CH667404A5 - Verfahren zur herstellung einer kokille fuer stranggiessanlagen. - Google Patents
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Description
BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Kokille für Stranggiessanlagen bei welchen verschweisste Formstücke an den einen Formhohlraum bildenden Platten angebracht und/oder in diese eingepasst werden.
Zum Stranggiessen hochschmelzender Metalle, wie beispielsweise Eisen und Stahl, finden bekanntlich Strangguss-Durchlaufkokillen Anwendung, die aus Kupferwerkstoffen wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit dieser Materialien hergestellt sind. Je nach dem Verwendungszweck sind einteilige oder auch mehrteilige Kokillen zu unterscheiden, die, handelt es sich um einteilige, aus nahtlos geschmiedeten Blökken, aus nahtlos gepressten oder gegossenen Rohren oder auch aus verschweissten Blechen oder Bändern hergestellt sind, oder auch, wenn mehrteilige Kokillen verlangt werden, aus miteinander in einem Rahmen verspannten, den Formhohlraum bildenden Wandplatten bestehen, die während der Fertigung Wärmebehandlungen und Verformungsoperationen unterzogen werden. Solche Strangguss-Kokilleneinsätze aus Kupferwerkstoffen, die niedrig oder hochlegierte Kupferlegierungen sein können, unterliegen im Formhohlraum durch die Reibung der erstarrten Strangschale und durch die zwischen Strang und Kolikkenformraum einfliessenden Schlacketeilchen einem erheblichen Verschleiss. Die hierdurch bewirkte Formänderung der Kokilleninnenmasse verkürzt die mögliche Einsatzdauer der Kokillen entscheidend. Es ist deshalb erforderlich, dass nach einer gewissen Betriebszeit eine Nachbearbeitung der Platten vorgenommen werden muss, um dem durch den Einfluss der auftretenden Beanspruchung sowohl mechanischer als auch thermischer Art bewirkten Verschleiss der den Formhohlraum bildenden Kokillenwände Einhalt zu gebieten. Durch diese Nachbearbeitung wird der ursprüngliche Querschnitt des Formhohlraums verändert, d.h. der Querschnitt des gegossenen Stranges ändert sich ebenfalls. Zur Erzielung eines gesunden Stranges und zur Vermeidung von gefürchteten Durchbrüchen ist es jedoch unbedingt erforderlich, die der Strang-giesskokille folgende Strangführung genau auf den Querschnitt des Formhohlraums bzw. des Stranges auszurichten.
Zur Vermeidung von Kantenrissen ist es ferner notwendig, die Kantenpartien des Formhohlraums entsprechend abzurunden. Insbesondere bei Plattenkokillen zum Giessen von Strängen mit grösseren Querschnitten, z.B. von Brammen, werden deshalb die Abrundungen in die Platten eingearbeitet. Bei Verschleisserscheinungen an den Platten, z.B. einer Längsplatte einer Brammenkokille, muss demnach sowohl die Platte als auch die Rundung nachgearbeitet werden. Wie eingangs beschrieben, ergibt sich dadurch zwangs2
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läufig ein grösserer Querschnitt des nach dem Zusammenbau der Stranggiesskokille gegossenen Stranges, und der beschriebene Nachteil tritt auf. Eine Nachjustierung des Kokil-lenmasses macht andererseits wegen des erheblichen Zeitaufwandes einer solchen Massnahme einen bestimmten Kokillenpark erforderlich, wenn keine Produktionsverminderung in Kauf genommen werden soll.
Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, ist bereits vorgesehen (DE-PS 1 939 777), in den Ecken zwischen den Wandplatten (Längs- und Querplatten) der Kokille Übergangsstücke aus gegenüber dem Material der Kokillenplatten unterschiedlichem Material anzuordnen. Dabei sind diese Übergangsstücke bei der bekannten Ausführung in Ausnehmungen jeweils einer der beiden Wandplatten mechanisch befestigt, wobei deren Anlagefläche in Längsrichtung dieser Platte schmaler ist als die Dicke der angrenzenden zweiten Wandplatte. Den an die heute verwendeten Strang-giesskokillen aufgrund der höheren Leistungsfähigkeit der installierten Stranggussanlagen gestellten Forderungen genügen diese bekannten Ausführungsformen jedoch nicht immer.
