DE1811295A1

DE1811295A1 - Form zur Verwendung bei kontinuierlichem Metallgiessen und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE1811295A1
Application number: DE19681811295
Authority: DE
Inventors: Robert King
Original assignee: Imperial Metal Industries Kynoch Ltd
Current assignee: Imperial Metal Industries Kynoch Ltd
Priority date: 1967-11-27
Filing date: 1968-11-27
Publication date: 1969-06-19
Also published as: SE336201B; GB1199423A; CH491701A

Description

Form zur Verwendung bei kontinuierlichem Metallgießen und Verfahren zu deren Herstellung Die Erfindung bezieht sich auf das Gießen von Metall und insbesondere auf eine Vorrichtung und Verfahren zu deren Herstellung für das kontinuierliche Gießen von Bändern, Barren und Blechen von Metallen und metallischen Legierungen.
Beim kontinuierlichen Gießen von Metallen wird geschmolzenes Metall kontinuierlich aus einem Vorratsofen oder Tiegel in ein Ende einer Form eingeführt und das Metall wird> während es sie passiert, mindestens teilweiseein der Form verfestigt, bevor es vom anderen Ende der Form kontinuierlich abgezogen wirt.
Es ist bekannt, zum kontinuierlichen Gießen eine aus Graphit hergestellte Porm zu verwenden, die in einer wassergekühlten MetallmantelstUtze enthalten ist. Insbesondere wird Graphit auf dem Gebiet des Nicht-Eisen-Metallgießens angewendet, da er gegen die meisten Nicht-Eisen-Metalle und Legierungen inert ist dund die nützliche Eigenschaft hat, selbst zu schmieren. Außerdem ist Graphit leicht bearbeitbar. Jedoch bestehen Beschränkungen der Verwendung; nach einer begrenzten Betriebsdauer ist ein Formaustausch erforderlich, so daß ein wirklich kontinuierliches Gießen nicht erzielt wird.
Es scheint, daß die Beschränkung von Graphit von seiner Porosität herrUhrt;selbst wenn sehr dichter Graphit verwendet wird ist er dennoch porös, so daß dann-, wenn eine Graphitform beim kontinuierllchen Gießen einer einen flüchtigen Bestandteil enthaltenden Legierung verwendet wird, dieser Bestandteil zum Teil aus dem geschmolzenen und gerade verfestigten Metall destilliert und in die Poren des Graphits kondensiert wird. Dann wachsen Whiskers bzw. Haarkristalle des flüchtigen Bestandteils in den und durch die Poren und kommen eventuell mit dem beißen Gußmetall in Berührung und schmelzen an dieses an. Wena dies eintritt, führt es zum Reißen der FormoberflAche, worauf sich Kerben auf der Oberfläche des Gußmetalls und damit raube und technisch nicht verwendbare Produkte ergeben. Ferner liefert die rauhe Formoberfläche einen größeren Widerstand gegen das Augrlshen des Gußmetalls aus der Form und führt unter Umständen zu einem Heiß -bruch des Formlings.
Eine derartige Erscheinung tritt z.B, beim kontinuierlichen Gießen eines Nickel-Silber-Stabes (Kupfer/Zink/ Nickel-Legierung) auf, wobei der bti der Guqtemperatur einen hohen Dampfdruck aufweisende Zinkanteil zum Teil aus der Legierung destilliert, in den Poren des Graphits kondensiert und danach mit dem Nickel-Silber-Gußstab verschweißt wird was zum Reißen der Formoberfläche führt.
Gemäß > einem Ziel der Erfindung besitzt eine beim kontinuierlichen Gießen von Metall und metallischen Legierungen zu verwendende Form einq eine Formoberfläche schaffende feuerfeste Materialschicht, wobei die Schicht in inniger Berührung mit der inneren Oberfläche einer thermisch leitenden Stütze steht und von dieser getragen wird und mindestens die Formoberfläche der Schicht nicht porös ist.
