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J. Bast, Y. Kotova, I. Krykov
TU Bergakademie Freiberg Institut fur Maschinenbau
ENTWICKLUNG UND KONSTRUKTION EINER HORIZONTALSTRANGGIEBANLAGE
Einleitung und Problemstellung Der Bedarf an Edel-, Bunt- und Leichtmet-all- sowie Speziallegierungshalbzeugen gepaart mit hohen Anforderungen an Ge-fuge, AbmaBe, Oberflache und weitere technologische Eigenschaften steigt immer mehr und damit wird die Entwicklung neuer StranggieBanlagen fur vergleichsweise kleine Formate erforderlich. Aus den mit Hilfe dieser StranggieBanlagen erstellten Halbzeugen werden von mittelstandischen Unternehmen der metallverarbeitenden Industrie Klein- und Kleinstteile hergestellt, die in der Feinwerktechnik, Elektro-technik, Sensorik, Automobilindustrie, Schlossindustrie, Verbindungstechnik (Lote) sowie auch der Brillen- und Schmuckindustrie angewendet werden [1].
Die jetzige Fertigung bei der Firma Indutherm erfolgt mit VertikalstranggieBanlagen, bei denen die Lange der Halbzeuge durch den Bauraum begrenzt ist. Die erforderliche Unterbrechung des StranggieBprozesses fuhrt zu Produktionsstillstand und wirkt sich somit negativ auf die Produktivitat und die Qualitat des Fertigungsprozesses aus. AuBerdem verursacht die jetzige Fertigung-sart oberflachlich und im Inneren grobkristalline Bereiche, die eine quali-tatsgerechte Endverarbeitung verhindern. Das ist auf das gering abgekuhlte ther-mische Zentrum des Stranges mit groBem Kristallwachstum zuruckzufuhren. Die-ser Umstand verschlechtert die Halbzeugqualitat und tragt zur weiteren Ver-ringerung der Anlagenproduktivitat bei. Dies erfordert die Neuentwicklung einer speziell auf kleine Formate zugeschnittenen HorizontalstranggieBanlage.
Im Gegensatz zur groBindustriellen Metallverarbeitung gibt es fur StranggieBanlagen der o.g. GroBenordnung und den betreffenden Stranggusspro-zess kaum systematische Untersuchungen bzw. grundlegende Forschungsarbeiten zum Einfluss von Prozess-, Anlagen- und materialspezifischen Parametern auf die Qualitat und die Eigenschaften des erzeugten Materials. Aus diesem Grund wurde das vorgelegte ZIM - Forschungsprojekt in enger Kooperation zwischen der Firma Indutherm GmbH und dem auf dem betreffenden Gebiet erfahrenen Institut fur Maschinenbau der TU Bergakademie Freiberg geplant. Die Neukonstruktion be-zuglich waagerechtem Schmelzeaustritts hinsichtlich Geometrie und Materialwahl fur, z. B. Kokillen und Kuhlvorrichtungen, soll mit Hilfe numerischer Simulation
des StranggieBprozesses und auf der Basis des hierdurch erarbeiteten Verstandnis-ses der Vorgange im Erstarrungsintervall erfolgen.
Angestrebte technische Funktionalitaten und relevante Parameter der zu entwickelnde StranggieBanlage. Die neu zu entwickelnde Anlage muss sich aus Grunden der Wirtschaftlichkeit und zur Sicherstellung eines optimierten Services in das bereits bestehende Anlagenspektrum einordnen. Dieses besteht aus InduktionsgieB- und Schmelzanlagen sowie VertikalstranggieBanlagen mit einem Tiegelvolumen zwischen 285 ccm und 3400 ccm. Die Anlagen werden in kleinen Stuckzahlen gefertigt und sind daher aus o.g. Grunden stets modular aufgebaut.
Die angestrebten technischen Funktionalitaten lehnen sich an die bekannten Anforderungen der bestehenden VertikalstranggieBanlagen an. Sie berucksichtigen nunmehr aber die daruber hinausgehenden Anforderungen, die sich zum Einen aus regelmaBig wiederkehrende Fragestellungen sowie Diskussionen mit Anwendern bzgl. Fertigungsproblemen und fehlerhaften Stranggussen ergeben.
