren und eine Walzgießanlage zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, das eine hohe Stabilität des Bandes am Austritt der Walzen erzeugt, so dass sich das Band selbst bei grossen unterschiedlichen Haftkräften von den Walzen löst und frei abgeführt werden kann, um damit eine wesentlich grössere Kontaktlänge zwischen Giessgut und Walzen, folglich eine bedeutende Leistungssteigerung der Giessanlage zu ermöglichen. Gleichzeitig soll eine möglichst intensive Sekundärkühlung des Bandes am Austritt aus den Walzen erreicht werden, um einen Durchbruch der Schmelze zu erschweren. Die erfindungsgemässe Lösung der Aufgabe ist im Kennzeichen des Anspruchs 1 beschrieben. Eine weitere vorteilhafte Verfahrensweise ist durch Anspruch 2 gekennzeichnet. Zweckmässigerweise erfolgt die Zuführung des Kühlmediums durch beidseitig des Bandes angeordnete Düsen, wobei je die eine Düsenwandung vorteilhafterweise direkt durch die Walzenoberfläche gebildet wird.
Die erfindungsgemässe Anwendung des Verfahrens kann mit einer noch zusätzlichen externen Walzenkühlung verbunden werden. Die Kühlzone besteht darin, dass die Walzenoberfläche über einen Teil des Umfanges mit einem Kühlmedium benetzt, besprüht oder angeblasen wird. Damit wird die Walzenoberfläche direkt am Austritt aus der Giesszone mittels des verwendeten Kühlmediums ge uhlt.
Eine an die Kühlzone anschliessende Trocknungszone sorgt dabei dafür, dass die Walzenoberfläche trocken in die Giesszone einläuft.
Es ist dabei möglich, dass dem Kühlmedium die vorgängig genannten oder andere Trennmittel beigegeben werden, welche auf den Walzenoberflächen antrocknen und die Haftung des Bandes auf denselben verringern.
Das Trocknen kann auf bekannte Art durch Abstreifen und/oder Bürsten erfolgen, gegebenenfalls unterstützt durch Anblasen von Kalt-oder Warmluft, um eine Restverdunstung eines flüssigen Kühlmediums auf der durch den Giessprozess erwärmten Walzenoberfläche noch zu beschleunigen.
Die Erfindung wird nun anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Walzgiessanlage näher erläutert.
Die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Anlage weist Giesswalzen 1 und 2 auf, die gegenläufig in Richtung der Pfeile in Figuren 1 und 3 angetrieben werden können. Vor der engsten Stelle 3 zwischen den beiden Walzen 1 und 2, welche Stelle im folgenden als Walzspalt oder einfach Spalt bezeichnet wird, befindet sich eine Giessdüse, von welcher in den Figuren 2 seitliche Begrenzungswände 4 bezeichnet sind. Durch diese Düse wird flüssiges Metall 5 zugeführt, welches sich unterhalb der Düse 4 seitlich verteilt und an den Walzenoberflächen gekühlt wird. Damit erstarrt das Metall auf der Erstarrungsstrecke b und wird dann anschliessend auf der Walzstrecke a, wie oben beschrieben, gewalzt. Das gewalzte Band 6 tritt durch den Walzspalt 3 nach unten aus und wird in nicht dargestellter, an sich bekannter Weise abgeführt. Soweit entspricht die Anlage den eingangs beschriebenen bekannten Anlagen.
