Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Stranggießen von in ihrem Innenbereich zumindest einen Hohlraum aufweisenden Werkstücken mit geringen, über den Querschnitt sich verändernden Wandstärken.
Aus der DE 195 29 931 C1 ist eine Plattenkokille zur Erzeugung von Strängen aus Stahl bekannt, bei welcher die Breitseitenwände mindestens drei nebeneinander liegende und voneinander unabhängige Kühlsegmente aufweisen. Hierdurch soll es möglich sein, eine differenzierte Aussage über den partiellen Wärmestrom über die Kokillenbreite zu machen.
Die DE 32 04 339 A1 beschreibt eine Stranggußkokille zum Gießen von Trägerrohlingen, welche mit Kühlmittelleitungen versehen ist.
Eine weitere Vorrichtung sowie ein entsprechendes Verfahren sind aus der DE-OS 26 50 016 bekannt. Bei diesem als Extrudieren bezeichneten Verfahren wird aus einem flüssigen Metall in einem Formwerkzeug, in diesem Fall als Extrudiermatrize bezeichnet, als Werkstück ein Endlosstrang abgezogen.
Aus der DE-PS 429 217 ist ein Verfahren zur Herstellung von Rohren, Drähten usw. bekannt, welches das bekannte Schleudergußverfahren mit dem ebenfalls bekannten Strangpreßverfahren verbindet.
Des weiteren beschreibt die DE 31 50 684 C2 ein halbkontinuierliches Stranggießverfahren für Metalle mit nach oben abzuziehendem Strang. Durch das dort beschriebene, sehr komplizierte Verfahren soll sichergestellt werden, daß sich auch aus komplexen Legierungen seigerungsfreie Stränge ausgezeichneter Qualität bei hoher Produktionsleistung herstellen lassen.
Durch sämtliche der oben beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen ist es nachteiligerweise nicht möglich, Werkstücke mit komplizierten Querschnitten, welche insbesondere unterschiedliche Dicken aufweisen, durch Stranggießen herzustellen.
Die Verfahren Stranggießen und Strangpressen sind außer aus den oben genannten Schriften auch aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Um beliebige, je nach Verwendungszweck teilweise recht komplizierte Profile herzustellen, wird meist ein Halbzeug durch Stranggießen hergestellt und anschließend durch Strangpressen in die endgültige Form gebracht.
Der hohe Fertigungsaufwand und die damit verbundenen hohen Kosten dieses Verfahrens und der dabei verwendeten Vorrichtungen sind jedoch sehr nachteilig.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Stranggießen zu schaffen, mit welchen auch Werkstücke von kompliziertem Querschnitt mit unterschiedlichen, über den Querschnitt sich verändernden Dicken bzw. Wandstärken hergestellt werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Eine verfahrensmäßige Lösung ergibt sich aus den in Anspruch 9 genannten Merkmalen.
Durch die erfindungsgemäße Auslegung des Temperierungssystems des Formwerkzeugs können nunmehr Bereiche des herzustellenden Werkstücks mit größerer Wandstärke stärker gekühlt werden und Bereiche mit geringerer Wandstärke können weniger stark gekühlt oder sogar beheizt werden. Dadurch ist es möglich, Werkstücke mit beliebigem, insbesondere mit kompliziertem Querschnitt durch Stranggießen herzustellen, da die Erstarrungsfront, also der Bereich in dem die Schmelze in das fertige Werkstück übergeht, trotz der unterschiedlichen Wandstärken nunmehr gleichmäßig über den Querschnitt verteilt ist. Man könnte auch von einem symmetrisch Verlauf der Erstarrungsfront über den Querschnitt sprechen, bei dem das Mittel der zuletzt erstarrenden Bereiche sich in der Art einer Kraftresultierenden im Mittelpunkt des Werkstücks befindet..Vorteilhafterweise tritt nunmehr der gegossene Strang geradlinig aus dem Formwerkzeug aus.
Die bisherige Problematik, daß Bereiche mit größerer Wandstärke eine längere Erstarrungszeit haben als Bereiche mit geringerer Wandstärke und dadurch sehr starker Verzug an dem aus der Kokille austretenden Strang auftreten würde, ist somit nicht mehr gegeben.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, auf das Strangpressen zu verzichten, das bisher zusätzlich zum Stranggießen notwendig war, um Werkstücke mit komplizierteren Querschnitten herzustellen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung geht aus den Unteransprüchen 2 bis 4 hervor.
