PROCESS AND DEVICE FOR MANUFACTURING INGOTS AND CASTINGS

Abstract: 1. Process for manufacturing ingots and castings, a melt of a relatively high-melting alloy, in particular an iron-, nickel- or cobalt-based alloy, being cast by top or bottom casting in a stationary multi-part ingot mould (2) with a base plate (1), and whereupon the casting is released from the mould at the place of casting, characterized in that the casting, in the solidifying state, is released from the mould in at least two steps, in a first step, the outer skin already being solidified and the core being liquid in the lower region, this region, in particular the base of the casting, being released from the mould over its entire periphery, and a remaining part, at least the head part of the casting, remaining further in one part (8) of the ingot mould (2) until it has completely solidifed, after which the head part of the casting is released from the mould in a last step.

Description: Verfahren zur Herstellung von Block- und Form gussstücken sowie Vorrichtung zur Herstellung derselben Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Block- und Formgussstücken aus einer höher schmelzenden Legierung sowie einer Vorrtchtung zur Durchführung des Verfahrens. Legierungen stellen in flüssigem Zustand eine Lösung von verschiedenen Elementen bzw. Verbindungen ineinander dar. Je nach Temperatur der Schmelze können bereits ungelöste bzw. ausgeschiedene Feststoffe vorliegen. Die Eigenschaft einer erstarrten Legierung beruht nun nicht alleine auf ihrer chemischen Zusammensetzung, sondern - wie hinläufig bekannt - einerseits auf der Modifikation, insbesondere Kristallmodifikation und auch Grösse der einzelnen im Gefüge vorliegenden Kristalle. In der Regel wird ein Gefüge gewünscht, das möglichst feinkörnig ist, und eine möglichst gleichmässige Verteilung der chemischen Elemente bzw. Verbindungen über den gesamten Block besitzt. Diese Forderung kann aber aufgrund des Vorliegens einer Lösung, die erstarrt, nicht erfüllt werden. Je tiefer die Temperatur der Schmelze ist, die in eine Kokille gegossen wird, umso eher kann eine gleichmässige chemische und physikalische Zusammensetzung quer und entlang des Blockes erreicht werden, wobei allerdings ein Zentrumslunker entsteht, da das Material zu schnell erstarrt, und kein Nachfüllen des Materials aus dem Block selbt erfolgt. Weiters besteht die Gefahr, dass bei zu niedriger Giesstemperatur die Pfanne nur kurze Standzeiten aufweist, und dass ein Grossteil der Schmelze nicht in die Kokillen verbracht werden kann, sondern in der Pfanne verbleibt. Am vorteilhaftesten ist es, wenn eine schrittweise Erstarrung eines Blockes erfolgt, also dieser Block stufenweise aufge baut wird, wobei jedoch bestimmte Abkühlungsbedingungen zur Erreichung einer hohen Qualität erforderlich sind. Diese Forderungen sind bei dem sogenannten Elektroschlackeumschmelzverfahren verwirklicht, da dort eine z.B. wassergekühlte Kokille vorgesehen ist, welche entweder entsprechend dem Blockwachstum angehoben wird, bzw. es wird der Block bei feststehender Kokille abgesenkt, wobei über eine in einem Schlackenbad befindliche Elektrode diese abgeschmolzen wird, wobei die Metalltropfen durch die flüssige Schlacke treten, dabei gereinigt werden, und im Schmelzensumpf aufgenommen werden. Wesentlich für die Qualität eines Elektroschlackeumschmelzblockes ist die Einhaltung bestimmter Wärmezufuhrund Abfuhrparameter. Mit dem Elektroschlackeumschmelzverfahren können Blöcke höchster Qualität erreicht werden, wobei der Energieaufwand pro Gewichtseinheit Block bestimmend für den weiteren Einsatz der Blöcke ist. Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Herstellung, insbesondere grosser Blöcke besteht darin, dass in eine Kokille die Schmelze eingebracht wird, worauf auf die teilweise erstarrte Schmelze flüssige Schlacke aufgegossen wird, wobei dann über eine abschmelzende oder nicht abachmelzende Elektrode dem Block Wärme und/oder Schmelzezugeführt wird, sodass eine wesentliche Anhebung der Qualität unter im wesentlichen gleichzeitiger Vermeidung eines Kopflunkers erhalten werden kann. Der Energiebedarf ist in diesem Falle zwar wesentlich geringer als bei dem Elektroschlackeumschmelzver- fahren, jedoch da sich hier der Block während des Erstarrens in seiner Gesamtheit in einer Kokille befindet, ist die Zeitspanne, die bis zum Ausformen benötigt wird, und in welcher dem Block, wenn auch mit unterschiedlicher Menge, Energie zugeführt werden muss, noch immer unverhältnismässig lang. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zur Herstellung von Block-und Formgussstücken zu schaffen, die ein möglichst gleichförmiges Gefüge aufweisen. Weiters soll das Verfahren ermöglichen, dass die Erstarrungsrichtung des Blockes nicht ausschliesslich horizontal sondern in vertikale Richtung abgelenk#wird, d.h. die Erstarrung soll nicht nur von den Seitenflächen des Blockes zum Randinneren erfolgen. Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung von Blockund Formgussstücken, wobei eine Schmelze einer höher schmelzenden Legierung, insbesondere einer Eisen-, Nickel-, Kobalt- od. dgl. -Basislegierung im fallenden, vorzugsweise steigenden Guss in zumindest eine feststehende mehrteilige Kokille, gegebenenfalls mit Bodenplatte, vorzugsweise mit Haube gegossen wird, und worauf das Gussstück am Gussort entformt wird, besteht im wesentlichen darin, dass das Gussstück in zumindest zwei Schritten im erst teilweise erstarrten Zustand entformt wird, wobei in einem ersten Schritt bei bereits erstarrter Gusshaut und flüssigem Kern im unteren Bereich dieser Bereich, insbesondere der Fuss des Gussstückes, vollumfänglich entformt wird, und ein Restteil zumindest der Kopfteil des Gussstückes weiter in einem Teil der Kokille, gegebenenfalls mit aufgesetzter Haube, verbleibt. Durch das Entfernen des unteren Kokillenbereiches vom Gussstück, und zwar unmittelbar nach dem Guss, also zu einem Zeitpunkt, wo sich erst eine tragfähige Blockhaut gebildet hat, wobei im selben Bereich die Schmelze noch vorhanden ist, kann erreicht werden, dass der untere Bereich ohne äussere Wärmebrücke gekühlt wird, womit die Wärmeableitung so erreicht ist, dass der Block vom Fuss beginnend aufgebaut werden kann. Dadurch, dass im Inneren ein flüssiger Kern vorhanden ist, wird auch der Aufbau des Blockes von unten nach oben aufgrund des internen Wärmeaustausches wesentlich verbessert. Es sind zwar beispielsweise aus der US-PS 2 110 063 mehrteilige Kokillen bekanntgeworden, wobei der Fussteil der Kokille eine grössere Wärmekapazität aufweist als die übrigen Teile der Kokille;berücksichtigt man die beim Erstarren frei werdende Wärme, so erkennt man, dass dieses unterschiedliche Wärmeaufnehmevermögen aufgrund der unterschiedlichen Masse der Kokillenteile nur von untergeordneter Bedeutung sein kann. Im übrigen bezieht sich diese Patentschrift auf ein spezifisches Verfahren zur Entformung von Gussteilen, wobei der bereits vollständig erstarrte Block durch Abheben des oberen Kokillenteiles samt Gussstück bei feststehendem unterem Teil