ZUFüHREIWRICHTUNG FüR EINE METALLSCHMELZE

Die Erfindung betrifft eine Zuführeinrichtung für eine Metallschmelze mit einem die Schmelze aufnehmenden, eine Auslassöffnung aufweisenden Tiegel, der als ein um eine insbesondere horizontale Schwenkachse schwenkbeweglich angeordneter Kipptiegel ausgeführt ist und eine der Auslassöffnung gegenüberliegende Wandfläche oder Bodenfläche aufweist, welche zumindest abschnittsweise eine konvexe Ausformung mit einem dem Abstand der Schwenkachse von der Wandfläche und/oder Bodenfläche entsprechenden Radius aufweist.

Bei einem in der Praxis bereits bekannten, als Direct-Strip-Casting (DSC) bezeichneten Verfahren, welches derzeitig Gegenstand von Entwicklungsarbeit ist, wird das flüssige Metall mittels der Zuführeinrichtung auf ein umlaufendes von unten mit Wasser gekühltes Gießband aus Stahl gegossen.

Nach der Erstarrung der Metallschicht durchläuft das 8-15 mm dicke Band eine Wärmeaus- gleichs-/Sekundärkühlzone, sodass anschließend ein mehrstufiges, beispielsweise dreistufiges In-Iine-Warmwalzen bei den Temperaturen erfolgen kann, die für die Einstellung von Werkstoffeigenschaften geeignet sind.

Einer der wesentlichen Vorzüge dieser Bandgießtechnologie liegt in den geringeren Investiti- ons- und Produktionskosten, die sich aus dem kompakten Anlagendesign bei gleichzeitig hoher Produktivität ergeben.

Um eine Oxydation des heißen Metalls zu vermeiden, ist der gesamte Bereich von der Stahlaufgabe bis hin zum Warmwalzen eingekapselt, sodass eine Schutzgasatmosphäre eingestellt werden kann.

Die Ausbildung der Oberseitenoberfläche des gegossenen Bandes hängt erheblich von der eingestellten Gasatmosphäre im Bereich der Gießmaschine ab.

Die DE 196 36 699 C2 beschreibt eine Bandgießanlage, insbesondere für das Vergießen von metallischen Bändern, die eine Dicke von bis zu 10 mm aufweisen. In einer an die Gieß- anläge anschließenden Anordnung ist ein flexibles Stützelement vorgesehen, das insbesondere zwischen Gießanlage und einer nachfolgenden Fördereinrichtung gespannt ist. Durch das flexible Stützelement werden die durch die Schwerkraft hervorgerufenen Vertikalkräfte aufgenommen.

Eine Gießanlage für das Vergießen von insbesondere Stahlschmelzen ist in der DE 34 23 834 C2 beschrieben. Aus einem Vorratsbehälter gelangt der flüssige Stahl durch eine Düse auf ein endlos umlaufendes, gekühltes und durch Rollen gestütztes Band. Das erstarrte Band wird durch Fördereinrichtungen einer nachfolgenden Anlage zur Weiterverarbeitung, insbesondere Walzung, geführt.

Aus der US 5,251,687 ist eine Bandgießanlage zu entnehmen, bei der für das erstarrte Band ein flexibles Führ- und Stützelement angeordnet ist. Dieses dient allerdings nur der Kühlung und ist in seiner Länge somit auch nicht verstellbar und als Massenspeicher für das Band gedacht.

Aus der Schrift DE 32 27 132 A1 ist es bekannt, einen aus einer Zumessdüse austretenden Metallstrom in einen Schutzmantel aus inertem Gas, beispielsweise Argon oder Stickstoff, einzuhüllen, um Luft von der Nähe der Metallschmelze fernzuhalten. Dieses unter Druck stehende inerte Gas schirmt den aus der Umgebungsluft stammenden Sauerstoff ab und ver- hindert dadurch eine Reoxidierung des freiliegenden Metallschmelzen-Miniskus.

Beim Bandgießen, wie es etwa aus der Schrift DE 38 10 302 A1 bekannt ist, wird das Flüssigmetall auf ein gekühltes Endlosband aufgegeben und die freie Oberfläche des Bandstrangs kühlt während seines Transports auf dem Förderband ab, sodass im vorderen Be- reich in Düsennähe die freie Oberfläche hoch flüssig ist und danach durch Abkühlung erstarrt.

