Die Erfindung bezieht sich auf eine Kokille zum Stranggiessen von im Wesentlichen polygonalen Strängen, gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Beim Stranggiessen, insbesondere beim Stranggiessen von Stahl, wird kontinuierlich eine Metallschmelze durch eine Eingiessöffnung in einen Formhohlraum einer Kokille gegossen, durch Abkühlen der Schmelze an den Wänden des Formhohlraums eine Strangschale kontinuierlich wachsender Dicke gebildet und aus einer Austrittsöffnung des Formhohlraums kontinuierlich ein Strang gezogen, der in der Regel einen noch flüssigen Kern aufweist und bis zur vollständigen Durcherstarrung einer Nachkühlung unterzogen werden muss. Von besonderer Bedeutung für die Qualität der hergestellten Stränge und für die Produktivität der Stranggiessanlage ist die Formgebung der Formhohlraumwände.
Die Wechselwirkung der sich bildenden Strangschale mit den Formhohlraumwänden bestimmt einerseits den Wärmeübergang zwischen Strangschale und den Formhohlraumwänden und folglich auch das Wachstum der Strangschale. Die Wechselwirkung der Strangschale mit den Formhohlraumwänden hat auch Einfluss auf die Grösse der Reibungskräfte, die beim Ausziehen eines Stranges aus dem Formhohlraum überwunden werden müssen und wegen der limitierten mechanischen Stabilität der Strangschale, abhängig von der chemischen Zusammensetzung der Schmelze, einen bestimmten kritischen Wert nicht überschreiten dürfen, wenn unerwünschte, die Produktivität der Stranggiessanlage herabsetzende Strangabrisse oder Strangdurchbrüche vermieden werden sollen.
Um beim Stranggiessen eine möglichst hohe Giessgeschwindigkeit zu erreichen und gleichzeitig Strangabrisse bzw. Strangdurchbrüche zu vermeiden, sollten die Formhohlraumwände so geformt sein, dass ein möglichst gleichmässiges Strangschalenwachstum realisiert wird. Verschiedene konstruktive Massnahmen sind bekannt, um das Strangschalenwachstum zu optimieren. Um die Bildung von Spalten zwischen den Formhohlraumwänden und der Strangschale auf Grund der in Richtung auf die Austrittsöffnung zunehmende thermische Kontraktion zu vermeiden, wird der Formhohlraum in Form eines Giesskonus gestaltet, der der thermischen Kontraktion des Stranges Rechnung tragen soll.
Die optimale Formung des Giesskonus ist ein generelles Problem, wegen der Vielzahl der Parameter, die auf das Strangschalenwachstum bekanntermassen einen Einfluss haben. Beispielsweise spielen die chemische Zusammensetzung der Metallschmelze, die Form und die Grösse des Querschnitts des Formhohlraums und die Giessgeschwindigkeit eine Rolle.
Bei eckigen Formhohlräumen verdienen die Mechanismen, die das Strangschalenwachstum in den Eckbereichen des Stranges bestimmen, eine besondere Beachtung. Je nach Ausgestaltung des Giesskonus besteht die Gefahr, dass die Strangschale in den Ecken des Formhohlraums mit einer übermässig grossen Anpresskraft an die Formhohlraumwände gepresst und so ein Verklemmen des Stranges im Formhohlraum verursacht wird oder, in einem anderen Extremfall, auf Grund der thermischen Kontraktion der Strangschale in wenigstens einer der Ecken des Formhohlraums der Bildung eines Spaltes zwischen der Strangschale und den Formhohlraumwänden Vorschub geleistet und wegen der Spaltbildung die Wärmeabfuhr lokal vermindert wird.
Die Reduktion der Wärmeabfuhr in einer Ecke wiederum kann zur Folge haben, dass die Strangschale in der Ecke deutlich langsamer wächst als an den Seitenflächen des Formhohlraums oder - im Extremfall - sogar wieder aufschmilzt und einen Durchbruch erleidet. Die Bildung von Spalten zwischen der Strangschale und den Formhohlraumwänden erschwert weiterhin die Herstellung von Strängen mit einer genau kontrollierten Geometrie und führt zu unerwünschten, unkontrollierbaren Strangverzügen und zu Strängen mit Oberflächenfehlern.
Zusätzlich können Temperaturgradienten, in Verbindung mit der thermischen Kontraktion der Strangschale, eine Veränderung der Form einer Querschnittsfläche eines Strangabschnitts im Formhohlraum auf dem Wege des Strangabschnitts zur Austrittsöffnung fördern. Zur Optimierung eines Giesskonus ist es deshalb sinnvoll, zwei Freiheitsgrade, quantitativ beschrieben durch die räumliche Abhängigkeit der Konizität K, zu nutzen, die die Veränderung der Grösse und der Form einer Querschnittsfläche des Formhohlraums in Stranglaufrichtung in Abhängigkeit von der Position der Querschnittsfläche beschreiben.