der Kokille entfernt wird, worauf oberer Kokillenteil samt Block verfahren wird, und durch Aufsetzen des Blockes auf eine Unterlagsplattedie restliche Entformung vorgenommen wird. Gemäss einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung wird der entformte Teil des Gussstückes mit einem Kühlmedium, insbesondere einem Luftstrahl, dem gegebenenfalls Wasser beigemengt ist, beaufschlagt. Diese Massnahme ist besonders dann von Vorteil, wenn besonders grosse Blöcke gegossen werden, und/oder mit besonders stark überhitzter Schmelze gearbeitet werden muss, sodass das Bestehen der Blockhaut sicher gewährleistet ist, wobei durch die Strömungsgeschwindigkeit bzw. Menge des beizumischenden Wassers die Kühlleistung genau reguliert werden kann. Zusätzlich zu dem rascheren Abkühlen des Blockfusses kann auch vorgesehen werden, das Erstarren des Blockes im oberen Bereich auch noch zu verzögern, z.B. in dem Wärme, insbesondere über eine Elektrode z.B. abschmelzende Elektrode zugeführt wird. Ein besonders einfach durchzuführendes Verfahren, dass gleichzeitig eine hohe Effizienz aufweist, ist dann gegeben, wenn der bzw. die oberen Teile der Kokille bei feststehendem Gussstück angehoben und der bzw. die untere(n) Teile vom Gussstück abgezogen wird/werden. Durch diese Vorgangsweise kann mit besonders,;#eringem Aufwand das erfindungsgemässe Verfahren durchgeführt werden, wobei nur ein geringster apparativer Aufwand gewährleistet ist. Die Form, insbesondere Kokille, zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens mit zumindest zwei Teilen und gegebenenfalls Haube, wobei die Teile aufeinander setzbar sind, und zumindest der obere Teil Handhaben für Hebemittel aufweist, besteht im wesentlichen darin, dass zumindest der un:ere Teil aus Segmenten gebildet ist, die zumindest teilweise über die Segmente ragende Passelemente, insbesondere Pc(3stifte, die mit entsprechenden Passausnehmungen im andern Segment kooperieren, aufweisen und auf der Bodenplatte schiebbar, insbesondere gegeneinander z.B. über Spindeln, Zahnstangen t)J. dgl. pressbar sind. Eine derarige Vorrichtung gestattet die Dt chführung des erfindungsgemässen Verfahrens in besonders eis scher und effizienter Weise, da unmittelbar nach dem Gut schnell und ohne hohen Aufwand entformt werden kann, da Seine eigenen Führungen od. dgl. störungsanfällige Elemente vorgesehen sein müssen. Gemäss einem weit Merkmal der Erfindung liegen die untersten Segmente atf einer gekühlten, insbesondere wasserge kühlten Bodenpl tte auf. Im folgenden wi d die Erfindung anhand der Beispiele und der Zeichnung roher erläutert. In der Zeichnung ist eine Kokille teilweise im Schnitt dargestellt. Auf einer Bodenplatte 1, die Kühlmittelkanäle aufweist, ist eine Kokille 2 angeordnet, die untere Segmente 3 besitzt, welche über die Zahnstangen 4 und Kurbeln 5 auf der Bodenplatte verschiebbar sind. Die Segmente weisen Passstifte 6 und entsprechende Ausnehmungen 7 auf. Auf den Segmenten 3 sitzt der obere Teil 8 der Kokille auf, welcher Handhaben 9 für ein Seil 10, das über einen Kranhaken 11 gespannt gehalten wird, bzw. welcher zur Anhebung des oberen Teiles der Kokille dient, aufweist. Beim Guss wird nun derartig vorgegangen, dass die Schmelze im steigenden Guss in die Kokille also über die Bodenplatte eingebracht wird. Nachdem sich eine entsprechende Blockhaut gebildet hat, welche sich nach der Formel S= C 5 berechnet, wobei S die Schichtdicke in mm, t die Zeit in Minuten und C eine Konstante, die bei Stahl 25 mm/T78muten beträgt, wird der obere Teil 8 der Kokille angehoben, worauf die Segmente 3 der Kokille über die Zahnstangen 4 und Kurbeln 5 vom Block gezogen werden. Dadurch wird der Block im Fuss vollumfänglich von der Kokille befreit. Der Blockfuss kann damit schneller abkühlen . Gegebenenfalls kann auch ein Luftstrom dem Wasser beigemengt sein und gegen den Blockfuss gerichtet werden. Kokillen dieser Bauart dienten zur Durchführung der im folgenden angeführten Beispiele. Beispiel 1: In einem Elektroofen wurde eine Schmelz mit folgender Zusammensetzung in Gew.