Der Begriff thermisch leitend bedeutet, sowie er gemäß der Erfindung verwendet wird, daß der betrachtete Gegenstand Wärme mit einer Geschwindigkeit Ubertragen kann, dia etwa der von Eisen und Graphit bei den Arbeitstemperaturen der Form entspricht oder größer ist.
Die Schicht aus feuerfestem Material für die Form umfaßt vorzugsweisö Aluminiumoxyd (d.h. A1203), obgleich zusätzlich zur Schaffung einer nicht porösen Oberfläche andere metallische und nicht metallische feuerfeste Materialien verwendet werden können, die eine ausreichenden anzustrebende mechanische Bindung zwischen der Schicht und der Stütze zum Stützen der Schicht ermöglichen und die gegenüber dem Gußmatertal inert sind z.B. Zirkontriborid, Molybdän, Siliciumcarbid und Wolframcarbid.
Die Form kann eine Schicht aus feuerfestem Material, die auf eine Stütze gelegt worden ist, oder alternativ einer Stütze umfassen, die auf eine Schicht aus feuerfestem Mater tal gelegt worden tst.
Die Stütze kann Eisen- oder Nichteisen -Materialien umfassen, wobei letztere insbesondere für Formen geeignet sind, bei denen hohe thermische Leiteigenschaften gefordert werden,sofern die Materialien adäquate physikalische Eigenschaften wie z.B. Zug- und Druckfestigkeit und Bruchzähigkeit besitzen. Eisenstützen machen es möglich, die feuerfeste Schicht bei hoher Temperatur unmittelbar auf ihnen abzusetzen. Obwohl dies mit einigen Nichteisen--Stützen möglich sein kann, kann eine Form im Fall von Stütze materialienf die den hohen Temperaturen eins Absetzung des gewünschten feuerest'efl Materials nicht widerstehen, eine doppelte Schicht aus feuerfestem Material besitzen, das aus einem Vorbelag eines ersten feuerfesten Materials besteht, das bei einer ersten hohen Temperatur auf einer Stütze abgesetzt wurde, und an einem darauffolgenden zweiten Belag eines zweiten feuerfesten Materials, das bei einer höheren Temperatur als die erste hohe Temperatur auf dem ersten feuerfesten Material zur Schaffung einer nicht porösen Pormoberfläche abgesetzt wird.
Gemäß einem weiteren Ziel der Erfindung besteht ein Verfahren zur Herstellung einer Form für das kontinuierliche Gießen von Metall oder Metallegierungen darin, daß man zur Bildung einer Formoberfläche eine Schicht aus feuerfestem Material vorsieht, die in inniger Berührung mit der inneren Oberfläche einer thermisch leitenden Stütze steht und von dieser getragen wird, wobei mindestens die Formoberfläche der Schicht nicht porös ist.
Bei einer Ausfllhrungsform gemäß der Erfindung besteht das Verfahren darin, daß man bei hoher Temperatur eine Schicht aus feuerfestem Material auf einer Oberfläche einer thermisch leitenden Stütze und in ipfliger Berührung mit dieser aufbringt.
Der Begriff "hohe Temperatur" soll eine Temperatur bedeuten, bei der das abgesetzte Material geschmolzen ist, so daß das Auftreffen des Materials auf etne relativ kalte Oberfläche eines zweiten Materials zu einer innigen Verbindung des abgese't;ten Materials mit der Oberfläche führt.
Bei einer anderen AusfUhrungsform der Erfindung be steht das Verfahren darin, daß man rund um eine äußere periphere Oberfläche einer vorgeformten inneren feuerfesten Schicht und in inniger Berührung mit dieser eine Stütze aus, einem thermisch leitenden Material absetzt. Die feuerfeste Schicht kann zweckmäßig anfangs auf einem Dorn angeordnet sein.
Der Dorn kann durch maschinelle oder durch chemische Mittel oder durch eine Kombination maschineller und chemischer Mittel von der Form entfernt werden.
Ein zweckmEßiges Verfahren zum Absetzen oder Abscheiden des feuerfesten Materials oder des Stützmaterials kann nach der Lage des Falls eine Plasmabogenabscheidung sein, jedoch können andere geeignete Abscheidungsarbeitsweisen angewendet werden.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellte Form.
