Verfahren zum Stranggiessen von insbesondere NE-Metallen und Kokillenaggregat zur Durchführung des Verfahrens

Abstract

 Verfahren zum Stranggießen von insbesondere NE-Metallen mittels eines Kokillenaggregates, welches einen gekühlten, insbesondere wassergekühlten, äußeren Metallmantel (1) und eine innere, den Strangquerschnitt formende, ein- oder mehrteilige Grafitkokille (2) aufweist, wobei in die Grafitkokille (1) ein Schutzgas, z.B. Stickstoff, eingeleitet wird. Dabei wird die Grafitkokille (1) für den Gießvorgang mit dem Schutzgas beaufschlagt, welches diese durchsetzt, wodurch quer zur Gießrichtung eine Diffusionssperre gebildet ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stranggießen von insbesondere NE-Metallen mittels eines Kokillenaggregates, welches einen gekühlten, insbesondere wassergekühlten, äußeren Metallmantel und eine innere, den Strangquerschnitt formende, ein-oder mehrteilige Grafitkokille aufweist, wobei in die Grafitkokille ein Schutzgas, z.B. Stickstoff, eingeleitet wird. Die Erfindung betrifft weiters ein Kokillenaggregat zur Durchführung dieses Verfahrens.

[0002] Kokillenaggregate bestehen aus einem äußeren, gekühlten Metallmantel und einer inneren, den Strangquerschnitt formenden Grafitkokille. Dabei kommen je nach dem Strangformat ein- oder mehrteilige Grafitkokillen zum Einsatz. Derartige Kokillenaggregate, welche allgemein bekannt sind, sind im "Handbuch des Stranggießens" von Dr.E. Herrmann, 1980, Seite 102 bis 107 ausführlich beschrieben. Sie werden vor allem zum Gießen von Nichteisen-Metallen (NE-Metallen) und von Gußeisen verwendet. Als Werkstoff für die Kokillen wird ausschließlich Elektrografit verwendet, welcher sich durch hohe Wärmeleitfähigkeit, geringe Benetzbarkeit durch flüssige Metalle, gute Gleiteigenschaften und hohe Selbst-schmierfähigkeit auszeichnet.

[0003] Die Grafitkokille kann als zylindrischer Formkörper in ein äußeres, z.B. aus Kupfer bestehendes Mantelrohr eingepreßt sein oder das Mantelrohr kann auf die Grafitkokille aufgeschrumpft sein. Die Grafitkokille kann aber auch aus einzelnen Platten bestehen, welche einen Hohlraum mit einem rechteckigen, z.B. quadratischen Querschnitt umschließen. Unabhängig von der jeweiligen Ausführungsform sind für ein qualitativ hochwertiges Endprodukt und eine hohe Produktionsleistung die Ausbildung des Kühlsystems und dessen Verbindung mit der Grafitkokille von besonderer Bedeutung. Für einen einwandfreien Wärmetransport zwischen der Grafitkokille und dem Kühlmedium ist daher eine formschlüssige Verbindungzwischen der Grafitkokille und dem Kühlmantel unbedingt erforderlich.

[0004] Der praktische Betrieb hat jedoch gezeigt, daß auch bei optimaler Verbindung nach relativ kurzer Gießzeit ein Abfall des Wärmetransportes aus der Grafitkokille verursacht wird. Dies gilt insbesondere bei jenen Kupferlegierungen, die niedrig schmelzende und verdampfende Legierungselemente als Beimengungen aufweisen. Hierzu gehört z.B. Zink, das in Kupferlegierungen, wie Messing, Neusilber und ähnlichen Legierungen, enthalten ist. Der Grund hierfür liegt darin, daß die bei den Gießtemperaturen verdampfenden Legierungselemente in die Wandung der Grafitkokille bzw. durch diese Wandung hindurch diffundieren und in dieser bzw. am angrenzenden metallischen Kühlmantel sublimieren, also vom gasförmigen bzw. dampfförmigen Zustand unmittelbar in den festen Zustand übergehen. Diese Diffusionen führen mit zunehmender Gießdauer zu einer wachsenden Verschlechterung des Wärmeflusses und vor allem zu örtlich sehr unterschiedlichen Wärmeflüssen, wodurch in verstärktem Maße Gußfehler auftreten. Diese unterschiedlichen Wärmeflüsse stellen zudem auch eine Gefahr für die formschlüssige Verbindung der Grafitkokille mit dem Kühlmantel dar, sodaß mechanische Verformungen der Grafitkokille, vor allem bei Plattenelementen, nicht ausgeschlossen werden können.

