BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Giessen von Metallbändern direkt aus der Schmelze auf die Oberfläche eines bewegten Kühlkörpers, gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Bei der Herstellung von Metallblechen und Metallbändern, insbesondere von Stahlblechen, wird nach dem heutigen Stand der Technik für den Hauptanteil des produzierten Materials ein mehrstufiger Produktionsablauf gewählt. Die grossindustrielle Herstellung von Stahlblechen verläuft beispielsweise in zwei Hauptstufen, von denen die erste Stufe in dem Vergiessen der Metallschmelze auf einer Stranggussanlage, beispielsweise zu Brammen, besteht. Diese Zwischenfabrikate werden direkt oder nach dem vollständigen Abkühlen einem Walzvorgang zugeführt, wobei sie erneut auf Glühtemperatur erhitzt werden müssen und der Walzvorgang in der Regel in mehreren Schritten erfolgt.
Der gesamte Aufwand für das Vergiessen des flüssigen Metalls zu den Zwischenfabrikaten sowie das anschliessende Aufheizen zum Walzen und der Walzvorgang selbst sind mit einem erheblichen Anlagen- und Energieaufwand verbunden.
Da ein grosser Anteil des Metallverbrauchs in Form von Blechen erfolgt, waren schon in der Vergangenheit verschiedene Bestrebungen darauf gerichtet, die Herstellung von Metallblechen dahingehend zu vereinfachen, dass die Bleche in einem einzigen Verfahrensschritt hergestellt werden können.
So sind beispielsweise Verfahren und Vorrichtungen zum direkten Vergiessen von Metallschmelzen auf bewegte Kühlkörper bekannt, wobei in der Regel eine Kühltrommel oder ein bewegtes Kühlband verwendet wird. Der Oberfläche der Kühltrommel bezw. des Kühlbandes wird die Metallschmelze über ein düsenähnliches Austragelement zugeführt. Dabei zählen zu den geläufigsten Verfahrensparametern für den Giessprozess die Düsengeometrie, die Bewegungsgeschwindigkeit der Kühlkörperoberfläche gegenüber dem Düsenauslass und die Wärmeleitfähigkeit der Kühlkörperoberfläche.
Die Abkühlgeschwindigkeit des auf der Kühlkörperoberfläche haftenden vergossenen Materials muss nach bekannten Vorschlägen auf die Giessgeschwindigkeit abgestimmt sein.
Versuche, dieses Verfahren grosstechnisch zu nutzen, sind bisher daran gescheitert, die Steuerung der Verfahrensparameter optimal zu gestalten und sie über längere Zeit stabil zu halten. Die Verfahren wurden vielmehr in kleinerem Massstab für Sonderzwecke, z.B. für die Herstellung sehr dünner Folien oder Bänder mit besonderen Eigenschaften verwendet. Eine breite Anwendung, z. B. zur Herstellung von Massenstählen, konnten diese Verfahren bisher nicht finden.
Damit das Vergiessen grösserer Mengen Metallschmelze zu Metallbändern technisch möglich wird, ist die Beherrschung der verschiedenen Verfahrensparameter unbedingte Voraussetzung. Versuche zur technischen Beherrschung dieser Parameter in ihrer gegenseitigen Abhängigkeit wurden bisher nur ansatzweise unternommen, ohne dass sie zu brauchbaren Resultaten geführt hätten.
Lösungsansätze im Rahmen bekannter Verfahren führen einerseits über sehr dünne vergossene Metallbleche, denen die Wärme während ihres Kontaktes mit der Kühlkörperoberfläche relativ schnell entzogen werden kann, und andererseits über vergrösserte Kühlkörper, also z.B. Trommeln mit einem erheblichen Durchmesser oder aber sehr lange Kühlkörperbänder, welche über Führungs- und Stützelemente durch Kühlbereiche umgeleitet werden mussten.