Die DE 10 201 592 A1 befasst sich mit den spezifischen Anforderungen zur Verbesserung der erforderlichen Produktivität und der thermisch-mechanischen Verarbeitung in der Herstellung von hochreinen Flachprodukten auf Magnesiumbasis.

Die DE 41 16 998 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zum Gießen von Leichtmetallteilen aus Magnesium, bei dem das Metall unter Luftabschluss aufgeschmolzen, in eine Gießform gefördert und dort ausgehärtet wird. Dabei ist vorgesehen, dass die Metallschmelze im Gießformunterteil, einem diesen vorgeschalteten Gießofen und einem gesonderten Schmelzofen mittels syphonähnlicher, jeweils mit ihren offenen Enden in die Schmelze ragenden Verbin- dungsleitungen auf gleichem Spiegelniveau dicht unterhalb des Gießformeinlaufs gehalten und mittels eines dem Gießofen zugeführten überdrucks unter Absperrung der Schmelzofenleitung in das Gießformunterteil und die eigentliche Gießform gefördert wird. Mit einem derartigen Verfahren ist es möglich, nach einer Füllung der Gießform die Oberflächenspiegel der Schmelze im Schmelzofen, im Gießofen und im Gießrohr unterhalb der Gießform auf glei- chem Niveau zu halten und zwar jeweils dicht unterhalb des Einlaufs in die Gießform, um damit beim jeweiligen Nachfüllen der Gießform eine möglichst geringe Bewegung des geschmolzenen Materials sicherzustellen. Gießofen und Gießform können über ein nach oben aus dem Gießofen ausmündendes und von unten in das Kokillensteigrohr einmündendes Gießrohr in Verbindung stehen. Ferner kann der Gießofen eine Druckzuleitung aufweisen, bei deren Druckbeaufschlagung die Schmelze unter Absperrung der Syphonleitung in die Gießform förderbar ist, wobei der Einlass der Syphonleitung im Schmelzofen mit einem druckbeaufschlagten Ventil absperrbar ist. Wegen der hohen Oxidationsneigung der Schmelze ist es ferner zweckmäßig, wenn die Schmelzespiegel im Schmelzofen und Gießofen eine Schutzgasabdeckung aufweisen, die aus SF ₆ und/oder CO ₂ besteht.

Die Qualität der Metallschicht hängt besonders beim DCS-Verfahren von der Zuführeinrichtung ab. Beispielsweise kann eine solche Zuführeinrichtung die Form einer Rinne aufweisen. Der Fluss der Metallschmelze in der Rinne kann strömungstechnisch als Kanalströmung betrachtet werden, sodass die lokale Fließgeschwindigkeit durch die Entfernung zu den Wän- den der Rinne beeinflusst wird. Die Fließgeschwindigkeit wird weiterhin durch kleine Unebenheiten in der Rinne sowie durch Turbulenzen beeinflusst. Diese Störungen werden weiter auf den Gurt und somit die Bandformung übertragen. Ein homogener Massestrom kann aus diesem Grunde in der Praxis nicht erreicht werden, sodass auch die Banddicke über die Breite der Metallschicht eine ungleichmäßige Verteilung aufweisen.

Weiterhin zählt auch bereits eine als Single BeIt Caster bekannte Zuführeinrichtung zum Stand der Technik. Dabei wird die Schmelze mittels eines Verdrängerstempels kontinuierlich

aus einem Tiegel verdrängt und in einem konstanten Schmelzefluss auf ein umlaufendes, von unten gekühltes Gießband gegossen. Durch den Verdrängerstempel wird ein genau definierter Metallmassestrom erreicht. Insbesondere hängt das von dem Stempel verdrängte und dem Gießband zugeführte Volumen linear von der Bewegung des Stempels in dem Tie- gel ab, sodass eine vergleichsweise einfache Steuerung des Massestroms durch die Stempelbewegung erfolgen kann.