[0005] Die vorstehend dargelegten Schwierigkeiten sind bekannt und wurden zu vermeiden gesucht. So ist es aus der DE-PS 26 57 207 bekannt, in den sich zwischen der Grafitkokille und dem erstarrenden Strang ausbildenden Schrumpfspalt, ein Schutzgas, insbesondere Stickstoff, einzuleiten. Durch diese Maßnahme kann jedoch im Entstehungsbereich der Zinkverdampfung, d.h. im Liquidus - Solidusbereich, die störende Diffusion der dampfförmigen Ausscheidungen in die bzw. durch die Wandung der Grafitkokille hindurch nicht verhindert werden.

[0006] Aus der DE-OS 37 18 372 ist es weiters bekannt, die Grafitkokille mindestens zweischichtig auszubilden und zwischen Schichten eine Metallfolie als Diffusionssperre anzuordnen. Diese Maßnahme ist zwar wirkungsvoller, jedoch verhindert sie nicht eine Diffusion in jenen Bereich der Grafitkokille, welcher mit dem Gießprodukt unmittelbar in Berührung steht.

[0007] Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, welches es gestattet, auch solche Legierungen, welche niedrig schmelzende Beimengungen enthalten, in optimaler Qualität und mit hoher Leistung zu gießen, ohne daß die vorstehend angegebenen Schwierigkeiten eintreten können. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, daß die Grafitkokille für den Gießvorgang mit einem Schutzgas beaufschlagt wird, welches diese durchsetzt, wodurch quer zur Gießrichtung eine Diffusionssperre gebildet wird. Vorzugsweise setzt die Beaufschlagung der Grafitkokille mit dem Schutzgas vor dem Beginn des Gießvorganges ein und wird sie während dieses aufrecht erhalten. Weiters wird vorzugsweise das Schutzgas durch die Grafitkokille hindurch auch dem Schrumpfspalt zugeführt.

[0008] Ein erfindungsgemäßes Kokillenaggregat ist vorzugsweise mit sich in dessen Längsrichtung und bzw. oder mit sich dazu quer erstreckenden Kanälen. Nuten od. dgl. ausgebildet, durch welche hindurch der Grafitkokille das Schutzgas zugeleitet wird und durch diese diffundiert. Dadurch, daß die Grafitkokille im Bereich der höchsten Temperaturen, d.h. vom flüssigen Metalleinlauf bis nach der Schrumpfspaltbildung, über ein Kanalsystem mit einem Schutzgas durchflutet wird, wodurch eine Diffusionssperre bewirkt wird, wird verhindert, daß niedrig schmelzende und verdampfende Legierungselemente in die Grafitkokille eindringen. Die Diffusionssperre hat zur Folge, daß die beim Stranggießen frei werdenden Metalldämpfe im Kontaktbereich Strangschale - Kokille auf einem Temperaturniveau gehalten werden, das eine Sublimation der Legierungselemente verhindert. Die Metalldämpfe werden vielmehr unter Mithilfe des Schutzgases und der Strangabzugsbewegung in den Schrumpfspalt gefördert, in welchem sie abkühlen und sich nach dem Erreichen der Sublimationstemperatur als Niederschlag am Gußstrang absetzen. Hierdurch nehmen sie auf die Grafitkokille keinen störenden Einfluß.

[0009] Die Diffusionssperre unterbindet nicht nur das Eindringen dampfförmiger Legierungselemente in die Grafitkokille, sondern sie unterbindet auch den Zutritt von Sauerstoff zur Grafitkokille, sodaß keine Reaktion zwischen Sauerstoff und dem Kohlenstoff und damit keine Grafitoxydation eintreten kann. Es wird damit nicht nur ein konstanter Wärmefluß für eine qualitativ hochwertige Produktion erzielt, sondern es wird gleichzeitig auch durch Verhinderung einer Grafitoxydation die Standzeit der Grafitkokille wesentlich verlängert. Die gleichzeitig entstehende Sauerstoffsperre bewirkt außerdem, daß die Metalldämpfe keiner Oxydation unterliegen und auch die erste Strangschalenbildung, welche im direkten Kontakt mit der Grafitkokille steht, ohne Oxydation erfolgt.