Durch das Anpassen der Anzahl bzw. des Durchmessers der Kühlmittelleitungen bzw. der Heizleitungen ergibt sich eine einfache konstruktive Umsetzung der erfindungsgemäßen Auslegung des Temperierungssystems.
Eine alternative Möglichkeit der Ausführung des erfindungsgemäßen Temperierungssystems des Formwerkzeugs ergibt sich aus den Unteransprüchen 5 und 6.
Durch die geringere Höhe bzw. Länge des Formwerkzeugs in den Werkstückbereichen mit geringerer Wandstärke ergibt sich eine geringere wirksame Höhe des Temperierungssystems, welches somit einen geringeren Kühleffekt in den Bereichen mit geringerer Wandstärke des herzustellenden Werkstücks erzeugt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen und aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbeispiel.
Es zeigt:
Gemäß Fig. 1 ist eine Vorrichtung 1 zum Stranggießen mit einem Schmelztiegel 2, einer Einfülleinrichtung 3 und einem Formwerkzeug 4 dargestellt. Aus dem Formwerkzeug 4 tritt an dessen Unterseite ein durch Stranggießen hergestelltes Werkstück 5 aus bzw. dieses wird durch geeignete Einrichtungen abgezogen.
In den Schmelztiegel 2 wird an dessen Oberseite Schmelze 6 eingefüllt, welche in diesem Fall durch ihren eigenen hydrostatischen Druck über die Einfülleinrichtung 3 in das Formwerkzeug 4 gelangt. In nicht dargestellter Art und Weise wäre es auch möglich, die Schmelze 6 über einen pulsierenden Druckerzeuger, wie z.B. einen Stempel oder einen Extruder, dem Formwerkzeug 4 zuzuführen. Dies wäre insbesondere dann sinnvoll, wenn höhere Preßkräfte erforderlich wären. In beiden Fällen könnte die Zuführung der Schmelze 6 dabei auch in horizontaler Richtung erfolgen. Aus der Schmelze 6 entsteht in dem Formwerkzeug 4 durch Erstarrung das Werkstück 5.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch das Formwerkzeug 4, welches in an sich bekannter Weise mit einem Temperierungssystem 7 versehen ist. Das Temperierungssystem 7 weist Kühlmittelleitungen 8 und im vorliegenden Fall auch Heizleitungen 9 auf. Das Temperierungssystem 7 ist dafür vorgesehen, die Schmelze 6 bzw. das Werkstück 5 so abzukühlen, daß sich bis zum Austreten des Werkstücks 5 an der Unterseite des Formwerkzeugs 4 eine gleichmäßige, symmetrische Erstarrungsfront bildet und kein Verzug des Werkstücks 5 entsteht. Vielmehr tritt dieses geradlinig aus dem Formwerkzeug 4 aus.
Das Werkstück 5, welches durch einen Hohlraum 10 in dem Formwerkzeug 4 gebildet wird, weist in seinem Querschnitt Bereiche 11 mit einer größeren Wandstärke d1 und Bereiche 12 mit einer geringeren Wandstärke d2 auf. In den Bereichen 11 mit größeren Wandstärken d1 befinden sich mehr Kühlmittelleitungen 8 als in den Bereichen 12 mit der geringeren Wandstärke d2, wo sich gegebenenfalls auch Heizleitungen 9 befinden können.
Dies ist der Fall, weil die Bereiche 11 mit den größeren Wandstärken d1 eine längere Erstarrungszeit benötigen als die Bereiche 12 mit den geringeren Wandstärken d2. Die Kühlmittelleitungen 8 und die Heizleitungen 9 müssen so angeordnet und aufeinander abgestimmt sein, daß das Werkstück 5 gleichmäßig erstarrt. Es wird jedoch beispielsweise in den Bereichen 11 an den Wänden zu dem Formwerkzeug 4 noch immer zu einer schnelleren Erstarrung kommen als in der Mitte der Bereiche 11, so daß die Erstarrungsfront hier in der Art einer Parabel verlaufen wird. Am Ausgang aus dem Formwerkzeug 4 ist zumindest die äußere Schale des Werkstücks 5 erstarrt, es kann jedoch bereits im Formwerkzeug 4 ein vollständig durcherstarrtes Werkstück 5 vorliegen.
