Direktgekühlter (DC) Guss von Aluminium

DC-Casting

Was ist DC-Casting?

Direktgekühltes (DC) Gießen wird in den Primär- und Sekundäraluminiumhütten der Aluminiumindustrie zur Herstellung von Barren zum Walzen und Extrudieren eingesetzt. Beim Gleichstromgießen wird geschmolzenes Metall in einen wassergekühlten Behälter gegossen, Bodenloser Schimmel. Die Schmelze wird von oben in die Form eingebracht, und der verfestigte Teil wurde von unten abgezogen. Dies ist in Abbildung deutlich zu sehen 1.

Der Name DC-Gießen kommt daher, dass die hergestellten Knüppel direkt mit Kühlwasser gekühlt werden (Abb. 2) [1]:

Primärkühlung an der Rückseite der Form
Sekundärkühlung auf die Knüppeloberfläche, wenn sie sich aus der Form erstreckt.

Abbildung 1 – Ein in den 1940er Jahren patentiertes DC-Gießverfahren.
(Taylor & Francis/CRC Press) [1]

Abbildung 2 – Die moderne Technologie:
der Wärmefluss in der Form (Primärkühlung) und
unterhalb der Form (Luftspalt und Sekundärkühlung) [2]

Formentabellen

Formen werden auf dem Formentisch installiert. Der Formtisch stellt die Verteilungskanäle für Kühlwasser zu den Formen bereit.

Es gibt zwei Arten von Formentischen (Abb. 3):

ein Tisch, der auf Schienen aus der Gussposition wegrollt (Abb. 3(a) und auch Abb. 4)
ein Kipptisch, der hydraulisch gehoben und gesenkt wird (Abb. 3(B)).

Auf kleinen und alten DC-Gießmaschinen, Möglicherweise gibt es auch einen Formentisch, die mit einem Kran aufgesetzt und abgenommen werden.

Für alle Typen ist eine genaue und starre Positionierung relativ zur Platte wichtig, da die Form und die Starterblöcke nach innen ausgerichtet sein müssen 0,1 mm [2].

Abbildung 3 – Allgemeine Anordnung von zwei Formen von Formentischen:
(a) zeigt die „Roll-Aside“-Anordnung,
und (b) zeigt einen Kipptisch [2].

DC-Gießsysteme

Es gibt zwei Haupt-DC-Gießsysteme:

Open-Top-Guss (Float-Casting)
Geschlossener Guss (Hot-Top-Guss). Es hat mehrere Modifikationen und ist weit verbreitet.

Oben offener Guss

Die Methode

Das DC-Open-Top-Gießsystem (DC-Float-Casting) ist eine altbewährte Technologie, die bereits in den 1980er und 1990er Jahren weit verbreitet war. Jetzt wurde es in Europa und Nordamerika durch Hot-Top-Gießsysteme ersetzt, In Asien und Südamerika sind sie jedoch immer noch weit verbreitet.

Der Vorteil des Floatgießsystems besteht darin, dass der Bediener das geschmolzene Aluminium in allen Phasen seiner Bewegung in die Form sieht. Im Falle eines Problems mit einem Schimmelpilz, Der Bediener schaltet das entsprechende Fallrohr ab und das Gießen wird ohne diese Form fortgesetzt.

Für ein 152 mm Knüppeldurchmesser eine Gießgeschwindigkeit von ca 110 zu 130 mm pro Minute wird verwendet [4].

Die Einschränkungen

Die Schmierung der Formen der Floatgießanlage erfolgt manuell vor dem Gießen. Das Fett hat eine dicke Konsistenz und eine spezielle Zusammensetzung, die den Gießbedingungen standhält. Grundsätzlich, ein solches Schmiermittel kann für Wurfstangen bis zu ausreichen 6 Meter lang. Jedoch, Es gibt ein Problem der gleichmäßigen Schmierung am Anfang und am Ende des Gießens. Deswegen, mit einmaliger Schmierung der Formen, Barren mit einer Länge von 4-5 Meter werden normalerweise gegossen.