[0010] Die erfindungsgemäß bewirkte Diffusionssperre ist dann optimal wirksam, wenn die Längskanäle für die Schutzgaszuführung nicht nur den flüssigen und schalenbildenden Bereich, sondern auch einen Teil des Schrumpfspaltes überdecken, damit in diesen ausreichend Schutzgas einströmt, wodurch bei der weiteren Abkühlung des Gußstranges eine mögliche Oxydation unterbunden wird. Die Gasdurchlässigkeit der Grafitkokille, bezogen auf Stickstoff, wird von den Grafitherstellern in Milli Darcy angegeben. Bleibt die Sauerstoffsperre bis zum Unterschreiten der Oxydationstemperatur des Gießwerkstoffes aufrecht, so kann ein Gießprodukt mit optimaler Oberflächengüte hergestellt werden, wodurch bei einer Mehrzahl von NE-Metallen eine sofortige Weiterverformung ohne die bisher notwendige spanabhebende Oberflächenbearbeitung ermöglicht ist.

[0011] Anstelle von Stickstoff kann als Schutzgas auch ein Edelgas, wie Helium, verwendet werden. Helium weist zwar einerseits eine um etwa 10% höhere dynamische Viskosität gegenüber Stickstoff auf, sodaß bei gleichen Druckverhältnissen die Durchflußmenge durch die Grafitkokille je Zeiteinheit um etwa 10% abnimmt. Es hat jedoch andererseits die fünffache Wärmeleitfähigkeit, wodurch in der Grafitkokille ein verbesserter Wärmefluß bewirkt wird, was für den Wärmefluß im Schrumpfspalt von großer Bedeutung ist. Der erhöhte Wärmefluß bewirkt eine verstärkte Kühlleistung und damit eine erhöhte Produktion in der Zeiteinheit.

[0012] Das erfindungsgemäße Verfahren ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt ein Kokillenaggregat zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, im Längsschnitt und teilweise abgebrochen.

[0013] Dieses Kokillenaggregat weist eine Grafitkokille 1 auf, welche bei Rundformaten einteilig ist. Rechteckige Formate sind vorzugsweise mehrteilig als sogenannte Plattenelemente ausgeführt. Die Grafitkokille 1 ist von einem insbesondere durch Wasser gekühlten Metallmantel 2 formschlüssig umgeben. Beide Teile bilden das Kokillenaggregat, welches mit einer Kokillenanbau- und Ofenverschließeinheit 3 mittels Schrauben 4 verbunden ist.

[0014] Die Kokillenanbau- und Ofenverschließeinheit 3 besteht aus einer Profilstahlkonstruktion, welche nach dem Anbau des Kokillenaggregates 1, 2 sowie nach dem Einsetzen einer Rückkühlblende 5 mit einem Teil 6 aus Feuerfestmaterial ausgekleidet wird. Die Rückkühlblende 5 verhindert eine unerwünschte Temperaturabsenkung des vor dem Kokilleneinlauf befindlichen flüssigen Metalls. Der Teil 6 ist durch Zwischenschalten einer Isoliermatte 7 mit einem weiteren Teil 8 aus Feuerfestmaterial des Metallaufnahmegefäßes mittels nicht dargestellter Schrauben metalldicht zusammengefügt. Der Metallzulauf zum Kokillenaggregat 1,2 erfolgt über eine trompetenförmige Öffnung 9 im Metallaufnahmegefäß.

[0015] Der wassergekühlte Metallmantel 2 weist an der Kontaktstelle mit der Grafitkokille 1 einen Ringkanal 10 auf, an den sich über den Umfang verteilte Längskanäle 11 anschließen. Der Ringkanal 10 bzw. die Längskanäle 11 werden vor Beginn des Gießvorganges und während desselben über Zufuhrkanäle 12 bis 15 mit einem Schutzgas, z.B. Stickstoff oder Helium, gespeist, welches mit einem dem System angepaßten Druck der Grafitkokille 1 zugeführt wird und diese durchsetzt. Das Kanalsystem kann auch in der Grafitkokille 1 vorgesehen sein.