Hierzu gehoren insbesondere:
1. Fertigung von praktisch unbegrenzter Halbzeuglange durch horizontalen Strangaustritt.
2. Vermeidung von Strangabrissen, „Kleben“ am Kokillenmaterial, Lunker-bzw. Porenbildung durch optimierte Prozessteuerung sowie optimierte Geometrie und Materialauswahl (Kokille etc.).
3. hohere Prozesssicherheit bei „Crash“ (ungewollter Schmelzaustritt aus Tiegel/Kokille).
4. Moglichkeit der Schmelzeentgasung durch gezielte Vakuum- und Schutzgasfuhrung.
5. Indirekte induktive Erwarmung uber Graphittiegeltechnologie.
6. Maximaltemperatur ca. 1700 °C.
7. Eignung fur Leicht-, Bunt-, Edelmetall- und weitere Speziallegierungen wie z. B. Lotwerkstoffe.
8. Moglichkeit „mehrstrangig“ ziehen zu konnen z. B. gleichzeitig 9 Drahte mit 10 mm Durchmesser.
9. Moglichkeit der Herstellung von Drahten, Stangen und Blechen.
10. Einfacher Tiegel und Kokillenwechsel.
Losungsvorschlage fur die konstruktive Gestaltung der Kokillenisola-
tion. Es wurde eine Kokillenisolation fur die thermisch belastete Anlage gebraucht, die sich im Al-Gehause befindet.
Bild 1. Darstellung des Einlegens der Kokille und der Kokillenisolation
Die Isolation muss folgende Aufgaben erledigen:
1. Das Aufnehmen von oben befndlichen Bestandteilen der Anlage.
2. Das Isolieren der Vakuumkammer, da auf dem Isolator die Kokille mit dem Tiegel steht, die bis zu 1500 °C die Warme an den Isolator abgeben wird.
Infolge der zu wunschenden niedrigen Warmeleitfahigkeit des Isolators muss das Unterteil der Isolation maximal bis zu 200-250 °C heiB werden. Das ist erforderlich damit das Al-Gehause, in dem sich die Kokillenisolation befindet, sich nicht verformt oder eventuell schmilzt. Da auch fur solche Bedingungen hohe Di-chte des Isolators notwendig ist, verliert man dabei Warmeleitfahigkeit, wenn er nur aus einem Stoff wie z.B. (Keramik) bestehen wurde.
Unter Berucksichtigung der oben beschriebenen Bedingungen, ergeben sich folgende Losungsvorschlage fur die konstruktive Gestaltung der Isolation:
1. Isolation als Formteil
2. „Sandwich“-Ausfuhrung der Kokillenisolation
Isolation als Formteil. Der Isolator wird aus Keramik mit Innen liegender Zusatz Schicht (Fasermaterial) (Bild 2) erstellt. In dem Fall wurde Keramik fur das Aufnehmen der Gewichtskraft vom mit Metall gefulltem Tiegel dient und die Zusatzschicht, um die Temperatur zu absorbieren oder zuruckzustrahlen. Der Isolator soll als Formteil sein, um die hohen Toleranzen bei seiner Herstellung zu vermeiden.
Zu den Vorteilen solcher Ausfuhrung werden dann hohe Isolationswerte, Formstabilitat sowie niedrige Schrumpfung gezahlt. Neben den Vorteilen weist der Isolator als Formteil auch Nachteile auf. Die sind hohe Produktionskosten, der aufwandige Wechsel beim Bruchfall.
Bild 2. Isolation als Formteil
„Sandwich“ - Ausfuhrung der Isolation. Da die schon vorgeschlagene Vari-ante der Herstellung teuer ist, ist andere Ausfuhrung zu betrachten:
1. In den vorhandenen Schlitten werden n-Bolzen angezogen (Bild 3). Die Anordnung und Anzahl sind von der Belastung abhangig.