Das gilt für die sog. Festkokillen mit von aussen unveränderlichem Querschnitt des Formhohlraumes, insbesondere aber auch für die als Verstellkokillen bekannten Ausführungen, bei denen während des Giessens der Strangquerschnitt durch Verschieben der Schmalseiten- oder Querplatten geändert wird. Hier tritt nämlich durch Reibung an den Berührungsflächen zwischen den Längsplatten und den Schmalseitenkanten ein starker Verschleiss, beispielsweise durch Fressen ein sog. Furchenverschleiss auf, der die betroffene Kokille in kurzer Zeit infolge Ausbildung unregelmässiger Spalte unbrauchbar macht bzw. eine mechanische Nacharbeit erfordert.
Zur Vermeidung der starken Reibung und damit zur Reduzierung des Verschleisses hat man bereits versucht, die Kupferlängsplatten mit höher festen Werkstoffen, wie Nikkei, Chrom, Molybdän u. a. zu beschichten und die unbeschichteten Querplatten an den Berührungskanten ggf. über zusätzliche Schmiernuten mit hoch hitzebeständigem Fett zu schmieren. Der Nachteil dieser Lösung sind die hohen Kosten, die durch die zusätzliche Beschichtung entstehen, der weitere Nachteil liegt darin begründet, dass durch die mechanische Einwirkung des Gussstranges die Beschichtung frühzeitig verschlissen wird. Auch Versuche, die relativ kleine Fläche der Schmalseitenkanten (Querplattenkanten) mit einem gegenüber dem Kupferwerkstoff der Kokillenplatte härteren Werkstoff zu beschichten, etwa durch galvanische oder chemische Vernickelung dieser Fläche oder durch Aufbringen von Hartmetallen mittels Flamm- oder Plasmaspritzen, haben nicht zum Erfolg geführt. Die Haftfestigkeit solcher Schichten auf den schmalen Flächen reicht nicht aus, beim Verstellvorgang platzen diese Schichten vielmehr relativ schnell und Undefiniert wieder ab. Neben den Kosten für die Reparatur und Neubeschichtung entstehen häufig sehr hohe Kosten als Folge von Durchbrüchen, die durch plötzliche Undefinierte Spaltbildungen hervorgerufen werden.
Unabhängig von der Art der Kokille, Fest- oder Verstellkokille, befindet sich ein weiterer Bereich hohen Verschleisses am Austrittsende der Kokille. Hier führt die starke Reibung zwischen dem an der Oberfläche bereits erstarrten Gussstrang und der Kokillenwandung zu einem vorzeitigen Ende der Gebrauchseignung der Kokille. Ein bekannter Vorschlag (DE-PS 3 142 196), in diesem gefährdeten Bereich eine Verschleissschutzschicht mit gegenüber der auf der restlichen Kokillenfläche grösserer Wanddicke galvanisch niederzuschlagen, aufzusprühen oder durch Explosionsplattie-ren aufzubringen, hat sich offenbar aus den dargelegten Gründen bisher ebenfalls nicht durchsetzen können.
Probleme durch erhöhten Verschleiss gibt es auch im bzw. unterhalb des Badspiegelbereichs. In diesem Zusammenhang hat man bereits (DE-OS 1 957 332) zumindest in dem den Badspiegelbereich umfassenden Teil der den Formhohlraum begrenzenden Kokillenwände Einsätze aus gegenüber dem Plattenmaterial unterschiedlichen Werkstoffen vorgesehen. Das zum Einbringen dieser Einsätze vorgeschlagene Warmwalzen oder Warmplattieren, die Hochgeschwindigkeitsverformung oder des Explosionsplattieren sind recht kostenaufwendig.
Ausgehend von diesem Stand der Technik bezweckt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Kokille für Stranggiessanlagen bereitzustellen, bei welchem Spaltbildungen im Kokillenformraum mit den bekannten Folgen für den Gussstrang vermieden werden und durch Erhöhung der Korrosions- sowie Verschleissfestigkeit der den Formhohlraum begrenzenden Wandplatten die Standzeit der Kokillen heraufgesetzt wird.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Formstücke an und/oder in den Wandplatten durch Elektronenstrahlschweissen befestigt werden.
Diese Art der Befestigung bietet Gewähr dafür, dass sich die metallurgisch zu verbindenden Teile beim Schweissvor-gang nicht verziehen und nur eine äusserst schmale Schweisszone entfestigt wird. Die massgenaue Form sowie die Abmessungen der den Formhohlraum bildenden Kokilleninnenflächen werden ebenso wenig durch den Schweiss-vorgang negativ beeinflusst, wie die durch eine Kraftverfestigung erzeugte Härte der Wandplatten. Darüber hinaus lässt der metallurgische Verbund von Formstücken und Kokillenwänden Rissbildungen nicht zu.