Ein weiteres Probleme das beim kontinuierlichen Giessen von Metallen auftrlet, ist das Anordnen und Kontrollieren der Flüssigkeit-Feststoff-Grenzschicht in der Form. Für eine wirksame Arbeitsweise eines kontinuierlichen Gleßverfahrens ist es bevorzugt, daß die Grenzschicht in einem Abschnitt der Form . liegt, der von dem Kühlmedium umgeben ist. Jedoch wird üblicherweise Graphit für das vom Vorratsofen zur Form führende Rohr verwendet, so daß, da Graphit ein guter Wärmeleiter ist, eine betrSchtliche Wärmemenge infolge Leitung durch die Rohrwandung aus dem geschmolzenen Metall abgeleitet wird, wenn es sich durch das Rohr vom Vorratsofen zur Form bewegt. Demgemäß ist es chwierigt genau den Ort der Flilssig-Feststoff-Grenzschicht einzustellen.
Demgemäß ist eine vorstehend beschriebene Form zur Verwendung beim kontinuierlichen Gießen von Metallen und Metallegierungen mit einem Rohr zum Leiten von flüssigem Metall von einem Vorratsofen zur Form versehen, wobei das Rohr zumindest an seiner inneren Oberflache ein feuerfestes, Material sufweist und eine lEnggerichtetc Verlängerung der Schicht aus feuerfestes Material der Form ist.
Für das Rohr geeignete feuerfeste Materialien sind Aluminiumoxyd und Zirkondioxyd Das Rohr kann mit einem Endabschnitt der feuerfesten Schicht der Form verbunden sein, oder das Rohr kann als eine längsgerichtete Verlängerung der feuerfesten Schicht der Form ausgebildet sein. Im letzten Fall kann das Rohr eine äußere Schale aus feuer festem Material aufselsen, die mit der äußeren Umfangsfläche der Verlingerung verbunden ist.
Zum besseren Verständnis der Erfindung werden zwei Ausführungsformen als Beispiele anhand von Zeichnungen näher beschrieben.
Fig.'1 ist ein axialer Querschnitt durch eine Form gemäß einer ersten Ausführungsform neben ihrem zugeordneten Vorratsofen; Fig. 2 ist ein axialer Querschnitt durch eine Form gemäß einer zweiten Ausführungsform neben ihrem zugeordneten Vorratsofen.
Mit, Bezug auf Fig. I der Zeichnung besitzt beim kontinuiorlichen Gießen einer Nickel-Silber-Legierung mit 12% Nickel, 26Z Zink und 62Z Kupfer eine allgemein mit der Bezugsziffer 1 bezeichnete Form einen Formblock 2'aus Kupfer1 der mit Kanälen 3 für den Durchfluß von Kühlwasser versehen ist.
Der Formblock hat eine verjüngte Bohrung 4, die eine tubusförmige Stütze 5 aus Flußstahl aufnimmt, deren Peripherieentsprechend verjüngt ist, um sich der Bohrung 4 anzupassen.
Die Stütze ist aus zwei Hälften gebildet, die sich entlang einer diametralen Ebene 6 berühren Ein Ende der Bohrung 7 der tubusförmigen Stütze 5 ist bei 8 mit einem Absatz versehen und der ganze Oberflächenbereich der Bohrung, des Absatzes und der dem Absatz benachbarten Endfläche der Stütze ist mit einer Schicht 9 aus Aluminiumoxyd versehen. Diese Schicht wird zweckmäßigerweise durch Abscheidung des Aluminiumoxyds auf der halbkreisförmigen inneren Oberfläche jeder Hälfte der Stütze 5 durch einen Plasmabogenbrenner aufgebracht. Bei jeder bestimmten Anwendung kann die zur Schaffung einer letztlich nicht porösen Endoberfläche erforderliche Belagstärke mit einer einfachen Untersuchung durch Abscheidungsfachleute bestimmt werden, da sie z.B. von der Teilchengeschwindigkeit der Spritzpistole abhängt. Bei einem typischen Bohrungsdurchmesser von 19 mm (3/4 engl. Zoll) wird eine erste Abscheidung von etwa 0,4610,51 mm (0,018/0,020 engl.