Die Patentschrift US 4 207 941 beschreibt eine Kokille, die für das Stranggiessen von im Wesentlichen quadratischen Strängen vorgesehen ist und alle Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 aufweist. Der Formhohlraum dieser Kokille wird durch ein über seine gesamte Längserstreckung konisches Rohr gebildet, das drei aneinander grenzende, hinsichtlich der Grösse und der Ortsabhängigkeit der Konizität unterscheidbare Längsabschnitte umfasst: Einen Eingangsabschnitt, der sich im Giessbetrieb oberhalb des Giessspiegels befindet; einen Mittelabschnitt, an dessen oberen Ende im Giessbetrieb der Giessspiegel positioniert wird und in dem die Anfangserstarrung des Stranges stattfindet; und einen Endabschnitt, der die Strangschale an der Austrittsöffnung stützt.
Der Eingangsabschnitt weist vier gekrümmte Eckbereiche auf, die jeweils durch ebene Zwischenbereiche verbunden sind, wobei jeweils zwei der Zwischenbereiche an einem der Eckbereiche in einem rechten Winkel aneinander stossen. Die Konizität ist im Bereich des Eingangsabschnitts konstant, d.h. die lichte Weite des Formhohlraums nimmt linear mit dem Abstand von der Eingiessöffnung ab. Im Mittelabschnitt hängt die Konizität des Formhohlraumes sowohl vom Abstand von der Eingiessöffnung als auch von der Position in einer Ebene quer zur Stranglaufrichtung ab. Der Mittelabschnitt setzt sich zusammen aus gekrümmten Eckbereichen, die jeweils durch einen aus drei ebenen, in einem stumpfen Winkel aneinander stossenden Facetten gebildeten Zwischenbereich verbunden sind.
Die Konizität ist am grössten in den Eckbereichen des Mittelabschnitts und hier unabhängig von der Position in Stranglaufrichtung. Zwei der drei jeweils einen der Zwischenbereiche bildenden Facetten grenzen jeweils an einen der Eckbereiche an und haben die Form von Dreiecken, die sich in Stranglaufrichtung linear als Funktion des Abstandes von der Eingiessöffnung verbreitern. An jedem der Eckbereiche stossen jeweils zwei der dreieckigen Facetten benachbarter Zwischenbereiche in einem Winkel von ca. 92 DEG aneinander. Bei dieser Konstruktion der Zwischenbereiche des Mittelabschnitts ist die Konizität auf jeder der Facetten konstant, wobei die Konizität auf den dreieckigen, an einen der annähernd rechtwinkligen Eckbereiche angrenzenden Facetten am grössten ist. An den Grenzen zwischen den Facetten treten Sprünge der Konizität auf.
Im Bereich des Endabschnitts hat der Formhohlraum die gleiche zwölfeckige Form wie an der Grenze zwischen dem Endabschnitt und dem Mittelabschnitt. Dabei ist die Konizität im gesamten Endabschnitt konstant und kleiner als die Konizität im Bereich der verschiedenen Facetten, die den Mittelabschnitt des Kokillenrohrs bilden. Somit ist bei der in US 4 207 941 beschriebenen Kokille der grösste Teil der Formhohlraumverengung auf den Mittelabschnitt und im Bereich des Mittelabschnitts auf eckennahe, sich in Stranglaufrichtung verbreiternde ebene Bereiche konzentriert.
Ein Nachteil dieser Kokille ist darin zu sehen, dass in den zwölfeckigen Bereichen des Formhohlraums nicht verhindert werden kann, dass sich die Strangschale lokal von den Formhohlraumwänden ablöst und eine Form annimmt, die während des Strangauszugs der Form der Formhohlraumwände nicht perfekt folgt und deren Geometrie nur ungenau kontrollierbar ist. Die Folge ist einerseits eine Bildung von Spalten zwischen der Strangschale und den Formhohlraumwänden, verbunden mit einer lokalen Reduktion der Wärmeabfuhr. Andererseits können lokale Erhöhungen der Anpresskräfte zwischen der Strangschale und den Formhohlraumwänden auftreten, sodass die Reibungskräfte nicht auf ein Minimum reduziert sind. Diese Effekte limitieren die maximale Giessgeschwindigkeit, die im Giessbetrieb routinemässig erzielbar ist.
Ausgehend von den genannten Nachteilen des Standes der Technik, stellt sich der Erfindung die Aufgabe, zum Stranggiessen von im Wesentlichen polygonalen Strängen eine Kokille mit einem Formhohlraum zu schaffen, der eine erhöhte Giessgeschwindigkeit ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kokille mit der Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1.
Die erfindungsgemässe Kokille weist einen Formhohlraum auf mit mindestens drei Eckbereichen und drei Zwischenbereichen zwischen den Eckbereichen und mit einem Giesskonus. Die Konizität variiert wenigstens im Bereich einer Teillänge des Giesskonus entlang einer inneren Umfangslinie in einer Querschnittsfläche in einem oder mehreren der Zwischenbereiche derart, dass die Konizität zur Mitte des jeweiligen Zwischenbereichs hin abnimmt. Diese Gestaltung des Giesskonus berücksichtigt die Tendenz einer sich im Formhohlraum bildenden Strangschale, auf Grund ihrer mechanischen Stabilität unter dem Einfluss des in die Strangschale eingeprägten Temperaturprofils und des ferrostatischen Drucks während des Abkühlens beim Strangauszug in den Eckbereichen stärker zu schrumpfen als in der Mitte der Zwischenbereiche.