Als nachteilig erweist sich bei dieser Zuführeinrichtung die inhomogene Temperaturverteilung auf dem Verdrängerstempel, welche sich auf die Schmelze überträgt. Weiterhin erfor- dert das Verfahren eine energieaufwändige Erwärmung des Verdrängerstempels, die zudem einen hohen Wartungsaufwand verursacht. Weiterhin ergibt sich ein hoher Verbrauch an Schutzgas durch das Begasen des Stempels und der Undichtigkeit der Zuführeinrichtung. Der prozessbedingte Schmelzerest, der im Tiegel verbleibt, führt zu einem erheblichen Aufwand bei der Entleerung und Säuberung des Tiegels nach dem Gießen.

Aus dem Stand der Technik ist auch bereits eine Vielzahl weiterer Vorschläge zur Erzielung eines konstanten Massenstroms bekannt geworden. So kann beispielsweise die Schmelze aus einem Tiegel in einen Behälter gegossen werden, dessen Füllstand überwacht wird, um so die weitere Schmelzezufuhr durch ein Stellglied des Tiegels zu regeln.

Weiterhin ist auch bereits eine Füllstandsregelung vorgeschlagen worden, bei der die Gießgeschwindigkeit zwischen zwei Verteilern durch Messung mit Lastzellen und unter Berechnung der notwendigen Kokillenbandgeschwindigkeit geregelt wird. Bei stationärem Betrieb wird der Füllstand in der Gießmaschine gemessen und durch Steuerung der Gieß- und Ab- Zugsgeschwindigkeit geregelt.

Außerdem ist schon angeregt worden, die Schmelze zunächst in eine Vorkammer zu füllen und dann durch Anlegen eines Unterdrucks in eine mit der ersten Kammer kommunizierende zweite Kammer zu heben. Aus dieser zweiten Kammer fließt die Schmelze über eine schräg gestellte Düse auf das Gießband. Der Druck am Düsenausgang ergibt sich bei diesem System aus der Höhendifferenz zwischen dem Niveau des Gießbands und der Füllhöhe in der Vorkammer.

Gattungsgemäße Gießvorrichtungen mit bezogen auf die Schwenkachse abschnittsweise konzentrischen Ausformungen sind beispielsweise auch aus der DE 375332 C, der DE 196 18 843 B4, der DE 1 458 093 B, der DE 742183 C sowie der DE 480 831 C bekannt.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Zuführeinrichtung für eine Metallschmelze zu schaffen, durch die ein genau definierter Metallmassestrom mit geringem Aufwand erreicht werden kann. Insbesondere soll der Steuerungsaufwand ebenso wie der konstruktive Aufwand zur Herstellung der Zuführeinrichtung sowie der Wartungs- und Serviceaufwand wesentlich verringert werden. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte, mit einer solchen Zuführeinrichtung ausgestattete Bandgießeinrichtung zu schaffen.

Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Zuführeinrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Zuführeinrichtung ist den Unteransprüchen 2 bis 10 zu entnehmen.

Erfindungsgemäß ist also eine Zuführeinrichtung vorgesehen, bei welcher die Auslassöffnung zumindest abschnittsweise mit der Schwenkachse übereinstimmt. Hierdurch wird das jeweils bei einer Winkeländerung des Kipptiegels ausfließende Schmelzevolumen in einfacher Weise bestimmbar und mit einem geringen Aufwand beim Gießen der Schmelze ein von dem Schwenkwinkel des Kipptiegels linear abhängiger Masse- bzw. Volumenstrom erreicht, sodass die Steuerung des Schmelzestroms in einfacher Weise durch die änderung der Winkelposition des Kipptiegels erfolgen kann. Die Erfindung geht dabei von der Erkennt- nis aus, dass bei einer Zunahme des Schwenkwinkels das dementsprechend ausfließende Schmelzevolumen dann ebenfalls in gleicher Weise zunimmt, wenn die Schmelze während der gesamten Entleerung des Kipptiegels von einer Wandfläche oder Bodenfläche begrenzt ist, die im Querschnitt einem Kreissektor entspricht. Dabei fällt der Mittelpunkt mit der Schwenkachse der Schwenkbewegung zusammen, die selbstverständlich nicht als körper- lieh vorhandene Schwenkachse ausgeführt sein muss. Zwei in Achsrichtung beiderseits der konvexen Ausformung des Kipptiegels angeordnete Wandflächen sind dabei parallel angeordnet, um so die lineare Auslaufgeschwindigkeit sicherzustellen. Bevorzugt ist dabei die gesamte Bodenfläche durch die konvexe Ausformung gebildet.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Zuführeinrichtung wird auch dadurch erreicht, dass die Ausformung als ein Ausschnitt oder Sektor eines Hohlzylinders ausgeführt ist. Insbesondere kann ein einfacher Kipptiegel bereits durch einen solchen Ausschnitt des Hohlzylinders gebildet sein.