Zusätzlich, Die Anzahl der Formen auf dem Formentisch ist naturgemäß begrenzt, Daher ist es schwierig, zwei oder drei Dutzend Fallrohre und Schwimmer im Auge zu behalten.

Abbildung 4 – Schematische Darstellung des vertikalen, direkten Kokillengusses mit offener Oberseite.
Flüssigkeit wird der Form über ein feuerfestes Fallrohr zugeführt.
Das Niveau kann durch einen feuerfesten Schwimmer an der Spitze des Fallrohrs oder kontrolliert werden
durch einen betätigten Stift im Fallrohr
die je nach gemessenem Metallgehalt angepasst wird [3].

Abbildung 5 – Herkömmlicher Zusammenbau von Schwimmer- und Fallrohrform während des Gießens [4]

Dieses einfache und bewährte System ist jedoch auf der ganzen Welt im Einsatz. Es erfordert keine aufwändige Wartung und unerfahrene Besatzungen erlernen schnell ihre Kenntnisse [4].

Hot-Top-Guss

Die Methode

Heutzutage ist das Gießen mit geschlossenem Kopf (oder HotTop) der Standard. Dabei handelt es sich um eine gemeinsame Metallebene in der Gießrinne mit einem darin eingebauten Becken, das das Metall wie bei einem Float-Gießsystem in jede Form verteilt. Der Verteilerkopf wird direkt im Werkzeug befestigt. Daher der Begriff “geschlossener Kopf” [4] (Abb. 6-7).

Die Formen werden von einem kontinuierlichen Ölversorgungssystem geschmiert. Es führt Öl zu und durch einen porösen Graphitring in der Form (Abb. 6 und auch Abb. 10).

Die Vorteile

Die Vorteile des Hot-Top-Gießsystems sind [4]:

eine Verbesserung der Korngröße
eine Verringerung der inversen Segregation der Legierungselemente
Erhöhung der Knüppelgießgeschwindigkeit
Formtische mit höherer Dichte auf großen Gießmaschinen (bis 50 zu 100 Knüppel)
weniger Operatoren
bessere Oberflächengüte.

Abbildung 6 – Querschnitt einer Hot-Top-Form
zusammen mit Gussprodukt u
die geschmolzene metallzufuhr in die form,
plus Wasserkühlungsversorgung der Form [2]

Abbildung 7 – Hot-Top-Formmontage während des Gießens [4]

Blockgusszyklus

Kurz und schematisch, Der Blockgussprozess läuft wie folgt ab (Abb. 8).

Cast-Start

Für alle Gießsysteme, vor Beginn jedes Castings, der sogenannte „Starter“ bzw “Anfangskopf” (Feige. 7 und Abb. 9) dringt bis zu einer vorgegebenen Tiefe in den Boden jeder Form ein.
Kühlwasser wird mit dem eingestellten Startdurchfluss zugeführt (Abb. 8Zusammenhang zwischen Stressintensitätsfaktor K.
Geschmolzenes Metall wird durch die Gießrinne der Gießmaschine zugeführt.
Die feuerfesten Dämme öffnen sich und das Metall beginnt, die Formen zu füllen (Abb. 10).
Dann, nach einer Pause von einigen Sekunden, die Vorspeisen, zusammen mit der Plattform, beginnen, sich nach unten zu bewegen (Abb. 8Zusammenhang zwischen Stressintensitätsfaktor K.
Der Wasserverbrauch steigt (Abb. 8Zusammenhang zwischen Stressintensitätsfaktor K.
Nach ungefaehr 1 Minute, frisch geformte Barren treten aus den Formen aus.
Weiter, Dieser Vorgang wird kontinuierlich fortgesetzt, bis die vorgegebene Länge der Barren erreicht ist (Abb. 8Zusammenhang zwischen Stressintensitätsfaktor K.