Die Bestrebungen im Rahmen bisheriger Lösungsansätze zur Verbesserung der Kühlleistung haben sich im wesentlichen darauf konzentriert, die Kühlkörper von der der Giessoberfläche entgegengesetzten Seite her, in der Regel also von innen her, zu kühlen. Dazu wird im allgemeinen eine Kühlflüssigkeit, vorzugsweise Wasser, verwendet. Die Kühlkörperoberfläche besteht aus einem gut wärmeleitenden Material, aus Preisgründen vorzugsweise aus Kupfer oder Kupferlegierungen, so dass die Wärme von der Giessoberfläche des Kühlkörpers möglichst effektiv auf die stark gekühlte Gegenseite des Kühlkörpers geleitet wird. Trotz dem ist diese Art der Wärmeleitung relativ träge und durch die Wärmeleitungseigenschaften des Kühlkörpermaterials grundsätzlich begrenzt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, welche die Herstellung von Metallbändern direkt aus der Schmelze unter Verwendung eines bewegten Kühlkörpers derart erleichtern, dass sich durch eine verbesserte Berücksichtigung der verschiedenen Verfahrensparameter und ihrer gegenseitigen Abhängigkeit eine produktionstechnisch einsetzbare Prozesssteuerung ergibt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die in den Patentansprüchen 1 und 5 definierten Merkmale gelöst.
Durch geeignete Steuerung einzelner Verfahrensparameter, z. B. des Giessdrucks, der in der Giessdüse auf die Schmelze ausgeübt wird, lässt sich der Schmelzen-Meniskus, der sich zwischen der Einlaufkante der Düse und der Oberfläche des Kühlkörpers ausbildet, so einstellen, dass der Phasen-Tripelpunkt auf die Kühlkörperoberfläche zu liegen kommt. Diese Bedingung hat sich als besonders vorteilhaft zur Herstellung von Bändern mit möglichst gleichmässiger Qualität erwiesen. Als Folge dieser Massnahme lassen sich Giesskörper nach anderen Kriterien auswählen als dies bisher der Fall war. Insbesondere führt dies zum Einsatz von Giesskörpermaterial, welches sich besser beherrschen lässt und welches bessere mechanische Eigenschaften aufweist als das bisher für diesen Zweck fast ausschliesslich verwendete Kupfer.
Im folgenden werden Einzelheiten der Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 die Prinzipdarstellung einer auf die Oberfläche eines Kühlkörpers gerichteten Giessdüse und
Fig. 2 eine Einrichtung zur Durchführung des Giessverfahrens.
Figur 1 zeigt die grundsätzlichen Mass- und Strömungsverhältnisse beim Ausströmen einer Metallschmelze aus einer Düse 1 auf die Oberfläche eines bewegten Kühlkörpers 2. Der Kühlkörper bewegt sich mit einer Geschwindigkeit u gegenüber dem Düsenauslass in Pfeilrichtung, in Figur 1 also nach rechts; Die Spaltbreite der Düse in Richtung der Kühlkörperbewegung beträgt dO. Die hintere Kante 3 der Düse weist gegenüber der Kühlkörperoberfläche einen Abstand dl auf. Die Dicke des entstehenden bandförmigen Materials beträgt d2.
Aus der Düse tritt die Schmelze mit einer Geschwindigkeit v aus, wobei im Innenraum der Düse ein Druck P besteht. Die Dichte der Schmelze beträgt ro , während sigma deren Oberflächenspannung bedeutet.
Wie in Figur 1 ferner angedeutet, bildet sich im Bereich der Einlaufkante der Düse ein Meniskus, welcher der Einfachheit halber kreisförmig mit dem Radius R dargestellt ist.
Die Mantelfläche des Kühlkörpers 2 besteht aus gut wärmeleitendem Material und ist zwangsgekühlt, zum Beispiel mit Wasser. Die Zwangskühlung kann von der Innenseite des Kühlkörpers vorgenommen werden oder auch von der Oberseite. Es können auch beide Kühlungsarten gemeinsam vorgesehen sein. Unter dem Einfluss der Kühlung und der relativ hohen Geschwindigkeit u des bewegten Kühlkörpers 2 beginnt die Erstarrung des gegossenen Materials bereits am Punkt T. Ausgehend von diesem Punkt nimmt die Wanddicke des erstarrten Materials bis zur endgültigen Dikke d2 zu.
