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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stahl-Stranggiessen eines Stranges, insbesondere zum
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legierter oder peritektischer Stähle, wobei der Strang in einer Stranggiessanlage einer Verformung unterworfen wird.
Es ist bekannt, einen Strang nach dem Austreten aus der Kokille noch innerhalb der Stranggiessanlage hinsichtlich seiner Dicke zu reduzieren Diese Technologie, die auch unter dem Namen "Liquid-Soft-Reduction" in der Literatur Eingang gefunden hat, ist beispielsweise in der DE-C 44 03 048, der DE-A 41 39 242, der DE-C 195 29 049 sowie der EP 0 834 364 A2 beschrieben Hierbei wird der Strang mit noch flüssigem Kern in seiner Dicke reduziert, mit dem Ziel, eine vorgegebene Dicke des Stranges zu erzielen. Hierdurch soll bei maximaler Produktivität aus einem Gussstrang ein möglichst dünnes Produkt hergestellt werden können (Dünnbrammentechnologie). Durch die "Liquid-Soft-Reduction" im noch nicht durcherstarrten Zustand lassen sich beachtliche Dickenreduktionen erzielen, so dass ein nachträgliches Warm- bzw.
Kaltwalzen zu einem dünnen Band erheblich vereinfacht ist, insbesondere was die Zahl der Walzstiche betrifft.
Durch eine "Liquid-Soft-Reduction" gelingt es auch, die Innenqualität insofern zu verbessern, als ein Walzen des Stranges mit flüssigem Kern einen Rühreffekt bedingt, und hierdurch Kernseigerungen reduziert werden, wobei jedoch durch die mechanisch aufgebrachten Lasten die Tendenz zur Innenrissbildung steigt.
Weiters ist es bekannt, den Strang im Bereich der Durcherstarrung noch unter Ausnutzung der Stranghitze warmzuwalzen. Solche Strangdickenreduktionen, die im Bereich der Durcherstarrung durchgeführt werden, werden mit einem "Solid-Fraction-Anteil" im Kernbereich zwischen 0,3 und 0,9 durchgeführt, wobei der "Solid-Fraction-Anteil" definiert ist als Anteil des erstarrten Stahles im Zentrum des gegossenen Stranges. Eine solche Fahrweise ist unter dem Namen "Soft-Reduction" in der Literatur bekannt. Die "Soft-Reduction" zielt neben der an erster Stelle stehenden Dickenreduzierung auf eine bessere Innenqualität des Stranges ab. Durch sie können Zentrumsseigerungen, Porosität und Zentrumsspaltungen vermindert werden.
All diese bekannten Verfahren beruhen auf der Idee, den Strang unterhalb der Kokille noch innerhalb der Stranggiessanlage auf eine gewünschte Enddicke bzw. nahe zur gewünschten Enddicke zu bringen, um das Weiterverarbeiten infolge des sich so ergebenden dünneren Stranges kostengünstiger und einfacher gestalten zu können.
Ein besonderes Problem stellt beim Stranggiessen von Stahl die Ausbildung von Oberflächenrissen dar Die Vermeidung von Oberflächenrissen zählt zu den wichtigsten Qualitätsanforderungen an einen modernen Stranggiessprozess. Massgebend für die Entstehung solcher Oberflächenrisse sind einerseits thermomechanische Belastungen, wie thermischen Eigenspannungen, Biegeund Richtspannungen am erstarrenden Strang, hervorgerufen durch einen Biege- bzw. Richtprozess bei Bogenanlagen, und anderseits die Materialeigenschaften der erstarrenden Strangschale, d h. deren Festigkeit und Duktilität.
Besonders empfindlich sind z. B. Aluminium-beruhigte und mikrolegierte und peritektische Stahlqualitäten in einem Temperaturbereich zwischen 700 und 1100 C, sie weisen in diesem Bereich ein ausgeprägtes Duktilitätstief auf. Der Werkstoff versagt in diesem Bereich bei nur geringer plastischer Verformung durch einen transkristallinen Bruch entlang der Austenitkorngrenzen, wofür nicht-metallische Ausscheidungen, wie Aluminiumnitride, verantwortlich sind. Diese Aluminiumnitride setzen sich an den primären Austenitkorngrenzen ab. Zusätzlich kommt es noch zum Auftreten von voreutektischer Ferritausscheidung, u.zw. ebenfalls bevorzugt entlang der Austenitkorngrenzen. Die Materialeigenschaften werden von der chemischen Analyse des stranggegossenen Stahles, und infolge davon durch die im Material vorliegenden Phasen und deren kristalline Struktur bestimmt.