Cast-Ende

Wenn die vorgegebene Länge der Barren erreicht ist, die Metallzufuhr stoppt, Die Wurfgeschwindigkeit nimmt allmählich ab, die Wasserzufuhr nimmt ab und stoppt (Abb. 8b).
Die Plattform senkt sich langsam ab und bringt die Barrenköpfe von den Formen herunter (Abb. 8b).
Der Formtisch bewegt oder kippt aus der Gießposition heraus.
Die Barren werden mit einem Kran aus der Gießgrube entfernt und auf einem speziellen Gelände gelagert.
Der Formtisch wird entsprechend gewartet und wieder in die Gießposition gebracht.
Die Platte hebt sich langsam und führt die Starter bis zu einer vorbestimmten Tiefe in die Formen ein.
Der Gießtisch ist bereit für einen neuen Guss.

Abbildung 8 – Typisches Steuerungssequenzdiagramm, das zum Programmieren von Steuerungssystemen verwendet wird.
Die beiden Endabschnitte des Diagramms werden angezeigt:
(a) Wurfbeginn und
(b) Gussende [2]

Abbildung 9 – Querschnitt einer Knüppelkokille mit Startkopf
befindet sich in Gussstartposition
mit Anfangskopf/Formspalt und
Startkopf-Ausrichtungssystem [2]

Abbildung 10 – Abschnitt des Zufuhrsystems für geschmolzenes Metall für ein mehrsträngiges Knüppelsystem.
Bei Gießbeginn ist der Damm geschlossen, Blockieren des Eintritts in die Gruppe von Formen.
Wenn der Füllstand des geschmolzenen Metalls in der Rinne einen Sollwert erreicht,
der Damm wird betätigt und Metall kann zu der Gruppe von Formen fließen,
mit Gießstart dann begonnen
wenn die Höhe des Metalls im Formbereich einen zweiten Sollwert erreicht.
Jede Kokillengruppe auf einem Mehrstrangtisch verfügt über einen Staudamm [2].

Formenschmiersysteme

Wechselwirkung der Metallschmelze mit der Form

Durch den direkten Kontakt der Metallschmelze mit der Formwand besteht die Möglichkeit einer Wechselwirkung der Metallschmelze mit der festen Form, insbesondere wenn letzteres aus einer Aluminiumlegierung besteht. Daher ist es eine allgemeine Praxis, zwischen dem geschmolzenen Metall und der Formwand eine Art Schmiermittel zu verwenden, um auf einfache Weise die bei Trockenformen auftretenden Probleme zu überwinden.

Manuelle Schmierung

Ursprüngliche Schmiermittel waren oft festes Schweine- oder Gänsefett, oder ähnliche Fette, die vor Beginn des Gusses auf die Formwand gewischt werden. Dieses Schmiermittel wird vor dem Gießen manuell auf die Formwand aufgetragen.

Eingebaute Schmierung

Alle modernen Metallformkonstruktionen verfügen über ein integriertes Zufuhrsystem für flüssiges Schmiermittel, das das Öl um den Umfang der Formwand oben in der Form verteilt, Dabei bildet das Öl einen dünnen Film auf der Gussfläche der Form. Der für jede dieser Technologien verwendete Graphit verfügt über eine natürliche Schmierfähigkeit, die ein akzeptables Gießen für kurze Zeit ohne eingespritztes Schmiermittel ermöglicht (Abbildung 11).
Abbildung 11 – Schematische Darstellung einer gasdruckbeaufschlagten und geschmierten Form [2]

