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.
DESCRIPTION
The invention relates to a method for casting metal strips directly from the melt onto the surface of a moving heat sink, according to the preamble of claim 1, and an apparatus for carrying out this method.
In the production of metal sheets and metal strips, in particular steel sheets, a multi-stage production process is selected according to the current state of the art for the majority of the material produced. The large-scale industrial production of steel sheets takes place, for example, in two main stages, of which the first stage consists in the casting of the molten metal on a continuous casting plant, for example into slabs. These intermediate products are fed to a rolling process directly or after they have completely cooled down, in which case they have to be reheated to the annealing temperature and the rolling process generally takes place in several steps.
The entire effort for the pouring of the liquid metal into the intermediate products as well as the subsequent heating for rolling and the rolling process itself are associated with a considerable investment in plant and energy.
Since a large proportion of the metal consumption takes place in the form of metal sheets, various efforts have been made in the past to simplify the production of metal sheets in such a way that the metal sheets can be produced in a single process step.
For example, methods and devices for the direct casting of molten metal onto moving heat sinks are known, a cooling drum or a moving cooling belt generally being used. The surface of the cooling drum. the molten metal is fed to the cooling belt via a nozzle-like discharge element. The most common process parameters for the casting process include the nozzle geometry, the speed of movement of the heat sink surface relative to the nozzle outlet and the thermal conductivity of the heat sink surface.
The cooling rate of the potted material adhering to the heat sink surface must be matched to the casting rate according to known proposals.
Attempts to use this process on an industrial scale have so far failed to optimally design the control of the process parameters and to keep them stable over a long period of time. Rather, the processes have been scaled up for special purposes, e.g. used for the production of very thin foils or tapes with special properties. A wide application, e.g. B. for the production of bulk steels, could not find this method so far.
In order that the casting of large quantities of molten metal into metal strips is technically possible, mastering the various process parameters is an essential requirement. Attempts to technically master these parameters and their interdependency have so far only been attempted to some extent without leading to usable results.
Approaches in the context of known methods lead on the one hand to very thin cast metal sheets, from which the heat can be removed relatively quickly during their contact with the heat sink surface, and on the other hand to enlarged heat sinks, e.g. Drums with a considerable diameter or very long heat sink belts, which had to be diverted through cooling areas via guide and support elements.
The efforts in the context of previous approaches to improve the cooling performance have essentially concentrated on cooling the heat sinks from the side opposite the casting surface, generally from the inside. A cooling liquid, preferably water, is generally used for this purpose. The heat sink surface consists of a good heat-conducting material, for reasons of price, preferably copper or copper alloys, so that the heat from the casting surface of the heat sink is conducted as effectively as possible to the strongly cooled opposite side of the heat sink. Despite this, this type of heat conduction is relatively sluggish and is fundamentally limited by the heat conduction properties of the heat sink material.
The object of the present invention is to provide a method and a device which facilitate the production of metal strips directly from the melt using a moving heat sink in such a way that improved control of the various process parameters and their interdependency results in process control that can be used in production technology.
This object is achieved according to the invention by the features defined in claims 1 and 5.
By suitable control of individual process parameters, e.g. B. the casting pressure that is exerted on the melt in the pouring nozzle, the melt meniscus that forms between the leading edge of the nozzle and the surface of the heat sink can be adjusted so that the phase triple point comes to rest on the surface of the heat sink . This condition has proven to be particularly advantageous for the production of tapes with as uniform a quality as possible. As a result of this measure, cast bodies can be selected according to different criteria than was previously the case. In particular, this leads to the use of cast body material which is easier to control and which has better mechanical properties than the copper which has hitherto been used almost exclusively for this purpose.
Details of the invention are explained in more detail below on the basis of preferred exemplary embodiments with the aid of the drawings.
Show it:
Fig. 1 shows the schematic diagram of a pouring nozzle directed onto the surface of a heat sink and
Fig. 2 shows a device for performing the casting process.
FIG. 1 shows the basic dimensions and flow conditions when a molten metal flows out of a nozzle 1 onto the surface of a moving heat sink 2. The heat sink moves at a speed u relative to the nozzle outlet in the direction of the arrow, ie to the right in FIG. 1; The gap width of the nozzle in the direction of the heat sink movement is dO. The rear edge 3 of the nozzle is at a distance dl from the heat sink surface. The thickness of the resulting band-shaped material is d2.
The melt emerges from the nozzle at a speed v, a pressure P existing in the interior of the nozzle. The density of the melt is ro, while sigma means its surface tension.
As also indicated in FIG. 1, a meniscus is formed in the area of the inlet edge of the nozzle, which is shown in a circle with the radius R for the sake of simplicity.
