[0001] Die Erfindung betrifft eine Heißkopfkokille für eine Stranggießanlage bestehend aus
einem Heißkopf, der auf der Oberseite eines Trennmittelverteilers aufliegt und diesen
mit seiner Unterseite gegen die Oberfläche einer Kokille drückt, wobei an der radial
innenliegenden Fläche des Heißkopfes ein Überhang ausgebildet ist, der über den Trennmittelverteiler
in Strangabzugsrichtung hinausragt und mit der Kokillenlauffläche einen Ringspalt
bildet,
[0002] Eine Heißkopfkokille der eingangs genannten Art ist aus der EP 0566 865 (VAW) bekannt,
über den Trennmittelverteiler gelangt Trennmittel zur Oberfläche des Gussstranges,
wobei auch zwei verschiedene Trennmittel separat oder als Trennmittelgemisch von zum
Beispiel flüssigem Trennöl und gasförmigem Trennmedium zugeführt werden können. Es
wurde bereits erkannt, daß es besonders günstig ist, wenn das Öl-Gasgemisch erst im
Bereich der Kokille gebildet wird.
[0003] Nach wie vor bestehen aber Probleme hinsichtlich der Gießbarkeit von sogenannten
schwer gießbaren Legierungen, da hier die Oberflächengüte oftmals nicht ausreichend
ist. Dies trifft insbesondere für die Blei-, Zink-, Zinn- und Kupferhaltigen Aluminiumlegierungen
zu. Diese haben in letzter Zeit an Bedeutung zugenommen für die Herstellung von Sonderlegierungen
und Automatenlegierungen, die bei hoher Schnittgeschwindigkeit eingesetzt werden sollen.
[0004] Ein anderes Problem ist die genaue Steuerung des Gasdruckes, der ausschlaggebend
dafür ist, ob das Trennmittel die gesamte Oberfläche des Metallstranges erreicht.
Bei Druckschwankungen kann es leicht zu Oberflächenfehlern kommen und bei zu hohem
Druck besteht die Gefahr, daß Gas über das flüssige Metall entweicht.
[0005] Zur Lösung dieses Problems wird in der US-Patentschrift 4 732 209 (Pechiney) vorgeschlagen,
einen Graphitring an der Kokilleninnenseite zu verwenden, dessen Porosität so eingestellt
ist, daß ein unter Druck stehendes Gas von außen durch die offenen Poren des Graphitmaterials
bis an die Innenseite der Kokille gedrückt wird und dort als Trennmittel zwischen
der Oberfläche des entstehenden Metall Stranges und der Kokillenlauffläche wirkt.
Nach unseren Erfahrungen können aber hiermit nicht die Probleme beim Herstellen von
schwergießbaren Legierungen gelöst werden.
[0006] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Heißkopfkokille der eingangs genannten
Art derart weiterzuentwickeln, dass damit verschiedene Legierungstypen, insbesondere
auch schwergießbare Legierungen mit befriedigender Oberflächenqualität hergestellt
werden können. Zur Lösung wird vorgeschlagen, dass:
a) der Heißkopf 1a, 1b von einem Außenring 4 gehalten wird, der an der Kokille 3 lösbar
befestigt ist,
b) dass die Kokille 3 zur Kokilleninnenfläche hin einen Funktionsring 5 umschließt,
dessen Oberseiten eine Funktionsfläche mit dem Trennmittelverteiler 2 bildet,
c) und dass der Trennmittelverteiler 2 aus einer beidseitig mit Radialkanälen durchzogenen
Platine besteht, wobei die Kanalquerschnitte zwischen Ober- und Unterseite sich verhalten
wie 1:3 bis 1:5.
[0007] Gemäß Merkmal a) ist die neue Heißkopfkokille aus mehreren Ringen aufgebaut die sich
leicht demontieren und zusammensetzten lassen. Dadurch ist es möglich verschiedene
Trennmittelverteiler und Funktionsringe je nach gewünschtem Legierungstyp schnell
auszuwechseln.