[0016] Aufgrund der Gasdurchlässigkeit der Grafitkokille 1 dringt das Schutzgas einerseits bis zum flüssigen bzw. bereits teilweise erstarrten Metall vor, wodurch das Eindringen verdampfender Legierungselemente verhindert wird. Andererseits dringt das Gas in den Teil 6 aus Feuerfestmaterial sowie in den Schrumpfspalt 1a ein und verhindert dort den Zutritt von Sauerstoff, wodurch eine Oxydation der Grafitkokille, der Metalldämpfe sowie der Oberfläche des Gußstranges 1b verhindert wird. Weiters schützt das in den Schrumpfspalt 1a gelangende Schutzgas die Oberfläche des Gußstranges 1b auch während ihrer weiteren Abkühlung vor einer möglichen Oxydation.

[0017] Zudem wird durch die Diffusions- bzw. Sauerstoffsperre das Gießen von Kupfer mit über 150 ppm Sauerstoffgehalt ermöglicht, ohne daß eine Reaktion zwischen dem Sauerstoff und dem Kohlenstoff eintritt. Weiters erfährt die Grenzflächentemperatur der Grafitkokille zum Gießwerkstoff durch die ständige Durchflutung von Schutzgas eine zusätzliche Absenkung, sodaß eine höhere Kühlleistung und damit eine höhere Produktion je Zeiteinheit ermöglicht wird. Bei Verwendung von Helium wird aufgrund dessen fünffacher Wärmeleitfähigkeit gegenüber Stickstoff eine zusätzliche Steigerung der Kühlintensität und damit eine Produktionserhöhung ermöglicht.

[0018] Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere beim Gießen von Nichteisenmetallen (NE-Metallen) von großem Vorteil, da ein Eindringen von dampfförmigen Legierungsbestandteilen in die Grafitkokille verhindert wird. Die Tatsache, daß durch das Schutzgas Oxydationen der Grafitkokille und der Oberfläche des Metallstranges verhindert werden, ist jedoch auch beim Gießen von solchen Metallen, welche keine leicht verdampfenden Legierungsbestandteile enthalten, wie z.B. Gußeisen, von Bedeutung.

Ansprüche

1. Verfahren zum Stranggießen von insbesondere NE-Metallen mittels eines Kokillenaggregates, welches einen gekühlten, insbesondere wassergekühlten, äußeren Metallmantel und eine innere, den Strangquerschnitt formende, ein- oder mehrteilige Grafitkokille auf- weist, wobei in die Grafitkokille ein Schutzgas, z.B. Stickstoff, eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Grafitkokille (1) für den Gießvorgang mit dem Schutzgas beaufschlagt wird, welches diese durchsetzt, wodurch quer zur Gießrichtung eine Diffusionssperre gebildet ist.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Beaufschlagung der Grafitkokille (1) mit Schutzgas vor dem Beginn des Gießvorgangs einsetzt und während dieses aufrechterhalten wird.

3. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzgas durch die Grafitkokille (1) hindurch auch dem Schrumpfspalt (1a) zugeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch das in den Schrumpfspalt (1a) abfließende Schutzgas die Oberfläche des Gußstranges (1a) auch während ihrer weiteren Abkühlung vor einer möglichen Oxydation geschützt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung des Edelgases Helium aufgrund der fünffachen Wärmeleitfähigkeit gegenüber Stickstoff eine zusätzliche Steigerung der Kühlintensität und damit eine Produktionserhöhung ermöglicht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusions- bzw. Sauerstoffsperre auch das Gießen von sauerstoffhältigem Kupfer mit über 150 ppm Sauerstoffgehalt ermöglicht, ohne daß eine Reaktion zwischen dem Sauerstoff und dem Kohlenstoff eintritt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzflächentemperatur der Grafitkokille (1) zum Gießwerkstoff durch die ständige Durchflutung mit Schutzgas eine zusätzliche Absenkung erfährt, sodaß eine höhere Kühlleistung und damit eine höhere Produktion je Zeiteinheit erzielt wird.

8. Kokillenaggregat mit einer von einem Kühlmantel umgebenen Grafitkokille zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es mit sich in Längsrichtung und bzw. oder mit sich dazu quer erstreckenden Kanälen (10, 11), Nuten od.dgl., ausgebildet ist, über welche der Grafitkokille (1) ein Schutzgas zuführbar ist, welches durch diese hindurch diffundieren kann.

9. Kokillenaggregat nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (10, 11), Nuten od.dgl., in der Grafitkokille (1) vorgesehen sind.

Zeichnung