The outer surface of the heat sink 2 consists of good heat-conducting material and is forced-cooled, for example with water. The forced cooling can be carried out from the inside of the heat sink or from the top. Both types of cooling can also be provided together. Under the influence of the cooling and the relatively high speed u of the moving heat sink 2, the solidification of the cast material begins at point T. Starting from this point, the wall thickness of the solidified material increases up to the final thickness d2.
According to the known teaching, in addition to the speed of movement u of the heat sink, the nozzle gap width dO and the pressure under which the melt is pressed through the nozzle opening, the thermal conductivity of the heat sink surface is of decisive importance for the success of the casting process and for the quality of the casting products.
According to the prevailing teaching, thermal conductivity is a decisive process parameter for the heat balance in the heat sink due to the high thermal load. When examining the facts more closely, it has now surprisingly been found that to achieve flawless casting qualities, in particular flawless surface qualities, less the thermal conductivity is to be regarded as a decisive process parameter than the wettability of the surface on the heat sink 2.
In particular, e.g. found that, under the test conditions given below, the use of copper as the casting surface, despite its good thermal conductivity, did not lead to perfect casting products.
The test conditions were: dl = 0.2mm dO = 0.35mm
P = 0.2 bar u = 20-25m / s d2 = 30-40 µm (protective gas atmosphere) The surfaces of these products were uneven. Frequent demolitions also occurred.
Replacing the heat sink material with a heat sink made of an iron alloy surprisingly led to completely flawless products under otherwise identical test conditions.
A review of the process parameters and the physical relationships gave the following surprising result:
The meniscus with the radius R forming in the area of the leading edge 3 of the nozzle 1 obviously represents an important criterion for the uniform and controlled formation of the band. Inside the meniscus is the beginning of the solidification, i. H. the position of the triple point T solid / liquid (melt) / gas phase is decisive. Further investigations have shown that the position of the triple point T along the heat sink surface, in relation to the nozzle outlet do, has a significant influence on the surface quality of the cast product, that is to say of the cast strips.
It has shown. that the triple point T should lie on the surface of the heat sink with a view to the undisturbed shell growth. Applied to the present conditions according to FIG. 1, this means that shifting the triple point from T to T1 would bring about a deterioration in quality, while the area between T and T2 represents the ideal area.
Further theoretical investigations and test series have now shown that the position of the triple point T is not particularly influenced by the thermal conductivity of the heat sink material. The wettability of the heat sink surface due to the cast melt and the instantaneous temperature in the area of the applied melt have a much stronger influence. The temperature could be maintained by massive external cooling, even when using a poorer heat conductor as a heat sink. Further test series in this direction showed. that actually the combination between the melt and the heat sink decisively influence the position of the triple point T.
Specifically, the meniscus shape, ie the radius R under the present assumption according to FIG. 1, is a function of the surface tension of the melt and the thermal conductivity of the gas phase in the meniscus area. so one
Function of heat conduction between the melt and the
Gas atmosphere in the range of the distance dl. The jump in heat conduction at the transition of the
Melt from the gas atmosphere within the distance dt to the I (üillk0Ptzellobernlke. 8I0e es d? E strong
Influence of the wettability of the heat sink surface.
that there is an ideal material pairing between the surface of the heat sink and the melt. more precisely their surface tension or viscosity. arrives.
The findings from the described observations provide the surprising result that the meniscus shape changes with a predetermined nozzle geometry
Material pairing cooling surface / melt can be adjusted.
This relationship is of different importance for the different material pairings. What is decisive here is the amorphous crystallization of the desired forms of solidification and the corresponding change in viscosity during cooling. To achieve this goal. namely, the positioning of the triple point in the desired area, the parameters are controlled or regulated via the speed u and / or the pressure P during the casting process.
Since it is practical for purely practical reasons. keeping the speed u constant, so that the cast tapes can be pulled off or rolled up at a constant speed, remains the essential control parameter for influencing the position of the triple point T, the pressure P, which is inside the nozzle body 1, given the material pairing of the heat sink surface, melt and gas atmosphere the melt is exerted.
For the production of steel strips, it has proven expedient to set the triple point T within a tolerance range, which extends by a certain amount on both sides by the projection of the gap width dO onto the heat sink surface, with the optimum setting of the parameters mentioned. The tolerance range for setting the triple point T is 5 x dO, measured on the heat sink surface.
In a further development of the described method, it has proven to be particularly advantageous not only to use the pressure P to adjust the meniscus, but at least one further parameter. The distance dl is of crucial importance for the geometric shape of the meniscus. With regard to the desired automatic tracking of the process parameters in the widest possible control range, it has proven to be particularly advantageous. keep the distance dl between the nozzle inlet edge and the heat sink surface also adjustable. preferably controlled or regulated. The basic setting of the distance d1 is made by means of suitable adjusting means on the nozzle body 1, for example by means of a linear motor or suitable controllable lifting elements. to the desired value.