[0008] Gemäß Merkmal b) besteht die Erfindung in der Anwendung eines Funktionsringes 5 mit
Funktionsflächen zum Trennmittelverteiler und zur Kokillenlauffläche hin. Die Funktionsflächen
bilden Wandseiten mit definierter Rauhigkeit für die durch den Trennmittelverteiler
geformten Kanäle, wobei es hier besonders günstig ist, wenn die Funktionsfläche eine
Wandseite für den Flüssigkeitsführenden Kanalquerschnitt bildet. Es hat sich nämlich
gezeigt, dass mit einer genau eingestellten Oberflächenrauhigkeit und -temperatur
der Funktionsflächen eine definierte Viskositätsänderung des flüssigen Trennmittels
zur Erzeugung einer stabilen Schaumlage erreicht werden kann.
[0009] Gemäß Merkmal c) kommt es bei dem Trennmittelverteiler auf das Verhältnis der Kanalquerschnitte
zur Regelung der Zusammensetzung des Trennmittelgemisches an. Durch Kombination der
Merkmale b) und c) kann eine Schaumbildung erreicht werden, die als hochviskoses Trennmittel
besonders wirksam ist und insbesondere bei schwer gießbaren Legierungen eine sehr
gute Oberflächenqualität ermöglicht.
[0010] Gemäß Anspruch 5 wird vorgeschlagen, oberhalb des Heißkopfes 1a, 1b einen Klemmring
6 anzuordnen, mit dem der Heißkopf 1a, 1b, der Trennmittelverteiler 2 und die Kokille
3 verspannt werden können. Nach Lösen des Klemmringes 6 und des Außenringes 4 können
der Tennmittelverteiler 2 und Funktionsring 5 leicht ausgetauscht werden. Damit ist
eine Anpassung der für die Schaumbildung verantwortlichen Oberflächen- und Kanalquer-schnitte
leicht möglich.
[0011] Gemäß Anspruch 6 ist es vorteilhaft, wenn für den Funktionsring 5 eine definierte,
geschlossene Porosität und eine spezifische Dichte innerhalb enger Grenzen gewählt
wird. Zusätzliche Verbesserungen in der Stabilität des Trennmittelschaums konnten
durch weitere Versuche erzielt werden, wobei eine Kühlung des Funktionsringes 5 vorgenommen
wurde, um die Viscositätseigenschaften an den Funktionsflächen konstant zu halten.
Aufbau und Wirkungsweise der Funktionsflächen und der Kühlung wird in den nachfolgenden
Ausführungsbeispielen näher erläutert.
[0012] Wie bereits oben dargestellt, wird der Trennmittelverteiler 2 auf der Oberseite 2a
bevorzugt für die Ausbildung von gasführenden Kanälen und auf der Unterseite 2b für
ein flüssiges Trennmittel verwendet. Die Kanäle müssen mit sehr hoher Präzision gefertigt
werden, was beispielsweise durch Laserbearbeitung oder durch einen chemischen Ätzvorgang
erreichbar ist.
[0013] Gemäß Anspruch 8 kommt es für den Luftanteil im Trennmittelschaum auch auf die Querschnittform
der radialen Kanäle des Trennmittelverteilers und auf das Flächenverhältnis der Kanäle
zur Ausbildung eines gleichmäßig über den Umfang verteilten Trennmittelschaumes an.
Unter diesen Verhältnissen wird das Trennmittel besonders feinzellig und damit tragfähig
ausgebildet, sodass die flüssige Komponente des Trennmittels reduziert werden kann.
[0014] Die bereits erwähnte Kühlung des Funktionsringes 5 erfolgt gemäß Anspruch 9 bevorzugt
dadurch, dass in der Kokille 3 Kühlkanäle angeordnet sind, die bis in den Bereich
des Funktionsringes reichen. In dieser Primärkühlzone wird eine Temperatur für die
optimale Wirkung des Trennmittels eingestellt. In der anschließenden Sekundar-Kühlzone
ist für eine schnelle Wärmeabfuhr gesorgt, da die Kühlkanäle hier in Strangabzugsrichtung
verlaufen und in eine Schlitzsdüse münden. Hier wird der Druck des Kühlmittels abgebaut,
so daß sich das Kühlmedium an den Aluminiumstrang anlegt und diesen so weiter abkühlt.