Zoll) auf jeder Hälfte der Stütze 5 erforderlich; danach werden die Hälften zusammengebracht und die Bohrung wird nachgeschiffen, so daß eine etwa 0,25/0;30 mm (0,010/0,012 engl.
Zoll) dicke Schicht mit einer nicht porösen und glatten Oberfläche bleibt.
Um die geschmolzene Nickel-Silber-Legierung aus einem Vorratsofen 11 in die Form I zu leiten, wird ein Rohr 12 aus einem Gemisch aus Aluminiumoxyd mit einer Zugabe von 10% einer 85%igen ortho-Phosphorsäure (H3PO4 fgegossen. Das Rohr wird in einer Stahl form gebildet und 24 Stunden lang bei 4000C gehärtet und anschließend bei 1700ob zur Bildung der Cristobalittyp-Struktur gebrannt, die bei den Arbeitstemperaturen beim Gießen von Nickel-Sllber hart und ausreichend stabil ist.
Das Au*trltt6ende 13 des Rohres 12 hat einen Zapfen 14 mit einem kleineren Durchmesser als der beschichtete Absatz 8 der Stütze 5. Am inneren End des Zapfens ist ein mit diesem aus einem Stück bestehenden, sich radial nach außen erstreckender Flansch 15 zur Bildung einer Anschlagfläche 16 ausgebildet.
Das Rohr 12 ist in einem Graphitblock 17 befestigt und ragt aus ihm hervor, wobei er an einer Wandung des Ofens II angebracht ist.
Um die Form 1 mit dem Rohr 12 zu verbinden, wird der beschichtete Absatz 8 über dem Zapfen 14 angeordnet und mit diesem verklebt, so daß die Bohrungen des Rohres und der Form konzentrisch zueinander sind und das mit einer Aluminiumoxydschicht versehene Ende der Stütze an der Fläche 16 des Rohres anliegt. Ein für den Zweck geeignetes Bindemittel 18 besteht aus einer feinen Aufschlämmung aus Aluminiumoxyd und Phosphorsäure, die durch Aushärten bei 400°C eine ausreichende Rohbindungsfestigkeit liefert. Das Aushärten wird zweckmäßigerweise durch Einsetzen einer kleinen elektrischen Widerstandsheizvorrichtung in das entsprechende Ende der Form bewirkt. Nach Zusammensetzen des Rohres 12 und der Form 1 und Aushärten des Bindemittels 18 wird die Verbindung gegläetet und poliert, so daß kein übermäßiger Widerstand gegen den Legierungsabzug während des Gießens auftreten kann.
Bei der Verwendung der Form und des Rohres gemäß der Erfindung tritt nach Abziehen eines ersten Barrens aus der Form eine geschmolzene Nickel-Silber-Legierung aus dem Vorratsofen II durch das Rohr 12 in die Form 1, wo sie verfestigt und kontinuierlich in Stabform abgezogen wird.
Durch die Aluminiumoxydschicht 9 auf der Bohrungsoberfliche der Form wird eine glatte nicht poröse Formobetfllche erhalten, wodurch Absorption von Bestandteilen der gegossenen Legierung vermieden wird. Dementsprechend werden glatte Formlinge hergestellt, die ihrem Abzug aus der Form wenig Widerstand entgegensetzen.
Ferner ist die feuerfeste Schicht thermisch stabil und widersteht der erosiven Einwirkung der geschmolzenen Legierung. Da die Schicht im Vergleich mit dem gesamten Formquerschnitt dünn ist, wird die Wärmeableitung aus der. Flüssigkeit und den Gußmetall nicht beeinträchtigt., Aufgrund der Verwendung von nicht porösen feuerfesten Beschichtungen werden die Betriebszeiten zwischen dem Formaustausch beträchtlich gegenüber der derzettigen msis gert und es wird ein wirklich kontinuierliches Gießen erzielt.
Die Verwendung eines feuerfesten die geschmolzene Legierung vom Vorratsofen zur Form leitenden Rohres vermindert darüber hinaus die Wärmemenge, die vom Ofen entlang der Rohrwandung zur Form und Kühlflüssigkeit abgezogen wird. Demgemäß kann eine bessere Kontrolle über die Lage der Feststoff-Flüssigkeit-Grenzschicht der erstarrenden Legierung in der Form ausgeübt werden. Die bevorzugte Lage der Grenzschicht befindet sich nahe dem Einlaßende der Form, und diese Lage kann durch überwachen der Streuung und Temperatur des Einlaßkühlmittels genau reguliert werden.