Gemäss der bekannten Lehre hat neben der Bewegungsgeschwindigkeit u des Kühlkörpers, der Düsenspaltbreite dO sowie dem Druck, unter welchem die Schmelze durch die Düsenöffnung gedrückt wird, die Wärmeleitfähigkeit der Kühlkörperoberfläche eine entscheidende Bedeutung für den Erfolg des Giessverfahrens bzw. für die Qualität der Giessprodukte.
Für die Wärmebilanz im Kühlkörper ist nach der herrschenden Lehre wegen der hohen Wärmebelastung die Wärmeleitfähigkeit ein entscheidender Verfahrensparameter. Bei der näheren Überprüfung des Sachverhaltes hat sich nun überraschenderweise gezeigt, dass zur Erzielung einwandfreier Giessqualitäten, insbesondere einwandfreier Oberflächenqualitäten, weniger die Wärmeleitfähigkeit als entscheidender Verfahrensparameter anzusehen ist, als vielmehr die Benetzbarkeit der Oberfläche am Kühlkörper 2.
Im einzelnen wurde z.B. festgestellt, dass unter den im folgenden angegebenen Versuchsbedingungen die Verwendung von Kupfer als Giessfläche trotz seiner guten Wärmeleitfähigkeit zu keinen einwandfreien Giessprodukten führte.
Die-Versuchsbedingungen waren: dl = 0,2mm dO = 0,35 mm
P = 0,2 bar u = 20-25m/s d2 = 30-40 um (Schutzgasatmosphäre) Die Oberflächen dieser Produkte waren ungleichmässig. Ferner traten häufige Abrisse auf.
Ein Auswechseln des Kühlkörperwerkstoffs durch einen Kühlkörper aus einer Eisenlegierung führte überraschenderweise bei sonst gleichen Versuchsbedingungen zu völlig einwandfreien Produkten.
Eine Überprüfung der Verfahrensparameter sowie der physikalischen Zusammenhänge ergab das folgende überraschende Ergebnis:
Der sich im Bereich der Einlaufkante 3 der Düse 1 bildende Meniskus mit dem Radius R stellt offenbar ein wichtiges Kriterium für die gleichmässige und kontrollierte Ausbildung des Bandes dar. Innerhalb des Meniskus ist der Beginn der Erstarrung, d. h. die Lage des Tripelpunktes T fest/flüssig (Schmelze)/Gasphase entscheidend. Nähere Untersuchungen haben gezeigt, dass die Lage des Tripelpunktes T längs der Kühlkörperoberfläche, bezogen auf den Düsenauslass do einen wesentlichen Einfluss auf die Oberflächenqualität des Giessproduktes, also der gegossenen Bänder, hat.
Es hat sich gezeigt. dass im Hinblick auf ein möglichst ungestörtes Schalenwachstum der Tripelpunkt T auf der Oberfläche des Kühlkörpers liegen sollte. Übertragen auf die vorliegenden Verhältnisse gemäss Figur 1 bedeutet dies, dass ein Verschieben des Tripelpunktes von T zu T1 eine Qualitätsverschlechterung bringen würde, während der Bereich zwischen T und T2 den Idealbereich darstellt.
Weitergehende theoretische Untersuchungen und Versuchsreihen haben nun gezeigt, dass die Lage des Tripelpunktes T durch die Wärmeleitfähigkeit des Kühlkörpermaterials nicht besonders stark beeinflusst wird. Einen wesentlich stärkeren Einfluss haben die Benetzbarkeit der Kühlkörperoberfläche durch die vergossene Schmelze und die augenblickliche Temperatur im Bereich der aufgebrachten Schmelze. Die Temperatur könnte dabei durch massive äussere Kühlung, sogar bei Verwendung eines schlechteren Wärmeleiters als Kühlkörper eingehalten werden. Weitere Versuchsreihen in dieser Richtung zeigten. dass tatsächlich die Kombination zwischen der Schmelze und dem Kühlkörper die Lage des Tripelpunktes T entscheidend beeinflussen.