Besonders vorteilhaft ist, wenn die Formstücke nach Anspruch 2 leistenförmig ausgebildet sind, aus einem verschleissfesten Material bestehen und in die Kantenbereiche der Wandplatten mittels Elektronenstrahl eingeschweisst werden. Das betrifft im wesentlichen den Bereich am Austrittsende der Kokille und den Bereich, in dem Querplatten und Längsplatten druckbelastet gegeneinander wirken. Diesen flächenmässig eng begrenzten Bereich spaltenfrei und dauerhaft mit den Verschleiss vermindernden Mitteln auszustatten, war bisher nicht möglich. Erst durch das Elektronenstrahlschweissen ist erreicht, dass bei Festkokillen eine Spaltbildung zwischen Längs- und Querplatten infolge Kriechen bzw. Schrumpfen des unter äusserem Druck stehenden Plattenpaares, bewirkt durch den Anpressdruck und thermische Spannungen beim Giessen sowie infolge mechanischer Beschädigungen, unterbleibt.
Sind, wie in Anspruch 4 vorgesehen, die leistenförmigen Formstücke mittels Elektronenstrahl in die Kantenbereiche der Querplatten eingeschweisst, dann ist diese Ausführungsform besonders für den Einsatz bei Verstellkokillen geeignet. Der sonst beim Verschieben der Schmalseitenplatten infolge starker Reibung an den Berührungsflächen für Längsplatten und Querplatten auftretende Verschleiss ist vermieden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich dann, wenn nach Anspruch 6 unabhängig von den Kantenbereichen die Formstücke als verschleissfeste Einsätze in die dem Gussstrang zugekehrten Flächen der den Formhohlraum begrenzenden Wandplatten eingefügt und mittels Elektronenstrahl eingeschweisst werden. Dies kann beispielsweise nach Anspruch 7 der Badspiegelbereich sein, aber auch entsprechend der obengenannten Kokillenausführung (DE-PS 3 142 196) der Bereich unterhalb des Badspiegels. In diesem Fall können die Formstück-Einsätze sich auch nach Anspruch 8 vom Badspiegelbereich in Durchlaufrichtung erstrecken, wobei die Formstück-Einsätze keil- oder teilkeilförmig mit in Durchlaufrichtung des Stranges aufeinander-zulaufenden Begrenzungsflächen ausgebildet werden.
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Für die Einsätze im Badspiegelbereich und unterhalb kann es zur Stabilisierung der Abkühlverhältnisse auch von Vorteil sein, bei der Werkstoffauswahl neben der Ver-schleissfestigkeit auch die Wärmeleitfähigkeit der Materialien in Betracht zu ziehen. Hier ergibt sich neben der Erhöhung der Verschleissfestigkeit die Möglichkeit der einfachen Steuerung des Wärmedurchgangs im Kokillenbereich.
Neben der Werkstoffauswahl spielt auch die äussere Form des Formstück-Einsatzes eine entscheidende Rolle, so dass durch die äussere Formgebung z.B. der Wärmedurchgang. ausgehend vom Badspiegelbereich, mit fortschreitender Abkühlung des gegossenen Stranges vergrössert oder vermindert wird.
Als verschleissfeste Werkstoffe für die Formstücke kommen alle verschweissbaren Materialien in Frage. Unter den bevorzugt einsetzbaren Werkstoffen sind beispielsweise Molybdän, Kupfer-Beryllium-Legierungen, aber auch hochfester Stahl. Als Werkstoffe für die verschleissfesten Formstücke haben sich aber auch Superlegierungen auf Nickelbasis als zweckmässig erwiesen, etwa Mehrstofflegierungen des Systems Ni-Mo-Fe mit Zusätzen wie Cr, Co, W, Ti und AI. Solche Legierungen sind unter den Handelsnamen Inconel, Hastelloy oder Nimonic bekannt. Zur Durchführung der Erfindung haben sich aber auch Werkstoffe auf Eisenbasis mit Zusätzen wie Cr. Ni, Mo und AI sowie temperaturbeständige Gusswerkstoffe auf Eisen-, Nickel- oder Kobalt-Basis als zweckmässig erwiesen. Alle diese «Hartmetalle» lassen sich mit beliebigen niedrig- oder hochlegierten Kupferlegierungen durch Elektronenstrahlschweissen verbinden.
Nachfolgend werden anhand der Figuren 1 bis 7 Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Verfahrens beschrieben.