Gasdruckform

Zur Erzielung einer guten Gussoberfläche, Die mit Gas unter Druck stehende Form muss einen ausreichenden Luftdruck erreichen, um den metallostatischen Kopfdruck auszugleichen (siehe Abbildung). 11). In diesem Fall, Der Meniskus erreicht eine stabile Position, in der der Luftaustritt entlang der Formwand dem einströmenden Luftstrom entspricht und sich der Druck beim metallostatischen Druck ausgleicht. Bei zu hoher Durchflussmenge wird eingestellt, dann übersteigt der Zufluss den Abfluss entlang der Form, und der Druck steigt über den metallostatischen Kopfdruck, Dadurch entstehen Gasblasen im flüssigen Metall. Wenn der Luftdruck zu niedrig ist, dann gleicht sich der Meniskus zu hoch in der Form aus, und die Schale beginnt sich zu früh zu bilden und erwärmt sich dann wieder, Dies führt zu einer Oberflächensegregation.

Niederdruck-Gleichstromguss

Die Grundidee der Low Pressure Catsting (LPC)-Technologie besteht darin, metallostatischen Druck im Formhohlraum zu vermeiden, und somit die treibende Kraft für die Exsudation eliminiert.

Ausschwitzungen sind mit Legierungselementen angereicherte Restschmelze, die beim Gießen durch die teilweise erstarrte Barrenoberfläche gedrückt wird. Das ausgeschiedene Material tritt unterhalb der Luftspaltposition aus der ursprünglichen Oberfläche des Knüppels aus. Durch die Exsudation entsteht auf der Barrenoberfläche eine mit gelösten Stoffen angereicherte Schicht und in der Nähe der Oberfläche eine an gelösten Stoffen verarmte Zone. Die treibende Kraft für die Ausschwitzung ist der Druck in der Schmelze aufgrund des Schmelzkopfes (Abbildung 12).

Abbildung 12 – Konventioneller Gleichstromguss [5]

Abbildung 13 zeigt das LPC-Prinzip. Um die Zufuhr zu jeder Form sicherzustellen, nutzt die LPC-Technologie die Siphonfüllung jeder Form durch Anlegen eines Unterdrucks im Becken über den Formen. Mithilfe eines Ejektors wird der Unterdruck erzeugt und gesteuert, sodass die Position des Metalls im Becken während des Gießens stabil bleibt. Die Form wird in Richtung der Gießhallenatmosphäre belüftet. Dadurch wird sichergestellt, dass der Druck über dem Metall im Formhohlraum dem Druck auf der Außenfläche des Barrens unterhalb der Luftspaltposition entspricht – dem Punkt, an dem sich der Barren von der Formwand wegbewegt und sich zwischen Barren und Barren ein Luftspalt bildet die Form. Auf diese Weise gibt es keine treibende Kraft für das Ausschwitzen, da der Druck in der Restschmelze zwischen den Körnern knapp unterhalb des Luftspalts praktisch derselbe ist wie der Luftdruck außerhalb der Knüppeloberfläche [5].

Abbildung 13 – Niederdruckguss (LPC) [5]

Quellen:

Das nennt man Gießen mit direkter Kühlung (Abb. / Das nennt man Gießen mit direkter Kühlung (Abb.. Das nennt man Gießen mit direkter Kühlung (Abb.
Direktkühlguss von Leichtmetalllegierungen /John Grandfield, D. G. Das nennt man Gießen mit direkter Kühlung (Abb., Ian Bainbridge – 2013
Blockguss und Gießereimetallurgie von Aluminium und seinen Legierungen / was sich dann günstig auf die Qualität von stranggepressten Aluminiumprofilen auswirkt. was sich dann günstig auf die Qualität von stranggepressten Aluminiumprofilen auswirkt // Grundlagen der Aluminiummetallurgie – Herausgegeben von Roger Lumley
Gleichstrom. Handbuch für den Gießereischmelzbetrieb – Ashford Engineering Services, 1997
Eine neue DC-Gießtechnologie für Strangpressbarren mit verbesserter Oberflächenqualität /A. Håkonsen, J. E. Meeressoße, R. Eiscreme // Leichtmetalle 2014, Ed. von John Grandfield – TMS, 2014