Im einzelnen ist die Meniskusform, unter der vorliegenden Annahme gemäss Figur 1 also der Radius R, eine Funktion der Oberflächenspannung der Schmelze und der Wärmeleitfähigkeit der Gasphase im Meniskusbereich. also eine
Funktion der Wärmeleitung zwischen der Schmelze und der
Gasatmosphäre im Bereich des Abstandes dl. Von Einfluss ist auch der Sprung der Wärmeleitung beim Übergang der
Schmelze von der Gasatmosphäre innerhalb des Abstandes dt auf die I(üillk0Ptzellobernlke. 8I0e es d@e starken
Einflusses der Benetzbarkeit der Kühlkörperoberfläche ist.
dass es auf eine ideale Materialpaarung zwischen der Ober fläche des Kühlkörpers und der Schmelze. genauer deren Oberflächenspannung beziehungsweise Viskosität. an kommt.
Die Erkenntnisse aus den geschilderten Beobachtungen liefern das überraschende Ergebnis, dass sich bei einer vorbestimmten Düsengeometrie die Meniskusform durch die
Werkstoffpaarung Kühloberfläche/Schmelze einstellen lässt.
Dieser Zusammenhang ist für die verschiedenen Werkstoffpaarungen von unterschiedlicher Wichtigkeit. Entscheidend ist hierbei die jeweils erreichte der angestrebten Erstarrungsformen amorph kristallin und die entsprechende Verände rung der Viskosität während der Abkühlung. Zur Erreichung dieses Ziels. nämlich der Positionierung des Tripelpunktes in dem gewünschten Bereich, wird während des Giessprozesses eine Steuerung beziehungsweise Regelung der Parameter über die Geschwindigkeit u und/oder den Druck P vorgenommen.
Da es aus rein praktischen Erwägungen zweckmässig ist. die Geschwindigkeit u konstant zu halten, so dass die vergossenen Bänder mit gleichmässiger Geschwindigkeit abgezogen bzw. aufgerollt werden können, bleibt bei vorgegebener Materialpaarung Kühlkörperoberfläche Schmelze und Gasatmosphäre als wesentlicher Steuerungsparameter zur Beeinflussung der Lage des Tripelpunktes T der Druck P, welcher innerhalb des Düsenkörpers 1 auf die Schmelze ausgeübt wird.
Für die Herstellung von Stahlbändern hat es sich bei optimaler Einstellung der erwähnten Parameter als zweckmässig erwiesen, den Tripelpunkt T in einem Toleranzbereich einzustellen, welcher sich um einen bestimmten Betrag nach beiden Seiten um die Projektion der Spaltbreite dO auf die Kühlkörperoberfläche erstreckt. Als Toleranzbereich für die Einstellung des Tripelpunktes T gilt 5 x dO, gemessen auf der Kühlkörperoberfläche.
In Weiterentwicklung des beschriebenen Verfahrens hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, zur Einstellung des Meniskus nicht nur den Druck P heranzuziehen sondern mindestens einen weiteren Parameter. Von entscheidender Bedeutung für die geometrische Form des Meniskus ist der Abstand dl. Im Hinblick auf eine angestrebte automatische Nachführung der Verfahrensparameter in einem möglichst breiten Regelbereich hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen. den Abstand dl zwischen der Düseneinlaufkante und der Kühlkörperoberfläche ebenfalls einstellbar zu halten. vorzugsweise gesteuert bzw. geregelt. Die Grundeinstellung des Abstandes dl wird durch geeignete Stellmittel am Düsenkörper 1. zum Beispiel durch einen Linearmotor oder geeignete steuerbare Hubelemente. auf den gewünschten Wert vorgenommen.