Die Fig. 1 zeigt die Wandplatte 1 einer Plattenkokille für den Strahlstrangguss aus einer kalt verformbaren Kupfer-Legierung. Die Durchlaufrichtung des Gussstranges ist durch den Pfeil gekennzeichnet. Um die dem Verschleiss besonders ausgesetzten Kantenbereiche 2 der Wandplatte 1 zu schützen. Rissbildungen zu vermeiden und einwandfreie Gusserzeugnisse zu gewährleisten, werden die Kantenbereiche 2 der Wandplatte 1 z. B. ausgefräst und in die entstandenen Ausnehmungen werden leistenförmige Formstücke 4 aus einem Hartmetall eingesetzt.
Damit diese leistenförmigen Formstücke 4 an bzw. in einer Wandplatte 1 sicher und spaltfrei auch bei den auftretenden mechanischen Beanspruchungen während des Betriebes gehalten werden, werden sie durch eine Elektronenstrahlschweissung befestigt. Die gezogenen Schweissnähte 6 sind räumlich eng begrenzt, die verhältnismässig kurzfristige Erwärmung auf eng begrenztem Raum schliesst eine Erweichung auch der benachbarten Bereiche der Wandplatte 1 aus.
Die Fig. 2 zeigt die Wandplatte 1 als Längs- oder Querplatte. die in Abzugsrichtung des Gussstranges am ausgangs-seitigen Ende mit einem leistenförmigen Formstück 4 aus verschleissfestem Material versehen ist. Der Einbau dieses Formstücks erfolgt entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 ; die durch die Elektronenstrahlschweissung hervorgerufenen Schweissnähte sind wieder mit 6 bezeichnet.
In der Fig. 3 ist eine sog. Plattenkokille schematisch dargestellt, sie besteht aus den Längsplatten 3 und den Querplatten 5, die, wie durch Pfeile angedeutet, mit Hilfe eines äusseren nicht dargestellten Stahlrahmens gegeneinander gedrückt und in diesem verspannten Zustand gehalten werden. Zur Vermeidung von Spaltbildungen in den Eclcbereichen 7 sind die verschleissfesten leistenförmigen Formstücke 4, wie oben bereits beschrieben, mit Elektronenstrahlschweissung dauerhaft in die Querplatten 5 eingefügt; sie bilden mit dieser eine Einheit.
Die Einschweissung der verschleissfesten leistenförmigen Formstücke 4 in Kantenbereichen hat vor allem Vorteile bei den sog. Verstellkokillen, bei denen der Gussraum durch Verschieben der Querplatten gegenüber den Längsplatten geändert wird. Eine solche Ausführungsform zeigt in ver-grössertem Massstab die Fig. 4. In Pfeilrichtung hin und her verschiebbar ist auf der Längsplatte 3 die Querplatte 5 angeordnet. Druckbelastet wirkt diese Querplatte 5 gegen die Längsplatte 3 nicht selbst im Kantenbereich, sondern über das leistenförmige Formstück 4 aus einem verschleissfesten Material. Durch Elektronenstrahlschweissung längs der Schweissnähte 6 in die Bildebene hinein sind die leistenförmigen Formstücke 4 spaltenfrei in der Kante der Querplatte 5 gehalten; das Formstück 4 und die Querplatte 5 bilden eine Einheit.
Abweichend hiervon zeigt die Fig. 5 eine sog. Festkokille mit unveränderbarem Gussraumquerschnitt, bei der z.B. das verschleissfeste leistenförmige Formstück 4 in eine Ausnehmung der Längsplatte 3 durch Elektronenstrahlschweissung eingefügt ist. Gegen das durch die metallurgische Einbindung in die Längsplatte 3 dauerhaft und spaltenfrei befestigte leistenförmige Formstück 4 wirkt druckbelastet die Querplatte 5.
Die Fig. 6 und 7 schliesslich zeigen Ausführungsformen, bei denen im Badspiegelbereich und in Durchlaufrichtung des Stranges darunter Formstücke 4 aus einem verschleissfesten Material angeordnet sind. In der Fig. 6 weist die Wandplatte 1 das im Querschnitt rechteckförmige Formstück 4 auf, das zur Erzielung eines guten Wärmeüberganges zwischen der aus Kupfer bestehenden Wandplatte 1 und dem rückwärtigen Teil des Formstücks 4 durch Kaltwalzen, Pressen oder hydrostatisches Pressen eingefügt ist. Auch wenn aus besonderen Gründen das Einbringen des Formstücks 4 durch Explosionsumformung erfolgt, um den Wärmeübergang auf der Rückseite des Einsatzes zu optimieren, hat es sich in allen diesen Fällen als vorteilhaft erwiesen, zur Vermeidung von Spaltbildungen infolge unterschiedlicher Wärmeausdehnung der aneinandergrenzenden Werkstoffe, die «Umrandung» des Formstücks 4 durch Elektronenstrahlschweissen metallisch mit dem Kupferwerkstoff der Wandplatte 1 zu verbinden.