[0015] Im Folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
[0016]
- Figur I
- Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen Heißkopfkopf-kokille in Explosions-Darstellung
- Figur 2
- Darstellung der erfindungsgemäßen Heißkopfkokille beim Stranggießen (Prinzipbild)
[0017] In der Gesamtdarstellung nach Figur I sind folgende Systemteile der entndungsgemäßen
Heißkopfkokille angegeben, die ineinander gefügt sind:
- 1a
- Heißkopf
- 1b
- Heißkopf
- 2
- Trennmittelverteiler
- 2a
- Oberseite
- 2b
- Unterseite
- 3
- Kokille
- 3a
- Oberfläche
- 4
- Außenring
- 5
- Funktionsring
- 6
- Klemmring
- 7
- Aktivatorring
- 8
- Bodenteil
- 9
- Druckblech
- 10
- Metallstrang
- 11
- Ringspalt
- 12
- Trennmittelschaum
- 13
- -
- 14
- Ringspalt
- 15
- Kühlkanäle
- 16
- Schaumlage
[0018] Wie aus den Patentansprüchen hervorgeht ist die Ausbildung bestimmter Funktionsflächen
von entscheidender Bedeutung für die Bildung eines stabilen Trennmittelschaums. Die
Funktionsflächen befinden sich oberhalb und unterhalb des Trennmittelverteilers sowie
auf der Innenseite des Funktionsringes 5. Dieser steht mit den Kanälen des Trennmittelverteilers
2 in unmittelbarem Kontakt und wirkt bei der Entstehung des Schaumes mit.
[0019] Als Neuerung und Ergänzung der Funktionsflächen wird ein Aktivatorring 7 eingeführt,
der aus verschiedenen Materialien hergestellt werden kann. Der Aktivatorring 7 liegt
zwischen dem Außenring 4 und der Oberseite 2a des Trennmittelverteilers 2. Er deckt
damit die in dem Trennmittelverteiler 2 eingearbeiteten Kanäle nach oben hin ab. Seine
Rauhigkeitswerte weichen von denen des Heißkopfes 1b ab und können auf die jeweiligen
Anforderungen an das Trennmittel eingestellt werden. Gleichzeitig kann damit der Wärmeübergang
des unterhalb des Heißkopfes lb liegenden Trennmittelverteilers 2 gesteuert werden.
[0020] Eine Kokille 3 wird durch einen Außenring 4 und einen Funktionsring 5 ergänzt. Über
einen Klemmring 6 werden die Systemteile unter Einschluß eines Aktivatorrings 7 zusammengefügt.
Komplettiert wird die Kokille 3 durch ein Bodenteil 8 und Druckblech 9.
[0021] Anhand der Figur 2 soll der prinzipielle Aufbau der erfindungsgemäßen Heißkopfkokille
weiter verdeutlicht und hierbei besonders auf die Ausschnittvergrößerung unterhalb
des Überhanges des Heißkopfes lb eingegangen werden. Man erkennt einen Ringspalt 11
unterhalb des Überhanges, wobei die Seitenwände des Ringspaltes einerseits durch den
Heißkopf-Überhang und andererseits durch den inneren Radius des Trennmittelverteilers
2 sowie durch den Funktionsrings 5 gebildet werden. Bei der Einleitung von gasförmigem
und flüssigem Trennmittel innerhalb des erfindungsgemäßen Volumenverhältnisses erfolgt
die Bildung eines stabilen Trennmittelschaumes 12, der sich als eine geschlossene
Schaumlage zwischen der Kokille 3 und dem Strang 10 ausbildet.
[0022] Zunächst wird über die Oberflächenrauhigkeiten die Viskosität des Trennmittels sowohl
im Gas- als auch im Flüssigkeitsbereich gesteuert. Die Viskosität des Trennmittels
ist die wesentliche Einflußgröße bei der Schaumbildung. Darüber hinaus können Druck-
und Menge des zugefügten Gas- und Flüssigkeitsmediums gesteuert werden, sodass die
Zusammensetzung des Trennmittelschaumes innerhalb weiter Bereiche regelbar ist.
[0023] Mit dem Trennmittel kann wiederum ein gesteuerter Wärmeentzug erfolgen oder aber
eine Isolierwirkung erzeugt werden, die insbesondere bei schwer gießbaren Legierungen
von Vorteil ist.