Bild 3. Einschrauben Bolzen in den Schlitten
2. Auf die Bolzen werden Keramikrohre (Bild 4) aufgesetzt, die hohe Stei-figkeit aufweisen. Die Keramikrohre sind dann fur die Aufnahme der vollen Ge-wichtskraft verantwortlich.
Bild 4. Aufsetzen der Keramikrohre auf die Bolzen
3. Zwischen dem Schlitten und der Kokille werden Isolationsschichten (Bild 5) aus Fasermaterial fur die gute Warmedammung eingelegt. Anzahl der Iso-lationsschichten ist von der Kokillenbauart abhangig.
Bild 5. Einlegen der Isolationsschichten auf den Schlitten
Zu den Vorteilen solcher Ausfuhrung werden dann gute Isolationswerte, niedrige Produktionskosten sowie der einfacher Wechsel im Bruchfall nur der obersten Isolationsschicht gezahlt. Neben den Vorteilen weist der Isolator als Formteil auch Nachteile auf. Die sind hohe Toleranzen, Schrumpfungen.
Einsatz der Thermoelemente in der Anlage HCC12000. Fur die Steuerung und Uberwachung des GieBprozesses ist es erforderlich, die Temperatur an den verschiedenen Stellen der Anlage zu uberprufen. Zu diesem Zweck finden die Thermoelemente ihre Anwendung. Bei der neu entwickelten HorizontalstranggieBanlage ist die Nutzung von 6 Thermoelementen vorgesehen.
1. Das erste Thermoelement ist in der Tiegelwand eingelegt (Bild 6). Mit seiner Hilfe lasst sich die Temperatur des erschmolzenen Metalls an der Wand bestimmen.
2. Das zweite Thermoelement befndet sich im Verschlussstab. Dieses dient zur Bestimmung der Metalltemperatur in der Tiegelmitte. Die Notwendigkeit dieses Thermoelements ist durch die Festlegung des gleichmaBigen Zustands des Metalls bedingt.
3. Das dritte Thermoelement ist an der Kokille am Ubergang zwischen der Kokille und dem Tiegel aufgestellt (Bild 7). Und ist notwendig, um die Temperatur der Kokille zu erkennen. Um das Erstarren des Metalls in der Kokille zu vermei-den, sollte die Kokille ungefahr die gleiche Temperatur wie der Tiegel betragen. Wenn die gewisse Temperatur der Kokille erreicht wurde, kann der Verschlussstab aufgehoben werden und somit der GieBprozess beginnt.
Bild б. Anordnungen der Thermoelemente 1 und 2
4. Das vierte Thermoelement befindet sich in der Kokille vor dem Kokil-lenkuhler. Mit seiner Hilfe wird kontrolliert, dass das Metall in der Kokille flieBt. Wenn die Temperatur an dieser Stelle sich erhoht, ist das ein Merkmal dafur, dass das Metall diesen Punkt der Kokille erreicht hat und nicht am Eingang der Kokille erstarrt ist.
5. u. б. Das funfte und das sechste Thermoelemente sind Steuerungsmittel. Sie steuern den Erstarrungsprozess des Stranges. Die sind in den Kokillenkuhlern gelagert. In Anlehnung der Temperaturanzeige lassen sich zwei Kokillenkuhler separat in Abhangigkeit von den erforderlichen Gefugeeigenschaften des Gusss-tranges steuern.
Bild 7. Anordnungen der Thermoelemente 4-6
Kokillenwechseln. Mit Hilfe der Anlage konnen Gussteile mit folgenden Profilen (Bild 8) hergestellt werden:
1. Band mit dem Querschnitt 200x20.
2. Ein Draht mit maximalen 070 mm.
3. Mehrere Drahte (maximale Anzahl = 9 bei 0 = 10 mm).
Bild 8. Strangsortiment der Anlage
Fur die universelle Anlage ist ein schnelles Wechseln der Kokille ein der wichtigsten Aufgaben. Dafur wird ein Schlitten verwendet. Dieser Schlitten ermo-glicht ein schnelles Ein- und Ausbauen der Kokille (Bild 9), da diese zusammen mit dem Kokillenkuhler und der Isolierung wie eine Schublade herein- und heraus-geschoben werden kann. Mittels der Anschlage, die in den Schlitten eingedreht werden, und zwei Fuhrungen am Gehauseboden kann die richtige Positionierung dieser Bauteile gewahrleistet werden.