Eine in der Praxis besonders zweckmäßige Ausgestaltung wird dann erreicht, wenn der Tiegel eine Grundform mit einer durch die konvexe Ausformung gebildeten Bodenfläche auf-

weist. Hierdurch eignet sich der Tiegel auch zur Anwendung bei an sich bekannten Vorrichtungen in Verbindung mit handelsüblichen Aufnahmen.

Die Auslassöffnung kann grundsätzlich beliebig ausgeführt und mit einer Schließeinrichtung, beispielsweise einer selbsttätig öffnenden Klappe verschließbar sein, wobei eine die Auslassöffnung begrenzende untere Auslaufkante in Bezug auf das Flüssigkeitsniveau der Schmelze nicht höher als die durch die Schwenkachse bestimmte Ebene parallel zu dem Flüssigkeitsniveau angeordnet ist.

Besonders sinnvoll ist es hingegen auch, wenn der Tiegel gasdicht verschließbar ausgeführt ist. Insbesondere also beim Gießen der Schmelze lediglich eine einzige durch die Auslassöffnung bestimmte öffnung gegenüber der Umgebung vorhanden ist.

Eine andere ebenfalls besonders Erfolg versprechende Abwandlung wird dann erreicht, wenn der Tiegel zumindest eine, das Tiegelvolumen in Segmente unterteilende Trennwand aufweist, aus denen die Schmelze als separate, in Bezug auf die Schwenkachse parallele Schmelzeströme austritt. Hierdurch werden unerwünschte Kanaleffekte, also eine in der Nähe der seitlichen Wandflächen verminderte Strömungsgeschwindigkeit ausgeglichen und somit abweichende Masse- bzw. Volumenströme vermieden. Weiterhin kann zumindest eine Trennwand dazu genutzt werden, mehrere Gussformen zugleich füllen zu können.

Hierzu ist zumindest eine Trennwand in einer Ebene senkrecht zu der Schwenkachse angeordnet, wobei die Anzahl der Trennwände, die zudem hinsichtlich ihrer Form, der Abmessungen oder der Orientierung voneinander abweichen können, an die jeweiligen Anforderun- gen bedarfsweise angepasst werden kann. Hierzu können die Trennwände auch lösbar oder zusätzlich auch in verschiedenen Positionen fixierbar in dem Tiegel angeordnet sein.

Eine andere besonders praxisgerechte Ausgestaltung wird hingegen auch dann erreicht, wenn zumindest eine Trennwand in einer gegenüber der Ebene senkrecht zu der Seh wen k- achse geneigten Ebene angeordnet ist, um so mehrere voneinander abweichende Schmelzeströme insbesondere als Masseströme zu realisieren, wie sie beispielsweise bei komplizierten Gussteilen mit mehreren, verschiedene Durchmesser aufweisenden Kanälen erforderlich sein können. Zumindest eine Trennwand erstreckt sich dabei von der Wölbung bis zur Auslassöffnung.

Bei einer weiteren ebenfalls besonders praxisnahen Abwandlung der erfindungsgemäßen Zuführeinrichtung ist zumindest eine Trennwand derart angeordnet, dass in einer Ruheposi-

tion, in welcher das Flüssigkeitsniveau der Schmelze wesentlich unterhalb der Auslassöffnung liegt, ein Austausch der Schmelze zwischen den Segmenten möglich ist, während in einer Arbeitsposition, in welcher das Flüssigkeitsniveau der Schmelze zumindest die Auslassöffnung erreicht, ein Austausch der Schmelze zwischen den Segmenten ausgeschlossen ist.