Die für die Verstellung der Düse 1 erforderlichen Stellsignale liefert ein Computer 10, der aufgrund einer Dickenmessung mit Hilfe einer Dickenmesssonde 11 die Regelgrösse erfasst und unter Berücksichtigung einer vorgegebenen Führungsgrösse die Regelabweichung und daraus die Stellgrösse berechnet. Anstelle einer Dickenmesssonde 11 kann auch ein anderes Indikatorelement zur Erfassung der Banddicke am gegossenen Band verwendet werden. Beispielsweise lassen sich optische Messverfahren oder andere schnell ansprechende und hochempfindliche Dickenmesselemente ver wenden.
Der Kühlkörper 1 kann beispielsweise als Trommel ausgebildet sein. welche in einem nicht näher dargestellten Ständer bzw. Gehäuse gelagert ist. Lagerung und Ausbildung der Trommel sind derart, dass die Oberfläche des Kühlkörpers gegenüber dem stationären Düsenkörper eine Geschwindigkeit in der Grössenordnung von beispielsweise 20 m/s er reicht. Band 4 wird aus (ler gcLmelze ] auf Jer Trommelolerna- che bildende Band 4 wird auf geeignete Weise von der Trom meloberfläche abgelöst und anschliessend von der Giessvorrichtung weggeführt, beispielsweise zu einem Bund aufgewickelt.
Der grösste Teil der freien Kühlkörperoberfläche, zwischen dem Ablösebereich des gegossenen Bandes und der Düsenposition, ist gemäss Figur 1 von einem fluiden Kühlmittel benetzt. Als Kühlmittel dient vorzugsweise eine Flüssigkeit, zum Beispiel Wasser, welches in einem geschlossenen und gegenüber der Trommeloberfläche weitgehend abgedichteten Gehäuse durch geeignete Strömungskanäle geführt wird.
Ein für den Kühlkörper 2 vorgesehener Antrieb 5 steht vorzugsweise mit einem Computer 10 in Verbindung, so dass die genaue Drehgeschwindigkeit des Kühlkörpers 2 als Regelgrösse in der Steuereinrichtung 11 zusammen mit anderen vorgegebenen Parametern zur Steuerung von Druck und Temperatur des Kühlmittels berücksichtigt werden kann.
In Abwandlung des beschriebenen Ausführungsbeispiels kann nach dem gleichen Prinzip die Oberfläche des Kühlkörpers 1 anstatt in einem strömenden Kühlmittelbad auch mit Hilfe von Düsen und anderen Vorrichtungen zwangsweise mit einem Kühlmittel besprüht beziehungsweise benetzt werden.
Durch die beschriebene Aussenkühlung, also die Kühlung derjenigen Kühlkörperoberfläche, welche als Giessoberfläche dient, wird eine besonders effektive und schnelle Ableitung der erheblichen Wärmemenge auf der Trommeloberfläche erreicht. Wie oben bereits ausgeführt wurde, spielt die Wärmeleitung durch die Wandung des Kühlkörpers nicht die entscheidende Rolle, wie dies früher vermutet worden war.
Für den einwandfreien Ablauf des beschriebenen Giessverfahrens würden sich insbesondere Verunreinigungen durch Fremdkörper oder Elemente, welche die Benetzbarkeit der Kühlkörperoberfläche verändern, störend, wenn nicht verheerend auswirken. Im Beispiel ist daher im Einlaufbereich kurz vor dem Düsenkörper ein Reinigungselement 20 angeordnet, welches die Kühlkörperoberfläche sauber hält. Dieses kann beispielsweise als Rollenbürste ausgebildet sein.
Die Auflage der Düse auf der Kühlkörper-Oberfläche kann über ein Luftkissenelement 30 erfolgen. Dabei kann eine Vorspannfeder 31 oder ein ähnliches Element gegenüber dem Luftkissen eine Vorspannung aufbauen, so dass der Auflagedruck gegenüber der Kühlkörper-Oberfläche wählbar bzw. einstellbar ist. Die Düse kann sogar auf der ausgebrachten Schmelze schwimmend gelagert sein. Der geeignete Abstand der Düsenöffnung gegenüber der Oberfläche des Kühlkörpers lässt sich beispielsweise durch eine Regelung des Schmelzendruckes in der Düse entsprechend bestimmter Vorgaben regeln.