Wesentlich ist auch noch die Mikrostruktur, d. h. die Anordnung von Gitterbaufehlern, wie Versetzungen, Korngrenzen und Einschlüssen.
Als besonders störend im Hinblick auf eine Rissbildung haben sich Oszillationsmarken an den Kantenbereichen eines Stranges erwiesen, da Risse bevorzugt dort entstehen und sich von dort weiter ausbreiten, insbesondere beim Biegen und/oder Richten.
Die Erfindung bezweckt die Vermeidung des Entstehens von Oberflächenrissen und zielt darauf ab, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, mit dem auch n#empfindliche Stahlqualitäten, wie Aluminium-beruhigte und mikrolegierte Stähle, stranggegossen werden können, wobei ein Strang von hoher Qualität gebildet wird. Insbesondere sollen die Kanten-
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bereiche des Stranges frei von Rissen sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Strang einer hochtemperaturthermomechanischen Walzung bei einer Oberflächen-Temperatur > Ac3 unterworfen wird. Unter einer hochtemperatur-thermomechanischen Walzung wird eine Walzung bei Temperaturen im Gebiet des stabilen Austenits verstanden.
Hierdurch gelingt es, das primär entstehende Erstarrungsgefüge zu beseitigen, bevor schädi- gungskritische Belastungen während des Stranggiessens, z. B beim Biegen und/oder beim Richten des Stranges im Falle des Giessens an einer Stranggiessanlage mit bogenformiger Strangführung, auftreten.
Die durch das hochtemperatur-thermomechanische Walzen entstehende neue Mikrostruktur unterscheidet sich vom Pnmärgefüge durch eine deutliche Kornfeinung, eine verringerte Anisotropie der Kornausrichtung und durch eine schadensunkritische Ausscheidungsmorphologie
Erfindungsgemäss ergibt sich somit eine wesentliche Verbesserung der Oberflächenqualität, was wie folgt begründet wird : Wärmestrom durch die erstarrende Strangschale verläuft annähernd normal zur Oberfläche des Stranges, d. h. dessen Strangschale, wodurch die Richtung der primär dendritischen Erstarrung vorgegeben ist.
Durch diese gerichtete Erstarrung bilden sich Dendriten und damit auch primäre y-Korngrenzen normal zur Oberfläche der Strangschale aus Eine solche gerichtete Erstarrung ergibt eine Anisotropie der Festigkeit und Duktilitätseigen- schaften Die Festigkeit bei Belastung parallel zur dominierenden Korngrenzenausrichtung liegt deutlich höher als normal zur Korngrenzenausrichtung. Die Hauptlastrichtung, und damit auch die Hauptnormalspannungsrichtung, liegt in der für die Rissentstehung kritischen Richtzone parallel zur Giessrichtung und damit normal zur Kornorientierung. Hier kommt es zu maximalen Zugspannungen im oberflächennahen Bereich der auf Zug belasteten Strangseite und damit zu einem Überschreiten der maximal zulässigen Verformung, was die Bildung von Oberflächenquerrissen zur Folge hat, die bevorzugt im Kantenbereich des Stranges auftreten.
Durch die erfindungsgemässe oberflächennahe plastische Deformation kommt es im kritischen Bereich des Stranges zu einer Umstrukturierung der Korngrenzenstruktur. Die Ausrichtung der Korngrenzen folgt der aufgebrachten plastischen Deformation und weist somit eine schadensunkritische Ausrichtung mit einer Kornorientierung parallel zur Strangoberfläche auf.
Vorzugsweise wird der Strang in einer Stranggiessanlage mit bogenförmiger Strangführung gegossen und in einem Bereich von knapp unterhalb einer geraden oder gebogenen Kokille bis vor einem in einer Richtzone stattfindenden Geraderichten der Stranggiessanlage hochtemperaturthermomechanisch gewalzt.