Hierdurch verteilt sich die Schmelze in der Ruheposition durch den ungehinderten Ausgleich selbsttätig auf alle durch die Trennwand begrenzten Segmente. Hierdurch kann beispielsweise auch eine weitere Schmelze hinzugeführt und mittels eines Rührwerks eine homogene Mischung hergestellt werden. Der Austausch der Schmelze zwischen den Segmenten wird somit lediglich während des Gießens verhindert.

Hierzu sind die Segmente bevorzugt so ausgeführt, dass zumindest eine Trennwand durch eine Raumdiagonale zwischen der Wölbung und der die Auslassöffnung aufweisenden Wandfläche begrenzt ist, wobei die Trennwand gegenüber dem Niveau der Schwenkachse zumindest geringfügig übersteht und auch eine Ablauffläche bis zur Auslasskante unterteilt.

Die zweitgenannte Aufgabe, eine mit einer solchen Vorrichtung ausgestattete, nach dem DCS-Verfahren arbeitende Bandgießeinrichtung mit einem kühlbaren Gießband zu schaffen, wird dadurch erreicht, dass der Tiegel als ein um eine insbesondere horizontale Schwenkachse schwenkbeweglich angeordneter Kipptiegel ausgeführt ist und eine der Auslassöffnung gegenüberliegende Wandfläche und/oder Bodenfläche aufweist, welche zumindest abschnittsweise eine konvexe Ausformung mit einem konstanten, dem Abstand der Schwenkachse von der Wandfläche und/oder Bodenfläche entsprechenden Radius aufweist. Diese Bandgießeinrichtung ermöglicht dadurch eine konstante Auslaufgeschwindigkeit der Schmelze bei einer konstanten Winkeländerung des Kipptiegels während der Schwenkbewegung.

Weiterhin kann der Kipptiegel in Gießereien eingesetzt werden. Um eine gute Qualität des Gussstücks zu gewährleisten, muss jedes Gussstück unter definierten Bedingungen abgegossen werden. Zu diesen Bedingungen zählt unter anderem die Formfüllrate. Die Formfüllrate eines jeden Gussstücks ist unabhängig von der Gussstückgröße und kann mit dem vorgeschlagenen Kipptiegel gesteuert werden. Dadurch werden konstante und stabile Gießbedingungen gewährleistet.

Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Zuführeinrichtung mit einem Kipptiegel in einer perspektivischen Ansicht;

Fig. 2 eine Seitenansicht des in Figur 1 gezeigten Kipptiegels in mehreren um eine Schwenkachse verschwenkten Arbeitspositionen;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht des in Figur 1 gezeigten Kipptiegels mit vier parallelen Trennwänden;

Fig. 4 eine Seitenansicht des in der Figur 3 gezeigten Kipptiegels;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht des in Figur 1 gezeigten Kipptiegels mit zwei zueinander geneigten Trennwänden;

Fig. 6 in einer Seitenansicht zwei Grundformen weiterer Ausgestaltungen eines Kipptiegels.

Eine erste erfindungsgemäße Zuführeinrichtung 1 wird anhand der Figuren 1 und 2 näher dargestellt, die einen Kipptiegel 2 in einer perspektivischen Ansicht sowie in einer Seitenansicht in mehreren Arbeitspositionen zeigen. Der Kipptiegel 2 hat eine eckige Grundform und ist um eine horizontale Schwenkachse 3 schwenkbeweglich ausgeführt, wobei die Schwenk- achse 3 zugleich eine Auslassöffnung 4 begrenzt. Der Auslassöffnung 4 gegenüberliegend ist eine Bodenfläche 5 durch eine konvexe Ausformung 6 mit einem Radius R gebildet, welcher dem Abstand der Schwenkachse 3 von der Bodenfläche 5 entspricht. Diese Konstruktion des Kipptiegels 2 ermöglicht bei einer konstanten Winkeländerung des Kipptiegels 2 eine konstante Auslaufgeschwindigkeit der Schmelze während der Schwenkbewegung. Insbe- sondere bestimmt der Radius R zugleich die konstante Länge des Flüssigkeitsspiegels 7 der Schmelze, wie dies insbesondere in der Figur 2 erkennbar ist. Der so geschaffene Kipptiegel 2 ist charakterisiert durch eine einfache Bauweise, eine hohe Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit und bietet zudem die Möglichkeit einer gasdichten Verschließbarkeit. Weiterhin kann die Schmelze problemlos vermischt werden. Außerdem kann der Kipptiegel 2 vollstän- dig entleert werden. Der so geschaffene Kipptiegel 2 ist derart bemessen, dass eine Winkeländerung um 1 ° zu einem Ausströmen von 0,4 I Schmelze führt, wodurch ein Volumenstrom