Erfindungsgemäss wird nun unterhalb des Spaltes 3 ist beidseitig des Bandes 6 je eine Kühlmitteldüse 7a bzw. 7b angeordnet. Jede dieser Düsen weist einen Düsenkörper auf, gebildet durch je eine innere Seitenwand 8 und eine äussere Seitenwand 9, zwei gegenüberliegende Stirnwände 10, welche den Düsenkörper an den Enden abschliessen, sowie je eine Rückwand 11. An der Rückwand sind Einlass-Stutzen 12 vorgesehen, durch welche Kühlmittel, vorzugsweise Wasser, durch nicht dargestellte Zuleitungen in bestimmter Menge und mit bestimmten Druck zugeführt werden kann. Die beiden Düsenkörper sind oben durch die je eine Begrenzungswand der Düse bildenden Walzen 1 und 2 abgedeckt. Zur Dichtung zwischen den Düsenkörpern 7 und den Walzenoberflächen können an den Rändern der äusseren Seitenwände 9 und der Stirn an vorgesehen sein, in -welche Dichtungsstäbe 14 bzw. 15 e. gelegt sind. Wie Figur 1 zeigt, liegen diese Dichtungsstäbe mit allseitigem Spiel in Nuten 13, so dass die Stäbe in Betrieb durch den Druck des Kühlwassers in die in Figur 1 dargestellte dichtende Lage gepresst werden. Die Dichtungsstäbe 14 sind gerade, und da die Reibung der rauheren Walzenoberfläche an diesen Stäben normalerweise grösser ist als die Reibung der Stäbe an einer fein bearbeiteten Nutenwand, werden die Dichtungsstäbe 14 während des Betriebs in Drehung versetzt, was zu einer geringeren Abnützung führt, als wenn sie auf der Walzenoberfläche gleiten würden. Die Dichtungsstäbe 15 müssen dagegen natürlich auf den Walzenoberflächen gleiten. Die Dichtungsstäbe 14 und 15 bestehen aus Metall oder Kunststoff. Die axial verlaufenden Nuten 13 in den äusseren Seitenwänden 9 münden in die in Umfangsrichtung verlaufenden Nuten 13 in den Stirnwänden 10. Die in den Stirnwänden vorgesehenen Nuten 13 sind beidseitig durch je einen Deckel 16 abgeschlossen.
Je eine Walzenoberfläche und ein abgeschrägtes oberstes Teilstück 17 jeder inneren Seitenwand 8 begrenzen eine Düse mit einer sich axial längs einer Mantellinie jeder Walze erstreckenden, schlitzförmigen Düsenöffnung 18. Durch diese Oeffnungen kann je ein Kühlmittelstrom tangential oder in Umfangsrichtung längs der Walzenoberflächen nach oben in die zwischen den Düsen, den Walzen, dem Spalt 3 und dem Gussband 6 gebildeten Räume 19a bzw. 19b gespritzt oder geblasen werden. Aus diesen Räumen strömt das Kühlmittel durch die schlitzförmigen Austrittsöffnungen 20a bzw. 20b zwischen je einer inneren Seitenwand 8 und dem Gussband 6 nach unten aus. Diese Austrittsöffnungen 20a und 20b sind verhältnismässig eng bemessen, so dass das Kühlmittel in den Räumen 19a und 19b gestaut wird und sich folglich ein gewisser Druck aufbaut.
In Figur 1 ist angenommen, das Gussband 6 verlasse die beiden Walzen 1 und 2 bzw. den Spalt 3 symmetrisch und bewege sich symmetrisch zwischen den beiden Düsen 7a und 7b nach unten. Es herrschen daher auch bezüglich der Kühlmittelströme und der Kühlwirkung symmetrische Verhältnisse, das heisst insbesondere. dass beide Bandseiten in gleichem Masse gekühlt werden. Es herrscht auch in beiden Räumen 19a und 19b derselbe Kühlmitteldruck, so dass der auf die beiden Bandseiten wirkende Druck derselbe ist. Figur 3, in welcher in vereinfachter Darstellung nur die, die eigentliche Düsenbegrenzung bildenden, obersten Teile der Seitenwände 8 dargestellt sind, zeigt den Fall, wo das Gussband 6 an der Walze 1 stärker haften bleibt als an der Walze 2 und somit die Walzen bzw. den Spalt 3 asymmetrisch verlässt. Es entsteht damit natürlich auch eine Asymmetrie der Räume 19a und 19b sowie der Strömungs- und Kühlverhältnisse in diesen Räumen. In Figur 3 sind die Kühlmittelströme mit Linien 21a und 21b angedeqtet. E t - hierbei klar, dass im engeren Raum 19a die anliegende Seite des Gussbandes 6 auf einer wesentlich kürzeren Strecke gekühlt wird als im gegenüberliegenden Raum 19b. Mit dieser einseitig wesentlich intensiveren Kühlung ist eine erheblich stärkere Kontraktion auf der rechten Seite des Gussbandes (Fig. 3) verbunden, wobei in diesem durch die in Bezug auf die Bandmittellinie asymmetrisch auftretenden Wärmespannungen ein Biegemoment bzw. eine Durchbiegung in Richtung der kälteren Bandseite erzeugt wird, wodurch sich das Band laufend von einer haftenden Walze trennt und gegen die Symmetrie gesteuert und damit stabilisiert wird.