Bild 9. Montage des Schlittens
Berucksichtigung einer asymmetrischen Kuhlung des Stranges. Um die
Notwendigkeit einer asymmetrischen Kuhlung des Stranges zu verstehen, muss der GieBprozess innerhalb der Kokille betrachtet werden. Nach der Erstarrung ver-ringert sich durch die weitere Abkuhlung der Querschnitt des Gussstranges. Durch den Einfluss der Schwerkraft liegt der Strang auf der Unterseite der Kokille auf. An der Oberseite der Kokille bildet sich ein Luftspalt zwischen Strang und Kokille. Das hat zur Folge, dass sich die Warmeleitung von der Kokille zum Kuhler ver-ringert.
Durch die kontaktlose Verbindung von Strang und Kokille wird mehr Warme an die untere als an die obere Kokillenplatte abgefuhrt. Dadurch wachsen
die Kristalle auf der Unterseite schneller in der Schmelze als auf der Oberseite. Die beiden Erstarrungsfronten treffen oberhalb der geometrischen Mitte des Stranges. Der Ort, wo beide Erstarrungsfronten aufeinander treffen, wird als thermische Mitte bezeichnet. Das so entstandene ungleichmaBige Gefuge beeintrachtigt die Weiterverarbeitbarkeit der Gussbander. Das Ziel der asymmetrischen Kuhlung be-steht darin, um die Erstarrungsfronten von oben und unten moglichst in die Mitte zu schieben.
Beim GieBen des Bandes entstehen zwei Probleme, die sind: sowohl ungleichmaBige Erstarrung uber die Hohe, als auch uber die Breite des Stranges. Durch folgende Konstruktive MaBnahmen kann die thermische Mitte in die ge-ometrische Mitte verschoben werden:
1. Montage.
2. Getrennter Kokillenkuhler.
3. Anbringung entlang des Stranges 4 angeordneter Wasserkanale.
Um der ungleichmaBigen Kuhlung uber die Hohe des Stranges entgegenzu-wirken, sind Kuhlkorper Ober- und Unterteil getrennt regelbar, so dass man mehr oder weniger Durchfluss umstellen kann.
I
Bild 10. Montage 2 getrennter Kokillenkuhler mit 4 Wasserkanalen
AuBere Kontur des Gussteils, die an der Kokillenwand liegt, gibt mehr Warme ab als die Mitte des Gussteils. So entsteht die ungleichmaBige Abkuhlung des Stranges uber die Breite. Aus diesem Grunde wird die Mitte des Stranges mit Hilfe der entlang des Stranges angeordneten Wasserkanale starker abgekuhlt.
Zusammenfassung. Bei der Entwicklung einer HorizontalstranggieBanlage wurde eine Losung fur die Gestaltung der Kokillenisolation gefunden. Die „Sand-wich“ - Ausfuhrung aus Fasermaterial bietet gute Isolationswerte und niedrige Produktionskosten.
Die mechanischen Komponenten der Kokille werden wahrend des GieBprozesses von hohen Temperaturen beeinflusst und fuhren bei Versagen zu kos-tenintensiven GieBabbruchen. Ausgehend davon wurden UberwachungsmaBnahmen mittels der Thermoelemente zur Sicherung eines storungsfreien Kokillenbetriebes konstruiert.
Eine konstruktive Losung fur die Kokillenwechsel wurde durch Schlitten gemacht. Damit wird die neu entwickelte Anlage universell. Eine asymmetrische Kuhlung wurde mittels getrennter Regulierung der Ober- und Unterteil des Kuhlers durch 4 Wasserkanale realisiert.
Получено 1.07.2010