The control signals required for the adjustment of the nozzle 1 are supplied by a computer 10 which, based on a thickness measurement with the aid of a thickness measurement probe 11, detects the control variable and calculates the control deviation and the control variable from it, taking into account a predetermined control variable. Instead of a thickness measuring probe 11, another indicator element can also be used to record the strip thickness on the cast strip. For example, optical measuring methods or other quickly responding and highly sensitive thickness measuring elements can be used.
The heat sink 1 can be designed, for example, as a drum. which is stored in a stand or housing, not shown. Storage and formation of the drum are such that the surface of the heat sink compared to the stationary nozzle body reaches a speed in the order of magnitude of, for example, 20 m / s. Band 4 is removed from the band 4 forming on the drum drum surface in a suitable manner and is then removed from the drum surface and then led away from the casting device, for example wound up into a bundle.
Most of the free heat sink surface, between the detachment area of the cast strip and the nozzle position, is wetted by a fluid coolant according to FIG. A liquid, for example water, is preferably used as the coolant, which is guided through suitable flow channels in a closed housing that is largely sealed off from the drum surface.
A drive 5 provided for the heat sink 2 is preferably connected to a computer 10 so that the precise rotational speed of the heat sink 2 can be taken into account as a controlled variable in the control device 11 together with other predetermined parameters for controlling the pressure and temperature of the coolant.
In a modification of the exemplary embodiment described, the surface of the heat sink 1 can also be forcedly sprayed or wetted with a coolant using nozzles and other devices, instead of in a flowing coolant bath.
The described external cooling, that is to say the cooling of the heat sink surface which serves as the casting surface, leads to a particularly effective and rapid dissipation of the considerable amount of heat on the drum surface. As already explained above, heat conduction through the wall of the heat sink does not play the decisive role, as was previously assumed.
In particular, contamination from foreign bodies or elements that change the wettability of the heat sink surface would have a disruptive, if not devastating, effect on the smooth running of the casting method described. In the example, therefore, a cleaning element 20 is arranged in the inlet area just before the nozzle body, which keeps the heat sink surface clean. This can be designed, for example, as a roller brush.
The nozzle can rest on the heat sink surface via an air cushion element 30. A prestressing spring 31 or a similar element can build up a prestress with respect to the air cushion, so that the contact pressure can be selected or adjusted with respect to the heat sink surface. The nozzle can even be floating on the applied melt. The suitable distance of the nozzle opening from the surface of the heat sink can be regulated, for example, by regulating the melt pressure in the nozzle in accordance with certain specifications.
With the aid of an additionally arranged measuring device 32, the exact height of the nozzle opening with respect to the surface of the heat sink surface is determined and the pressure Pl for the air cushion element 30 is set accordingly, so that the nozzle distance with respect to the surface of the heat sink 2 remains constant. The control function is achieved by a control device which is not shown in FIG. 3. which is connected to the lifting element 8.
Instead of an air cushion, a corresponding cushion made of any other suitable gas or
Fluid can be used.
For the construction of a device for carrying out the method, the finding that the thermal conductivity of the heat sink is of less critical importance than previously assumed has a particularly advantageous effect. It has therefore proven to be extremely advantageous to use iron or iron alloys instead of the copper surfaces generally used in the past, which have a somewhat poorer thermal conductivity, but better strength properties. For example, cast drums made of iron or iron alloys are less subject to the risk of deformation, as is the case for the relatively soft copper. Not only can cheaper and more stable casting bodies be used, but the entire casting process can be controlled more easily and precisely.
Overall, this results in more stable conditions not only with regard to the wettability of the casting surface but also with regard to the controllability of the casting process. Furthermore, a significant improvement in the service life for the casting surface can be achieved, so that the service life of these components could be extended considerably.
Because of the great influence of the wettability of the heat sink surface by the melt, it is advantageous to use different heat sinks which are matched to the melt with regard to optimal wettability for different melt compositions. In such cases, it is therefore expedient to store the heat sinks interchangeably and to insert the optimal one into the casting device from a supply of different heat sinks.
The following basic considerations apply to the function of the control device 10 with reference to FIG. 1:
The distance dl is related to the surface tension of the melt and the pressure P at a given melt inflow speed v and a given speed u of the surface of the heat sink 2 in relation to the nozzle outlet via the following relationship:
EMI4.1
and thus:
EMI4.2
6, mean the surface tension and p the density of the melt, dO the width of the nozzle opening in the direction of movement of the heat sink, and d2 the thickness of the strip to be produced.
Taking this relationship into account, the process parameters are monitored and adjusted with the aid of the control device 10 in accordance with the rules specified above, taking metallurgical aspects into account.
With the described method and the described device, not only amorphous but also particularly advantageously crystalline structures can be produced.