Gegenüber dieser Ausführungsform nach der Fig. 6 ist nach der Fig. 7 in der Wandplatte 1 ein keilförmiges Formstück 4 vorgesehen, keilförmig deshalb, um gleichzeitig auf einfachem Wege für eine Steuerung des Wärmedurchgangs durch die Wandplatte 1 zu sorgen. Auch hier sichert die Elektronenstrahlschweissung einen sicheren, spaltenfreien Verbund.
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1 Blatt Zeichnungen
Claims (19)
1. Verfahren zur Herstellung einer Kokille für Strang-giessanlagen, bei welchem verschleissfeste Formstücke (4) an den einen Formhohlraum bildenden Kokillen-Wandplatten (1,3,5) angebracht und/oder in diese eingepasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Formstücke (4) an und/oder in den Wandplatten (1, 3, 5) durch Elektronenstrahlschweis-sen befestigt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Formstücke (4) leistenförmig ausgebildet sind, aus einem verschleissfesten Material bestehen und in Kantenbereiche (2) der Wandplatten (1, 3, 5) mittels Elektronenstrahl eingeschweisst werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die leistenförmigen Formstücke (4) in die Kantenbereiche (2) von gegeneinanderstossenden Längsplatten (3) und Querplatten (5) der den Formhohlraum bildenden Wandplatten mittels Elektronenstrahl eingeschweisst werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die leistenförmigen Formstücke (4) in die Kantenbereiche der Querplatten (5) eingeschweisst werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die leistenförmigen Formstücke (4) in die am Austrittsende der Kokille befindlichen Kanten der den Formhohlraum begrenzenden Wandplatten (1, 3, 5) mittels Elektronenstrahl eingeschweisst werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Formstücke (4) als verschleissfeste Einsätze in die dem Gussstrang zugekehrten Flächen der den Formhohlraum begrenzenden Wandplatten (1, 3, 5) eingefügt und mittels Elektronenstrahl eingeschweisst werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Formstücke (4) in den den Badspiegel umfassenden Bereich der Wandplatten (1, 3, 5) mittels Elektronenstrahl eingeschweisst werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Formstücke (4) als keil- oder teilkeilförmige Einsätze mit in Durchlaufrichtung des Stranges aufeinanderzulau-fenden Begrenzungsflächen ausgebildet werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Formstücke (4) vorgesehenen Bereiche an und/oder in den Wandplatten (1, 3, 5) spangebend ausgeformt, die Formstücke (4) eingepasst und anschliessend die eingepassten Formstücke (4) in und/oder an den Wandplatten (1, 3, 5) durch Elektronenstrahlschweissen metallurgisch verbunden werden.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstoff für die verschleissfesten Formstücke (4) Molybdän verwendet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstoff für die verschleissfesten Formstücke (4) Kupfer-Beryllium-Legierungen verwendet werden.
12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstoff für die verschleissfesten Formstücke (4) hochfester Stahl verwendet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstoffe für die verschleissfesten Formstücke (4) Legierungen auf Nickelbasis verwendet werden.
14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstoffe für die verschleissfesten Formstücke (4) Werkstoffe auf Eisenbasis verwendet werden.
15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstoff für die verschleissfesten Formstücke (4) temperaturbeständige Gusswerkstoffe auf Eisen-, Nickeloder Kobalt-Basis verwendet werden.
16. Kokille, hergestellt gemäss Anspruch 1, gekennzeichnet durch in den Kanten der winklig gegeneinander stossen-den Längsplatten (3) und/oder Querplatten (5) eingefügte und durch Elektronenstrahlschweissung befestigte leistenför-mige Formstücke (4) aus einem verschleissfesten Material.
17. Kokille nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die leistenförmigen Formstücke (4) aus verschleissfe-stem Material im Kantenbereich der Querplatten (5) durch Elektronenstrahlschweissung befestigt sind.
18. Kokille nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch im Kantenbereich der Längsplatten (3) und Querplatten (5) des Kokillenaustrittsendes durch Elektronenstrahlschweissung befestigte leistenförmige Formstücke (4) aus verschleissfe-stem Material.
19. Kokille nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch im Flächenbereich der Längsplatten (3) und Querplatten (5) durch Elektronenstrahlschweissung integrierte Formstücke (4) als Einsätze aus verschleissfestem Material.
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