1. Heißkopfkokille für eine Stranggießanlage bestehend aus einem Heißkopf (1a, 1 b) ,der
auf der Oberseite (2a) eines Trennmittelverteilers (2) aufliegt und diesen mit seiner
Unterseite (2b) gegen die Oberfläche (3a) einer Kokille (3) drückt, wobei an der radial
innenliegenden Fläche des Heißkopfes (1a, 1b) ein Überhang ausgebildet ist, der über
den Trennmittelverteiler (2) in Strangabzugsrichtung hinausragt und mit der Kokillenlauffläche
einen Ringspalt (11) bildet,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Heißkopf (1a, 1b) von einem Außenring (4) zentriert und gehalten wird, der an
der Kokille (3) lösbar befestigt ist,
dass die Kokille (3) zur Kokillenlauffläche hin einen Funktionsring (5) umschließt, der
zusammen mit dem Trennmittelverteiler (2) an den Oberflächen Funktionsflächen mit
einstellbaren Rauhigkeiten bildet,
und dass in den Trennmittelverteiler (2) auf der Ober- und Unterseite (2a, 2b) radiale Kanäle
eingeformt sind, wobei die Kanalquerschnitte zwischen Oberund Unterseite sich verhalten
wie 1:3 bis 1:5.
2. Heißkopfkokille nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Funktionsring (5) aus Kupfer oder Kupferlegierungen besteht.
3. Heißkopfkokille nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Funktionsring (5) aus Keramischen oder Composite Werkstoffen besteht.
4. Heißkopfkokille nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Funktionsring (5) aus Graphit besteht.
5. Heißkopfkokille nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß oberhalb des Heißkopfes (1a, 1 b) ein Klemmring (6) angeordnet ist, über den der
Heißkopf (1a, 1b), der Trennmittelverteiler (2),der Funktionsring (5) und die Kokille
(3) verspannt werden.
6. Heißkopfkokille nach dem vorhergehenden Anspruch;
dadurch gekennzeichnet,
daß der Funktionsring (5) eine geschlossene Porosität von 0-20% und eine Dichte von 1,5
- 10g/cm3 aufweist.
7. Heißkopfkokille nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet,
daß die in die Oberseite (2a) des Trennmittelverteilers (2) eingearbeiteten radialen
Kanäle an ein unter Druck stehendes Gasmedium angeschlossen sind und dass an der Unterseite
(2b) des Trennmittelverteilers (2) radiale Kanäle ausgebildet sind, die an ein unter
Druck stehendes Flüssigkeitsreservoir angeschlossen sind.
8. Heißkopfkokille nach vorhergehendem Anspruch,
dadurch gekennzeichnet,
daß die unteren radialen Kanäle des Trennmittelverteilers nach Art eines Diffusors ausgebildet
sind, wobei an der radial außenliegenden Zuleitung des Trennmittelverteilers (2) ein
etwa quadratischer Querschnitt und an der radial innenliegenden Ausgangsseite ein
rechteckförmiger Querschnitt mit einem Flächenverhältniss von mindestens I: 2 ausgebildet
ist.
9. Heißkopfkokille nach vorhergehendem Anspruch,
dadurch gekennzeichnet,
daß in der Kokille (3) Kühlkanäle (15) angeordnet sind, die bis in den Bereich unterhalb
des Trennmittelverteilers (2) und des Funktionsringes (5) reichen, wobei die Wärmeabfuhr
im Ringspalt (14) über eine in Strangabzugsrichtung austretende, vom Gas- und Flüssigkeitsmedium
erzeugte Schaumlage (16) erfolgt.
10. Heißkopfkokille nach vorhergehendem Anspruch,
dadurch gekennzeichnet,
daß der untere Teil des Heißkopfes (1b) eine um etwa das 1,5-2,0 fache vergrößerte Wärmeleitfähigkeit
gegenüber dem oberen Teil des Heißkopfes (1a) aufweist.
11. Heißkopfkokille nach vorhergehendem Anspruch,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Oberseite (2a) des Trennmittelverteilers (2) mit einem Aktivatorring (7) abgedeckt
ist.