-% C 0,4, Si 0,3, Mn 0,6, Cr 0,8, Mo 0,3, Ni 1,9, Rest Eisen erschmolzen. Die Schmelze wurde mit einer Temperatur von 1650 C in die Pfanne abgestochen. Die Temperatur in der Pfanne betrug beim Beginn des Giessens 1570 C und es wurden 4000 kg in 4 Minuten in Tandemguss vergossen. Beide Kokillen wiesen ein Verhältnis von Höhe zu Breite wie 2:1 auf, und die Kokillen waren leicht konisch. Die Segmente der Kokille wiesen dieselbe Höhe wie der obere Teil der Kokille auf. Die zweite Kokille war eine herkömmliche ungeteilte Kokille. Vier Minuten nach beendetem Giessvorgang wurde bei dem Block, der nach dem erfindungsgemässen Verfahren herzustellen war, die Kokille durch Wegschieben der Segmente geöffnet. Die Dicke der Blockhaut betrug 5 cm. Nach zwei Stunden waren beide Blöcke vollkommen erstarrt. Nach Abkühlen auf Raumtemperatur wurden die Blöcke längsgeteilt. Der angefertigte Baumann-Abzug zeigte beim erfindunsgemässen Block eine gleichmässige Schwefelverteilung, wohingegen bei dem nach den herkömmlichen Verfahren hergestellten Block im Zentrum stärkere Seigerungen auftraten. Der Abstand der Dendritenäste, war bei dem erfindungsgemässen Block am Rand 400 + 83,u und in Zentrum 264+ 98/u, wohingegen beim nicht erfindungsgemässen Block der Dendritenästeabstand am Rand 200 t 50 A betragen hat, in der Mitte war der Abstand so kurz, dass keine Messung durchgeführt werden konnte. Der Abstand, der Dendritenäste voneinander ist ein Massstab für die Abkühlgeschwindigkeit, und zwar derart, dass je grösser der Abstand der Dendritenäste voneinander ist, umso grösser ist die Erstarrungsgeschwindigkeit. Der Winkel , welcher die Dendriten mit der Horizontalen einschlossen, war bei dem erfindungsgemäss hergestellten Block bis 300. Die Richtung der Dendriten gibt die Richtung der Erstarrung an und es ist daraus zu erkennen, dass die Erstarrungsrichtung beim erfindungsgemäss hergestellten Block wesentlich mehr vertikal ausgerichtet ist, als beim herkömmlichen Verfahren, wodurch eine bessere Erstarrung von unten nach oben erfolgt. Beispiel 2: ---------- In einem Elektroofen wurden 50 t eines Stahles folgender Zusammensetzung in Gew.-% C 0,3, Si 0,3, Mn 0,3, Cr 1,3, Mo 0,4, Ni 2,0, Rest Eisen erschmolzen. Bei einer Ofentemperatur von 1645 wurde in die Pfanne abgestochen. Die Temperatur der Schmelze in der Pfanne betrug 1570 0C und es wurde in zwei Kokillen 16 Minuten lang gegossen. Das Verhältnis von Höhe zu Breite betrug 1,6:1. Bei der erfindungsgemässen Kokille war die Höhe der Segmente doppelt so hoch, als jene des oberen Teiles des Kokille. Nach 10 Minuten und einer Blockhautdicke von ca. 8 cm wurde der untere Bereich des Blockes, welcher zwei Drittel der Gesamthöhe des Blockes betragen hat, entformt. Der Block war nach 7 Stunden erstarrt. Nachdem beide Blöcke auf Raumtemperatur abgekühlt waren, wurden sie der Länge nach geteilt. Sowohl am Rand als auch im Zentrum beider Blöcke und zwar im Rand in Höhe der Blockmitte wurden die Abstände der Dendritenäste, bzw. der Winkel, welcher die