Die hochtemperatur-thermomechanische Walzung soll zweckmässig in einem OberflächenTemperaturbereich zwischen 0,6 insbesondere zwischen 0,75 und 0,8 homologer Temperatur, durchgeführt werden.
Insbesondere soll die Oberflachentemperatur des Stranges während der hochtemperaturthermomechanischen Walzung unterhalb von 1200 C, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 900 und 1150 C, liegen.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform wird die hochtemperatur-thermomechanische Walzung mit einer globalen Deformation von weniger als 10 %, vorzugsweise mit einer globalen Deformation im Bereich zwischen 3 und 10 %, durchgeführt, wobei zweckmässig die hochtemperatur-thermomechanische Walzung mit lokalen plastischen Deformationen #pl zwischen 10 und 40 % durchgeführt wird.
Vorteilhaft wird die hochtemperatur-thermomechanische Walzung mit einer lokalen plastischen Mindestdeformation #pl von 20 % durchgeführt.
Um eine völlige Umstrukturierung des Kornaufbaues durch eine dynamische Reknstallisation zu erreichen, wird vorteilhaft die hochtemperatur-thermomechamsche Walzung mit Dehnraten ds/dt im Bereich 1,0 10-3 < d#/dt # 0,1[S-1] durchgeführt, wobei nach einer bevorzugten Ausführungsform die hochtemperatur-thermomechanische Walzung mit einer Dehnrate ds/dt > 1 x 10-2[S-1] durchgeführt wird.
Erfindungsgemäss wird die hochtemperatur-thermomechanische Walzung vorteilhaft in zwei oder mehreren Stufen durchgeführt.
Zur besseren Ausschaltung des Einflusses von gegebenenfalls vorhandenen Oszillations- marken wird zweckmässig ein erster Glättungsstich durchgeführt, worauf eine hochtemperaturthermomechanische Walzung mit mindestens einem Walzstich mit plastischer Verformung der
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Kanten- und Stegbereiche des Stranges folgt.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Beschreibung und der Zeichnung näher erläutert, wobei Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Dendritenwachstums der Strangschale, Fig. 2 eine Ausschnittsvergrösserung der Fig 1 und Fig. 3 eine erfindungsgemäss hervorgerufene neue Gefügeausbildung veranschaulichen. Fig 4 gibt ein Schliffbild eines Oberflächenbereiches eines Stranges mit Rissen in einer Strangschale wieder, und die Fig. 5 und 6 zeigen in Diagrammform Temperaturverläufe in Strängen, gegossen mit unterschiedlichen Giessgeschwindigkeiten, jeweils gemessen in unterschiedlichen Abständen von der Strangoberfläche.
Wie aus den Fig. 1 und 2 erkennbar ist, verläuft der Wärmestrom durch die erstarrende Strangschale 1 annähernd normal zur Strangoberfläche 2, wodurch die Richtung der primär dendritischen Erstarrung vorgegeben ist Die Ausrichtung der erstarrten Dendriten 3 und damit auch die Ausrichtung der primären y-Korngrenzen 3' ist etwa normal zur Strangoberfläche 2 gegeben. Diese gerichtete Erstarrung bedingt eine Anisotropie der Festigkeits- und Duktilitätseigenschaften der Strangschale 1. Die Festigkeit bei Belastung parallel zur dominierenden Korngrenzenausrichtung ist deutlich höher als normal zu dieser Richtung, insbesondere im Hochtemperaturbereich.
Wie aus Fig. 2 zu erkennen ist, liegt die Hauptlastrichtung, und damit auch die Hauptnormalspannungsrichtung (Pfeile #) beim Richten des Stranges, also in der für die Rissentstehung kritischen Richtzone, parallel zur Giessrichtung 4 und damit normal zur Kornorientierung. Die maximalen Zugspannungen treten im oberflächennahen Bereich 5 an der Dehnseite der Strangschale 1 auf. Ein Überschreiten der maximal zulässigen Verformung hat die Bildung von Oberflächenquerrissen zur Folge, wie dies in Fig. 4 veranschaulicht ist.