von 100 bis 250 cm ³ /s bei einer Winkelgeschwindigkeit des Kipptiegels 2 zwischen 0,2 und 0,7 7s erreicht wird.

Eine Abwandlung des Kipptiegels 2 ist in den Figuren 3 und 4 in einer perspektivischen An- sieht sowie in einer Seitenansicht dargestellt. Der Kipptiegel 2 ist dabei mit vier parallelen Trennwänden 8 ausgestattet, die das Tiegelvolumen in fünf Segmente unterteilen. Alle Trennwände sind zugleich senkrecht zu der Schwenkachse 3 angeordnet. In einer in der Figur 4 gezeigten Ruheposition liegt der Flüssigkeitsspiegel 7 der Schmelze wesentlich unterhalb der Auslassöffnung 4. Ein Austausch der Schmelze zwischen den Segmenten wird in dieser Position oberhalb der Trennwände 8 auf der linken Zeichnungsseite ermöglicht. In einer nicht gezeigten Arbeitsposition während des Ausströmens der Schmelze erreicht der Flüssigkeitsspiegel 7 der Schmelze zumindest die Auslassöffnung 4, wobei zugleich ein Austausch der Schmelze zwischen den Segmenten ausgeschlossen ist. Kurz vor dem Gießen wird der Kipptiegel 2 um einige Grad gekippt, sodass sich die Schmelze gleichmäßig zwi- sehen den Trennwänden 8 verteilt. Beim Gießen tritt aus jedem Segment die gleiche Menge der Schmelze aus. Zugleich wird so die Möglichkeit geschaffen, die Schmelze in der Ruheposition zu rühren bzw. die Schmelze in sonstiger Weise zu bewegen.

Eine weitere Einsatzmöglichkeit des Kipptiegels wird anhand der Figur 5 in einer perspektivi- sehen Ansicht dargestellt. Der Kipptiegel 2 ist mit zwei zueinander geneigten Trennwänden 8, 9 ausgestattet, wobei die erste Trennwand 8 in einer Ebene senkrecht zu der Schwenkachse 3 angeordnet ist und die zweite Trennwand 9 in einer gegenüber der Ebene senkrecht zu der Schwenkachse 3 geneigten Ebene angeordnet ist. Durch diese Anordnung der Trennwände 8, 9 wird es möglich, zwei Schmelzeströme getrennt voneinander zu steuern, insbe- sondere also unterschiedliche Volumenströme zu realisieren. Dabei tritt beim Gießen aus dem ersten Segment ein konstanter Schmelzestrom aus, während die Geschwindigkeit des aus dem zweiten Segment austretenden Schmelzestroms aufgrund der Neigung der Trennwand 9 linear zunimmt. Derartige Anforderungen können bei komplizierten Gussteilen auftreten, die das Gießen durch mehrere Kanäle mit unterschiedlicher Querschnittsfläche erfor- dem. Alternativ kann bedarfweise auch eine gezielt ungleichmäßige Verteilung der Schmelzemengen eingestellt werden, um gezielte geometrische Abweichungen über die Breite und - bei im Betrieb verstellbaren Trennwänden 8, 9 - auch die Länge zu realisieren.

Figur 6 zeigt zwei weitere Ausgestaltungsformen eines Kipptiegels 10 sowie eines weiteren Kipptiegels 11 mit einer in Richtung der linken Seite über die Schwenkachse 3 hinaus verlängerten Bodenfläche 5.