Dendriten mit der Waagrechten einschlossen , gemessen. Beim erfindungsgemässen Block war der Abstand, der Dendritenäste am Rand 205,8 f 56 zurund im Zentrum 188,36 + - 51 ; der Winkel am Rand betrug 270. Beim Block nach dem herkömmlichen Verfahren war der Abstand, der Dendritenäste am Rand 150t 50/u und im Blockzentrum war der Abstand nicht messbar. Der Winkel der Randdendriten betrug 200. Wie den obigen Angaben zu entnehmen, war die Erstarrung bei dem erfindungsgemäss hergestellten Block stärker in vertikaler Richtung ausgerichtet, als bei jenem des herkömmlichen Verfahrens, wobei gleichzeitig eine höhere gerichtete Erstarrungsgeschwindigkeit gegeben war. Beispiel 3: In einem Elektroofen wurden 15 t einer Legierung folgender Zusammensetzung in Gew.-% C 2,0, Si 0,2, Mn 0,3, Cr 11,5, Rest Eisen, erschmolzen. Bei einer Schmelzentemperatur von 15400 C wurde in die Pfanne abgestochen. Beim Giessbeginn betrug die Temperatur der Schmelze 1465 C und es wurde 5 Minuten lang in zwei Kokillen gegossen, wobei das Verhältnis von Höhe zu Breite 1,5:1 betrug. Die Höhe der Segmente stimmte mit jener des oberen Teiles der Kokille überein. Nach vier Minuten wurde der untere Teil beim erfindungsgemäss herzustellenden Block entformt. Beide Blöcke waren nach 2 Stunden erstarrt und wurden nach Abkühlung auf Raumtemperatur der Länge nach geteilt. Der Abstand der Dendritenäste betrug im Zentrum des erfindungsgemässen Blockes 196,20 + 47,u und am Rand in selber Höhe 210,9+- 3in1. Der Winkel den die Dendriten mit der Horizontalen am äusseren Blockdrittel einschlossen, betrug 270. Bei dem in Parallelguss hergestellten nicht erfin dungsgemässen Block betrug der Abstand der Dendritenäste im Rand 176,20+ 49/u, wohingegen im Zentrum der Abstand der Dendritenäste aufgrund der hohen Verästelung nicht gemessen werden konnte. Der Winkel den die Dendriten mit der Waagrechten einschlossen, betrug 180 Der Baumann-Abzug zeigte deutlich, dass der erfindungsgemässe Block eine wesentlich gleichmässigere Schwefel-Verteilung aufweist. Beispiel 4: In einem Mittelfrequenzofen wurden 3,5 t einer Nickelbasis-Legierung folgender Zusammensetzung in Gew.-% erschmolzen: C 0,1, Si 0,3, Mn 0,6, Cr 18,0, Rest Nickel. Bei einer Temperatur im Ofen von 1520 0C wurde in die Pfanne abgestochen. Bei einer Schmelzentemperatur von 14300 wurde in zwei Kokillen abgegossen. Das Verhältnis von Höhe zu Breite betrug 2,5:1. Die Konstante C entspricht bei Nickelbasis-Legierungen einem Wert von 23 mm/#n. Es wurde dementsprechend nach 5 Minuten die untere Hälfte des nach dem erfindungsgemässen Verfahren herzustellenden Blockes entformt. Nach 1,5 Stunden waren beide Blöcke erstarrt und sie wurden der Länge nach geteilt. Der Winkel, welcher die Dendriten bei dem erfindungsgemässen Block mit der Horizontalen einschlossen, betrug 310, wohingegen der entsprechende Winkel bei dem nicht erfindungsgemäss hergestellten Block 170 betrug. Auch hier war somit ein Erstarren des Blockes von unten nach oben wesentlich stärker bedingt, als bei einem nicht erfindungsgemäss hergestellten Block. Wenn der Block während des Erstarrens im wesentlichen von unten nach oben erstarrt, können Verunreinigungen über eine Kristallisationsfront nach oben verschoben werden, womit ein hoher Anteil von unerwünschten Verunreingungen im Blockkopf angereichert werden. Wesentlich ist hiebei, dass der Block nicht konvex erstarrt d.h. eventuell am Schopf sich schliesst bzw. "flaschenförmig" erstarrt, da in diesem Falle die Verunreinigungen im Zentrum des Blockes angereichert sind.