Bei einer zweiten in Fig. 2 dargestellten AusfUhrungsform ist auf einem Aluminiumdorn 20 mit einem Durchmesser, der gleich dem der gewünschten Bohrung der Form 21 ist, eine Aluminiumoxydschicht 22 gleichförmiger Stärke abgeschieden. Der Belag wird durch Plasmabogenarbeltsweise abgeschieden. Eine typische Stärke des Belags 22 beträgt- 0,51 mm (0,020 engl. Zoll) auf einem Dorn mit einem Durchmesser von 19 mm (3/4 engl. Zoll).
Die Länge der Schicht ist ausreichend, um sich der Länge der Form 21 und der Länge des feuerfesten Mantels 23 anzupassen.
Der Mantel 23 hat die gleiche Zusammensetzung und allgemeine Ausbildung wie das Rohr 12 des ersten Ausführungsbeispiels und umfaßt einen Zapfen 24 und einen Flansch 25, der eine kreisförmige Anlagefläche 26 aufweist. Der Mantel 23 ist in seiner richtigen, in'Fig. 2 gezeigten Lage mit der Schicht 22 verbunde, so daß der Mantel und sein zugeordneter Schichtabschnitt 22 ein zusammengesetztes Rohr 27 bilden.
E8 wird eine tubusförmige Stütze 28 rund um die periphere Oberfläche des restlichen Abschnitts der vorgeformten Schicht 22 und ferner huber dem Zapfen 24 geschaffen, indem Kupfer aufgespritzt wird, bis eine ausreichende Stärke von üblicherweise 6 mm (1/4 engl. Zoll) abgeschieden worden list, um die Stütze anschließend zur Schaffung einer verjüngten AußenflAche bearbeiten zu können. Der Verjüngungsgrad ist zum Anordnen der Stütze in einer verjüngten Bohrung 29 des mit Kanälen 31 für durchströmendes Kühlmittel versehenen Formblocks 30 aus Kupfer geeignet. Die Stütze 28 wird bei dieser Anordnung gleichzeitig mit der Bildung der Stütze fest und ganz mit dem Mantel 23 verbunden. Nach Bearbeitung der Stütze wird der Dorn 20 durch axiales Durchbohren des Dorns entfernt, wobei eine Wandstärke von etwa 0>25 mm (0,010 engl.
Zoll) verbleibt, und anschließend durch Auf lösen dieser Aluminiumwandung einer Stärke von 0,25 mm (0,010 engl. Zoll) mit z.B. Xtznatron, um die glatte Bohrung der Aluminiumoxydschicht 22 freizulegen.
Das beim zweiten AusführunRsbeispiel beschriebene Herstellungsverfahren vermeidet die Längsverbindung lange der bei der Herstellung des ersten Ausführungsbeispiels gebildeten Form. Außerdem schafft die Herstellung des zweiten Ausführungsbeispiels eine durchgehende glatte Bohrung längs der gesamten Länge des Rohres 27 und der Form 21.
Bei Abwandlungen der Ausführungsbeispiele besitzt die Aluminiumoxydschicht 9 bzw. 22 einen konstanten Bohrungs--durchmesser, sie kann sich Jedoch bezüglich ihres axialen Querschnitts in Richtung auf das Austrittsende der Form zur Verbesserung der Abkühlungseigenschaften verjüngen.
Das Rohr 12 bzw. 27 kann durch Eingliedern von sich darin in Längsrichtung erstreckenden Stäben von geringen thermischen Ausdehnungseigenschaften z.B. aus invar@ , einer Nickel-Eisen-Legierung der Zusammensetzung 36% Nickel, 0,5Z Kohlenstoff, 0,5% Mangan, Rest Eisen, verstärkt sein.
Ferner kann das Rohr 27 durch Wickeln von feuerfestem Tuch oder Band zur gewünschten Form hergestellt sein.
Anstelle Aufsprühens der Gesamtstärke des Kupferträgers kann zur Erzielung elektrischer Leitfähigkeit zuerst eine dünne Abscheidung auf die Aluminiumoxydschicht aufgesprüht und danach der Rest des Kupferträgers durch elektrolytische Abscheidung aufgetragen werden. Im Fall unmittelbar gekühlter Formen kann es vorteilhaft sein, die gesamte Stärke der Stütze durch elektrolytische Abscheidung zu bilden.