Ein zusätzlicher stabilisierender Einfluss wird dadurch erreicht, dass der Druck des Kühlmittels im Raum 19a höher ansteigt als im gegenüberliegenden Raum 19b. Aus Figur 3 ist klar ersichtlich, dass die Austrittsöffnung zwischen dem Gussband 6 und der Düsenwand 8 auf der linken Seite wesentlich enger ist als auf der rechten. Es wird sich also links ein höherer Kühlmitteldruck aufbauen als rechts, und obwohl dieser höhere Druck auf eine etwas kleinere Bandfläche wirkt als der niedrige Druck 6, verbleibt eine resultierende Druckkraft auf das Band 6 nach rechts in Figur 3. Die Verengung der Austrittsöffnung 20a bewirkt zudem eine Herabsetzung der Durchflussmenge auf der linken Seite, was nochmals eine Herabsetzung der Kühlwirkung auf dieser Seite zur Folge hat. Es wirken somit mehrere Einflüsse zusammen, die das Band 6 unmittelbar nach seinem Austritt aus dem Spalt 3 in die Symmetrie-Ebene S-S zur Folge haben. Dazu kommt die erhöhte Kühlwirkung auf die Walzen und auf das Band relativ nahe an die Erstarrungszone, was weiter dazu beiträgt, dass die Giessgeschwindigkeit erhöht werden kann.
Entsprechende Wirkungen können auch in etwas anderer Weise erzielt oder durch zusätzliche Massnahmen noch intensiviert werden. Es könnten unter Umständen Düsen vorgesehen sein, die auch auf der Seite der Walzen eine bis zur Düsenöffnung reichende Düsenwand aufweisen. Eine solche Ausführung hätte den Vorteil, dass keine Dichtungsmittel zwischen Düse und Walzen erforderlich sind. Die Ausführung solcher Düsen bietet jedoch aus Platzgründen unter Umständen gewisse Schwierigkeiten. Es ist auch möglich, durch geeignete Mittel die Kühlmittelströme zu regeln. Man könnte also beispielsweise die Lage des Bandes, den Druck in den Räumen 19a und 19b oder die Temperatur in diesen Räumen erfassen und gestützt auf diese Messungen die Kühlmittelströme steuern, und zwar in dem Sinne, dass beispielsweise bei der Situation gemäss Figur 3 der Kühlmittelstrom links gedrosselt und rechts intensiviert ist. Da jedoch, wie oben erwähnt, die Situation nicht auf der ganzen Breite des Gussbandes bzw. Länge der Walzen dieselbe sein muss, ist die selbsttätige Funktionsweise wie sie oben beschrieben ist insofern von Vorteil, als lokal an jeder Stelle der richtige Einfluss wirksam wird. Die dargestellte Anordnung, wo das Gussband senkrecht von oben nach unten geführt ist, dürfte die vorteilhafteste Lösung darstellen. Es ist jedoch möglich, das der Erfindung zugrundeliegende Verfahren bei jeder beliebigen Giessrichtung anzuwenden. Bei nicht vertikaler Giessrichtung können die Kühlmitteldüsen bzw. die Kühlmittelströme verschieden bemessen sein, um den Einfluss des Bandgewichtes zu kompensieren. 15 können auch fest eingelegte Dichtungsleisten, vorzugsweise aus gummielastischem Material. oder auch Labyrinthdichtungen bekannter Art vorgesehen sein.