Durch eine erfindungsgemässe hochtemperatur-thermomechanische Walzung bei einer Oberflächentemperatur > Ac3, d. h. im Gebiet des stabilen Austenits, vor dem Eintreten des Stranges in die Richtzone, wird die Korngrenzenstruktur im schädigungsrelevanten Oberflächenbereich 5 umstrukturiert, u. zw. derart, dass die Ausrichtung der Korngrenzen 3" der aufgebrachten plastischen Deformation folgt, woraus eine schadensunkritische Ausrichtung der Korngrenzen resultiert, wie dies in Fig 3 veranschaulicht ist. Diese erfindungsgemässe hochtemperatur-thermomechanische Walzung kann in einem Temperaturintervall zwischen der am Kokillenaustritt des Stranges vorhandenen Oberflächentemperatur bis zu einer Temperatur T > 0,6 homologer Temperatur an der Oberfläche des Stranges durchgeführt werden.
Bei den geringen plastischen Verformungen, die eine thermomechanische Walzung kennzeichnen, ist in diesem Temperaturintervall ein Korngrenzengleiten als vorherrschender Deformationsmechanismus gegeben.
Gemäss dem Stand der Technik (Stranggiessen ohne jede Walzung) kommt es beim Richten durch die hierbei geringen aufgebrachten Dehnungen (# < 1,5 %) an der Strangschale 1 und infolge der vorliegenden Temperaturen, die zwischen 950 und 850 C liegen, zu keiner Gefügeent- lastung durch dynamische Rekristallisation. Dies bedeutet, dass infolge des groben Kornes in der
Richtzone jene Faktoren zum Tragen kommen, die beim unrekristallisierten Austenit ein Duktilitätstief verursachen.
Erfindungsgemäss kommt es in Abhängigkeit von den eingestellten Verformungsbedingungen (Temperatur- und Deformationsrate) - wie aus Fig. 3 ersichtlich - vor dem Richten zu einer völligen
Umstrukturierung des Kornaufbaues durch dynamische Rekristallisation. Die hierfür günstigste
Oberflächentemperatur liegt in einem Bereich zwischen 0,6 vorzugsweise zwischen 0,75 und 0,8 homologer Temperatur, wobei nur geringe Dehnraten d#/dt von etwa 10-4 S-1 bei einer Gesamtdeh- nung von ca. 20 % erforderlich sind.
Da ein Werkstoffversagen durch eine transkristalline Rissbildung eintritt, u. zw insbesondere bei Vorhandensein von Oberflächenfehlern, wie Oszillationsmarken, können die Duktilitätseigenschaf- ten durch eine bei der Rekristallisation des Werkstoffes stattfindende Kornfeinung entscheidend verbessert werden. Untersuchungen an Nb-legierten Stahlen zeigen z. B ein indirekt proportionales Verhältnis zwischen der Austenitkorngrösse und der Duktilität. Ein zusätzlich positiver Einfluss auf die Werkstoffeigenschaften ergibt sich aus der lokalen Trennung von Korngrenzen und Ausschei- dungen. Sulfid-Nitridausscheidungen, die sich beim Abkühlen pnmär an den Austenitkorngrenzen anlagern, liegen nach dem Rekristallisieren im neugebildeten Korn. Die Folge ist eine wesentliche
Verbesserung der Duktilitätseigenschaften.
Dieses Verbesserungspotential konnte auch durch experimentelle Untersuchungen an C-Mn-, C-Mn-AI- und C-Mn-AI-Nb-Stählen nachgewiesen werden.