Claims: Patentansprüche : 1. Verfahren zur Herstellung von Block- und Formgussstücken, wobei eine Schmelze einer höher schmelzenden Legierung, insbesondere einer Eisen-, Nickel-, Kobalt- od. dgl.-Basislegierung im fallenden, vorzugsweise steigenden Guss, in zumindest eine feststehende mehrteilige Kokille (2), gegebenenfalls mit Bodenplatte (1), vorzugsweise mit Haube gegossen wird, und woraufdas Gussstück am Gussort entformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Gussstück in zumindest zwei Schritten im erst teilweise erstarrten Zustand entformt wird, wobei in einem ersten Schritt bei bereits erstarrter Gusshaut und flüssigem Kern im unteren Bereich dieser Bereich, insbesondere der Fuss des Gussstückes,vollumfänglich entformt wird, und ein Restteil, zumindest der Kopfteil des Gussstückes weiter in einem Teil der Kokille (8), gegebenenfalls mit aufgesetzter Haube, verbleibt. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der entformte Teil des Gussstückes mit einem Kühlmedium, insbesondere einem Luftstrahl, dem gegebenenfalls Wasser beigemengt ist, beaufschlagt wird. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Gussstück über dem Blockkopf bei entformtem unterem Bereich Wärme und ¯gegebenenfalls Schmelze, zugeführt wird. 4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei entformtem unterem Bereich über eine Elektrode, insbesondere abschmelzende Elektrode, die vorzugsweise in eine zumindest teilweise flüssige Schlacke taucht, Wärme zugeführt wird. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der obere bzw. die oberen Teil(e) der Ko kille bei feststehendem Gussstück angehoben und der bzw. die untere(n) Teile vom Gussstück abgezogen wird/werden. 6. Form, insbesondere Kokille (2), welche mit zumindest zwei Teilen und gegebenenfalls einer Haube aufgebaut ist, wobei,Xie Teile aufeinander setzbar sind, und zumindest der obere Teil Handhaben (9) für ein Hebemittel, Haltemittel, od. dgl. aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der untere Teil aus Segmenten(3) gebildet ist, die zumindest teilweise über die Segmente ragende Passelemente, insbesondere Passstifte (6), die mit entsprechenden Passausnehmungen (7) im anderen Segment kooperieren, aufweisen, und auf der Bodenplatte (1) schiebbar, insbesondere gegeneinander z.B. über Spindeln, Zahnstangen (4) od. dgl., pressbar sind. 7. Form nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die unteren Segmente (3) der Kokille auf einer gekühlten, insbesondere wassergekühlten, Bodenplatte (1) aufliegen.

Inventors: SCHWARZ, KURT
Applicants: BOHLER GESELLSCHAFT M.B.H.
Application year: 1985
Main classification: B22D7
IPC codes: B22D7