Claims

Patent ansprüche

1. Forn zur Verwendung beim kontinuierlichen Giessen von Metall und Metallegierungen, dadurch gekennzeichnet daß die Form (1,21) eine eine Formoberfläche bildende Schicht (9,22) aus feuerfestem Material aufweist, wobei die Schicht durch die innere Oberfläche einer thermisch leitenden Stütze (5,28) getragen wird und mit dieser in inniger Berührung steht und mindestens die Formoberfläche der Schicht (9,22) nicht porös ist.

2. Form nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (9, 22) aus feuerfestem Material aus wenig SSnA einem Material der Gruppe Aluminiumoxyd, ZirkontribS> rid, Molybdän, Siliciumcarbid und Wolframcarbid gebildet ist.

3. Form nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (9, 22) aus feuerfestem Material auf dem Stütze (5, 28) abgeschieden ist.

4. Form nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (9, 22) aus feuerfestem Material eine Doppelschicht umfaßt.

5. Form nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stütze auf der Schicht aus feuerfestem Material abgeschieden ist.

6. Form nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Rohr zum Leiten flüssigen Metalls aus einem Vorratsofen zur Form, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (12, 27) mindestens an seiner inneren Oberfläche ein feuerfestes Material aufweist und eine längsgerichtete Verlängerung der Schicht (9, 22) des feuerfesten Materials der Form (1, 21) ist.

7. Verfahren zur Herstellung einer Form zum kontinuierlichen Gießen von Metallen oder Metallegierungen, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Bildung einer Formoberfläche eine durch die innere Oberfläche einer thermisch leitenden Stütze (5, 28) getragene und mi.t dieser in inniger Berührung stehende Schicht (9, 22) aus feuerfestem Material bildet.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man die Schicht (19, -22) aus feuerfestem Material bei hoher Temperatur auf der Oberfläche der thermisch leitenden Stütze (5:, 28) abscheidet und mit dieser in innige Berührung bringt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Schaffung einer Doppelschicht aus feuerfestem Material und einer nicht porösen Formoberfläche eine erste Schicht eines ersten feuerfesten Materials bei einer ersten hohen Temperatur auf der Stütze (5, 28) und eine zweite Schicht eines zweiten feuerfesten Materials auf der ersten Schicht bei einer Temperatur abscheidet, die höher als die erste hohe Temperatur ist.

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man die Stütze (5, 28) aus thermisch leitendem Material rund um eine äußere periphere Oberfläche einer vorgeformten inneren feuerfesten Schicht (9, 22) und in inniger Berührung mit dieser abscheidet.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß man die innere feuerfeste Schicht auf einem Dorn (20) durch Abscheiden von feuerfestem Material auf der peripheren Oberfläche des Dorns bei hoher Temperatur vorformt und anschließend den Dorn entfernt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß man die Materialabscheidung durch Plasmabogenarbeitaweise durchfUhrt.

13. Verfahren zur Herstellung einer Form nach Anspruch 10 oder 11, und zum Ausrüsten der Form mit einem Rohr für das Leiten von flüssigem Metall von einem Vorratsofen in der Form, dadurch gekennzeichnet, daß man eine längsgerichtete Verlängerung der vorgeformten Schicht (9, 22) aus feuerfestem Material bildet und rund um die längsgerichtete Verlängerung und in inniger Berührung mit dieser einen Mantel (23) des Rohrs(27) abscheidet.

L e e r s e i t e