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Erfindungsgemäss wird während des Giessprozesses über eine hochtemperatur-thermomechanische Walzung gezielt auf Ausscheidungsvorgänge Einfluss genommen werden. Wie in vielen Untersuchungen bereits gezeigt wurde, kommt der Ausscheidung von Nitriden (AIN, NbN, VN,...) ein grosser Einfluss zu. Durch eine Rekristallisation knapp unterhalb der Löslichkeitstemperatur von nichtmetallischen Phasen kann deren Ausscheidung weitgehend verhindert oder verschoben werden. Bei der Rekristallisation werden potentielle Ausscheidungskeime vernichtet. Die länger in Lösung gehaltenen Fremdatome haben zusätzlich eine Verschiebung der y-a-Umwandlung zur Folge, d. h. eine für das Duktilitätsverhalten kritische voreutektische Ferritausscheidung kann gezielt verzögert werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich bestens für stark oberflächenrissempfindliche Stähle, die einer ganz bestimmten Strangführungstemperatur bedürfen, um rissfrei vergossen werden zu können. Insbesondere bei Senkrecht-Abbiegemaschinen werden durch den Richtprozess Dehnungen und Dehnraten erreicht, die bei ungünstigen Prozessparametern zu Oberflächendefekten führen können. Es handelt sich dabei um Quer-, Längs-, Netz- und insbesondere Kantenrisse.
Erfindungsgemäss erfolgt die hochtemperatur-thermomechanische Walzung durch Einstellen einer bestimmten Spaltverengung des Spaltes der Strangführung unterhalb der Stranggiesskokille, also dort, wo der Strang zum Vermeiden von Ausbauchungen an zwei einander gegenüberliegenden Seiten gestützt wird, z. B. durch Rollenbahnen. Dieser Spalt soll zur Reduzierung des Strangquerschnittes, d. h. der Strangdicke, einstellbar und nicht auf eine bestimmte Spaltverengung fix eingestellt sein, denn dies würde bei dynamischen Giessabläufen, die durch einen Pfannenwechsel, Verteilerwechsel, Tauchrohrwechsel bzw. bei Giessbeginn und Giessende erforderlich sind, einen vom optimalen Spalt der Strangführung abweichenden Spalt ergeben.
Durch die Spaltverengung ergibt sich die Möglichkeit, die hochtemperatur-thermomechanische Walzung mehrstufig durchzuführen, d. h. mehrere Verformungswalzen im Bereich der Spaltverengung einzusetzen. Es liegt jedoch auch im Rahmen der Erfindung, die hochtemperatur-thermomechanische Walzung einstufig durchzuführen.
Bei herkömmlichen Spalteinstellungen, bei denen der Spalt der Strangführung lediglich entsprechend einer dem Schrumpfmass des Stranges folgenden Verjüngung eingestellt ist, werden in der Richtzone zufolge der Richtkräfte die Kanten des Stranges zwar geglättet, jedoch werden die plastischen Deformationen in einem für das vergossene Metall kritischen Temperaturbereich aufgebracht, so dass durch diese beim Richten auftretenden Verformungen keine gefügeverbessernden Prozesse stattfinden können
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn im Bereich ab Austritt des Stranges aus der Kokille bis maximal vor der Richtzone ein Glättungsstich mit einem bestimmten definierten Reduktionsmass vorgenommen wird, so dass die Oszillationsmarken im Kantenbereich bzw. Stegbereich des Stranges ausgewalzt werden.
Die so gebildeten sehr glatten Kanten stehen ebenfalls einer Rissbildung entgegen. Durch die hochtemperatur-thermomechanische Walzung im oben beschriebenen Umfang wird anschliessend eine Umorientierung der Kornstruktur über den oberflächennahen Bereich des Stranges erzielt, vor allem im Bereich der durcherstarrten Stegbereiche des Stranges. Durch die Kombination Glättungsstich und hochtemperatur-thermomechanische Walzung werden die Belastbarkeit des deformierten Stegbereiches wesentlich erhöht und die Rissanfälligkeit bedeutend gesenkt. Hierdurch verträgt der Strang ein höheres Mass an Deformation beim Richten
Zur Festlegung des Ortes, an dem die hochtemperatur-thermomechanische Walzung stattfinden soll, eignen sich Abkühlungskurven, wie sie in den Fig. 5 und 6 für Stränge mit Brammenquerschnitt mit etwa einer Dicke von 250 mm dargestellt sind.