Mit Hilfe einer zusätzlich angeordneten Messeinrichtung 32 wird die exakte Höhe der Düsenöffnung gegenüber der Oberfläche der Kühlkörper-Oberfläche bestimmt und entsprechend der Druck Pl für das Luftkissenelement 30 eingestellt, so dass der Düsenabstand gegenüber der Oberfläche des Kühlkörpers 2 konstant bleibt. Erreicht wird die Steuerfunktion durch eine in Figur 3 nicht näher ausgeführte Steuereinrichtung. welche an das Hubelement 8 angeschlossen ist.
Anstelle eines Luftkissens kann auch ein entsprechendes Kissen aus einem beliebigen anderen geeigneten Gas bzw.
Fluid verwendet werden.
Für die Konstruktion einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wirkt sich die Erkenntnis besonders vorteilhaft aus, dass die Wärmeleitfähigkeit des Kühlkörpers von weniger entscheidender Bedeutung ist als früher angenommen. Es hat sich daher als äusserst vorteilhaft erwiesen, anstelle der früher allgemein verwendeten Kupferflächen solche aus Eisen oder Eisenlegierungen zu verwenden, welche zwar eine etwas schlechtere Wärmeleitfähigkeit aufweisen, dafür aber bessere Festigkeitseigenschaften. Beispielsweise unterliegen Giesstrommeln aus Eisen oder Eisenlegierungen weniger stark der Gefahr einer Deformation, wie dies für das relativ weiche Kupfer der Fall ist. Es lassen sich damit nicht nur preisgünstigere und stabilere Giesskörper verwenden, sondern der gesammte Giessprozess lässt sich einfacher und präziser kontrollieren.
Insgesamt ergeben sich dadurch stabilere Verhältnisse nicht nur bezüglich der Benetzbarkeit der Giessfläche sondern auch bezüglich der Beherrschbarkeit des Giessprozesses. Ferner lässt sich eine wesentliche Verbesserung der Standzeiten für die Giessoberfläche erreichen, so dass die Lebensdauer dieser Bauelemente erheblich verlängert werden konnte.
Wegen des grossen Einflusses der Benetzbarkeit der Kühlkörperoberfläche durch die Schmelze ist es vorteilhaft, für unterschiedliche Schmelzenzusammensetzungen verschiedene, auf die Schmelze hinsichtlich optimaler Benetzbarkeit abgestimmte Kühlkörper zu verwenden. In solchen Fällen ist es daher zweckmässig, die Kühlkörper auswechselbar zu lagern und aus einem Vorrat unterschiedlicher Kühlkörper jeweils das optimale in die Giessvorrichtung einzusetzen.
Zur Funktion der Steuerungseinrichtung 10 gelten unter Bezug auf Fig. 1 die folgenden grundsätzlichen Betrachtungen:
Der Abstand dl steht mit der Oberflächenspannung der Schmelze und dem Druck P bei gegebener Schmelzenzuflussgeschwindigkeit v und gegebener Geschwindigkeit u der Oberfläche des Kühlkörpers 2 gegenüber dem Düsenauslass über folgende Beziehung in Verbindung:
EMI4.1
und damit:
EMI4.2
Darin bedeuten gemäss der Darstellung in den Figuren 6 die Oberflächenspannung und p die Dichte der Schmelze, dO die Breite der Düsenöffnung in Bewegungsrichtung des Kühlkörpers sowie d2 die Dicke des zu erzeugenden Bandes.
Unter Beachtung dieses Zusammenhangs werden die Verfahrensparameter unter Berücksichtigung metallurgischer Gesichtspunkte mit Hilfe der Steuerungseinrichtung 10 nach den oben angegebenen Regeln überwacht und nachgeführt.
Mit dem beschriebenen Verfahren sowie der beschriebenen Einrichtung lassen sich nicht nur amorphe, sondern besonders vorteilhaft auch kristalline Strukturen herstellen.