Bei dem Werkstück 5 handelt es sich hierbei um ein Hohlprofil mit einer Aussparung in seinem Innenbereich, weshalb das Formwerkzeug 4 auch einen an sich bekannten Dorn 13 aufweist, welcher ebenfalls mit Kühlmittelleitungen 8 und gegebenenfalls mit Heizleitungen 9 versehen ist. Statt des Dorns 13 könnte alternativ auch eine ebenfalls bekannte Brückenmatrize vorgesehen sein. Auch diese könnte mit Kühlmittelleitungen 8 und gegebenenfalls mit Heizleitungen 9 versehen sein.
In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann auch vorgesehen sein, daß die Kühlmittelleitungen 8 in den Bereichen 11 mit größerer Wandstärke d1 einen größeren Durchmesser aufweisen als die Kühlmittelleitungen 8 in den Bereichen 12 mit geringerer Wandstärke d2. Auch eine Anpassung des Volumenstroms in den Kühlmittelleitungen 8 bzw. den Heizleitungen 9 an die notwendige Kühlung des Werkstücks 5 ist möglich.
Durch die beiden beschriebenen Anordnungen werden die Bereiche 11 des Werkstücks 5 mit der größeren Wandstärke d1 stärker gekühlt als die Bereiche 12 des Werkstücks 5 mit der geringerer Wandstärke d2. Durch die sich am unteren Rand des Formwerkzeuges 4 ergebende gleichmäßig erstarrende Schicht des Werkstücks 5 können durch das Formwerkzeug 4 Werkstücke 5 mit beliebigem Querschnitt hergestellt werden, insbesondere mit unterschiedlichen, sich über den Querschnitt verändernden Wandstärken und mit zumindest einem Hohlraum in ihrem Innenbereich.
Fig. 3 zeigt eine weiteres Ausführungsbeispiel des Formwerkzeugs 4 mit Kühlmittelleitungen 8, welches hier verschiedene Höhen bzw. Längen aufweist, um die unterschiedlichen Erstarrungszeiten durch die unterschiedlichen Wandstärken d1 und d2 des Werkstücks 5 zu berücksichtigen. Aus Übersichtlichkeitsgründen ist der Hohlraum 10 und der Dorn 13 des Formwerkzeugs 4 in Fig. 3 nicht dargestellt. In den Bereichen 11 (nicht dargestellt) mit der größeren Wandstärke d1 des herzustellenden Werkstücks 5 weist das Formwerkzeug 4 eine größere Höhe h1 auf als in den Bereichen 12 mit der geringeren Wandstärke d2, wo das Formwerkzeug 4 lediglich die Höhe h2 aufweist. In den Bereichen 12 mit niedrigerer Höhe h2 ist in der Einfülleinrichtung 3 ein Einfließbereich 14 vorgesehen, dessen Höhe h3 der Differenz zwischen der Höhe h1 der höheren Bereiche 11 und der Höhe h2 der flacheren Bereiche 12 entspricht.
Bei Werkstücken 5 mit sehr komplizierten Querschnitten können sich selbstverständlich noch weitere Höhendifferenzen der entsprechenden Bereiche ergeben, so daß letztendlich ein Formwerkzeug 4 mit einer vollständig an das Werkstück 5 angepaßten Kontur entsteht.
In den Bereichen 11 ergibt sich somit eine stärkere Kühlung durch die Kühlmittelleitungen 8 als in den Bereichen 12, die aufgrund ihrer geringen Höhe h2 auch kürzere Kühlmittelleitungen 8 aufweisen.
Somit ist auch durch dieses Formwerkzeug 4 die Herstellung von Werkstücken 5 mit beliebigen Querschnitten durch Stranggießen möglich, und es muß nicht wie bisher ein zusätzlicher Arbeitsschritt, nämlich das Strangpressen, durchgeführt werden.
Selbstverständlich ist es auch möglich, sowohl unterschiedliche Höhen des Formwerkzeugs 4 als auch die oben beschriebene Verteilung der Kühlmittelleitungen 8 und der Heizleitungen 9 miteinander in einem Formwerkzeug 4 zu kombinieren.