Es ist notwendig, jeweils die Giessgeschwindigkeit v zu berücksichtigen, da unterschiedliche Giessgeschwindigkeiten stark unter- schiedliche Abkühlkurven ergeben, wie die Fig 5 und 6 (Fig. 5 : = 0,7 m/min, Fig. 6 : = 1,4 m/min) erkennen lassen. Die Zahlen bei den einzelnen Kurvenzügen der Fig 5 und 6 geben den jeweiligen Abstand der Temperaturmessung von der Strangoberfläche wieder.
Zusammenfassend lassen sich die Bedingungen für eine erfindungsgemässe hochtemperaturthermomechanische Walzung wie folgt formulieren: # Gezielte plastische Verformung. Der optimale Bereich liegt bei 10 - 40 % im schädigungs- relevanten Oberflächenbereich. Damit wird für die meisten rissempfindlichen Stahlqualitäten
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eine ausreichende Umstrukturierung der Korngrenzenstruktur erreicht.
# Gezielter Temperaturverlauf im thermomechanisch verformten Bereich, um ein optimales
Korngrenzengleiten bei geringer plastischer Verformung zu ermöglichen.
# Beim Verformen im Oberflächen-Temperaturbereich zwischen 0,6 und 0,85 der homologen
Temperatur (ca. 900 bis 1200 C) kann eine völlige Umstrukturierung des Kornaufbaues durch dynamische Rekristallisation stattfinden.
# Gezielte Stichabnahme an der Schale: Der anzustrebende Wert soll so eingestellt werden, dass rund 10 - 40 % plastische Verformung im rissempfindlichen Bereich erreicht wird. Bei oberflächennahen Rissen ist die Risstiefe grösstenteils limitiert. Risstiefen > 10 mm (z.B.
Kantenrisse) sind selten anzutreffen. Im rissempfindlichen Bereich ist es damit möglich, schon mit relativ geringer Strangdickenabnahme lokal an der Strangoberfläche eine ausrei- chende plastische Verformung zu erlangen.
# Dynamische Spaltverstellung an der Strangführung zwischen Kokille und Richtzone.
# Dynamische Kühlmodell-Temperaturkontrolle der Oberfläche. Die Kombination einer dyna- mischen Spaltverstellung mit einem dynamischen Kühlmodell erlaubt es, den jeweils optimalen Bereich für die Verformung einzustellen.
Aus nachfolgendem Beispiel lässt sich das Einsparungspotential des erfindungsgemässen Verfahrens erkennen.
An einer Einstranggiessanlage zum Giessen von C-Stahlqualitäten wird z. B. eine Jahresproduktion von 1 Mio t stranggegossen. Hierbei sind rissempfindiiche Güten von ca 20 %, d.h.
200. 000 t/J enthalten. Durch Ausflämmen von Rissen an den Brammen dieser rissempfindlichen Güten entsteht ein Verlust (bei Maschinenflämmen pro Seite je 3 mm) von etwa 2,2 %, d.s. 4. 400 t/J Dies ergibt einen Wertverlust bei einem Wert von 2.700,00 ATS/t Stahl von 11,88 Mio ATS/J. Hierzu kommen noch die Kosten für das Flammen, die mit 600,00 ATS/h für 100 t/h angenommen werden können, in der Höhe von 1,2 Mio ATS/J, woraus ein Jahresverlust von 13,08 Mio ATS/J resultiert.
Eine überschlagsmässige Gegenüberstellung der Umrüstkosten einer herkömmlichen Stranggiessanlage auf eine Stranggiessanlage zur Verwirklichung des erfindungsgemässen Verfahrens, d.h. mit einstellbarem Spalt der Strangführung, ergibt eine Amortisation der Investitionskosten nach etwa ein bis zwei Jahren. Vorteile, die durch den Direkteinsatz der stranggegossenen Brammen entstehen, sind dabei noch nicht berücksichtigt.
PATENTANSPRÜCHE:
1 Verfahren zum Stahl-Stranggiessen eines Stranges, insbesondere zum Stranggiessen von oberflächenrissempfindlichen Stahlsorten, wie z.B. Aluminium-beruhigter, mikrolegierter oder peritektischer Stähle, wobei der Strang in einer Stranggiessanlage einer Verformung unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Strang einer hochtemperatur-thermo- mechanischen Walzung bei einer Oberflächen-Temperatur > Ac3 unterworfen wird.