Weiterhin ist bei der erfindungsgemässen Kokille vorgesehen, dass im Bereich der genannten Teillänge die Umfangslinie zwischen den Eckbereichen eine glatte Kurve, d.h. eine Kurve, deren Tangente längs des Kurvenverlaufs nicht unstetig ihre Richtung ändert, bildet. Auf diese Weise wird vermieden, dass sich an der Oberfläche der Strangschale zwischen den Eckbereichen des Formhohlraums Kanten ausbilden, die - abhängig von der Form des Giesskonus - Anlass geben können für unerwünschte Spaltbildungen oder für lokal erhöhte Anpresskräfte zwischen der Strangschale und den Formhohlraumwänden. Durch diese Massnahmen wird die Spaltbildung auf dem gesamten Umfang des Formhohlraums vermieden, ein auf dem gesamten Umfang des Formhohlraums gleichmässiges Strangschalenwachstum erzielt und die Reibungskräfte zwischen der Strangschale und den Formhohlraumwänden reduziert.
Dadurch wird das Giessen mit einer erhöhten Giessgeschwindigkeit möglich. Zusätzlich kann wegen der reduzierten Reibung der Abstand des Giessspiegels von der Austrittsöffnung des Formhohlraums vergrössert werden, mit der Folge, dass die Strangschale an der Austrittsöffnung dicker ist und eine verbesserte mechanische Stabilität aufweist.
Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Kokille ist der Giesskonus in einem Teilabschnitt des Formhohlraums ausgebildet.
Um die Voraussetzung für ein gleichmässiges Strangschalenwachstum zu schaffen, ist vorgesehen, dass die Konizität mit dem Abstand vom eingiessseitigen Ende des Giesskonus variiert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Kokille ist die Konizität in der Mitte der Zwischenbereiche im Bereich der Teillänge unabhängig vom Abstand vom eingiessseitigen Ende des Giesskonus, d.h. die lichte Weite des Formhohlraums ändert sich bezogen auf die Mitte der Zwischenbereiche, linear mit dem Abstand vom eingiessseitigen Ende des Giesskonus. Am eingiessseitigen Ende des Giesskonus ist die Konizität in und/oder an den Eckbereichen zunächst grundsätzlich grösser als in der Mitte der Zwischenbereiche, nimmt aber mindestens stückweise nichtlinear und/oder linear und/oder parabolisch mit dem Abstand vom eingiessseitigen Ende des Giesskonus ab.
Am austrittseitigen Ende des Giesskonus kann die Konizität in und/oder an den Eckbereichen gleich oder sogar kleiner sein als die Konizität in der Mitte der Zwischenbereiche.
Ein gleichmässiges Strangschalenwachstum ist mit der erfindungsgemässen Kokille beispielsweise bei einer Konizität erzielbar, die in der Mitte der Zwischenbereiche, gemittelt über die gesamte Länge des Giesskonus, 0-0,7%/m, vorzugsweise 0,2-0,6%/m, beträgt und in und/oder an den Eckbereichen, gemittelt über die gesamte Länge des Giesskonus, einen Wert im Bereich 0,7 -1,5%/m, vorzugsweise 0,8-1,3%/m, annimmt.
Zur Minimierung der zwischen der Strangschale und den Formhohlraumwänden wirkenden Anpresskräfte, die in der Regel an den Eckbereichen am grössten sind, können mehrere Massnahmen - allein oder in Kombination miteinander - angewendet werden. Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Kokille ist die Umfangslinie in einer Querschnittsebene des Formhohlraums im Bereich der Teillänge mindestens stückweise bogenförmig und/oder geradlinig. In jedem der Zwischenbereiche findet zwischen einem der angrenzenden Eckbereiche und der Mitte des Zwischenbereichs eine Umkehr der Krümmung statt. Eine Umfangslinie mit einem kontinuierlichen Verlauf der Krümmung weist deshalb zwischen der Mitte des Zwischenbereiches und den angrenzenden Eckbereichen einen Wendepunkt auf.
Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemässen Kokille zeichnet sich dadurch aus, dass im Bereich der Teillänge jeder Abschnitt der Umfangslinie in einer Querschnittsfläche des Formhohlraums zwischen den Eckbereichen durch eine universelle Kurve repräsentierbar ist, die - normiert bezüglich ihrer Extremwerte - unabhängig ist vom Abstand vom eingiessseitigen Ende des Giesskonus. Diese Vorgabe einer universellen Kurve hat verschiedene Vorteile. Fertigungstechnisch ergibt sich der Vorteil, dass so der Giesskonus durch nur wenige Parameter charakterisierbar ist. Es genügt beispielsweise die Angabe der universellen Funktion, die eine Ortskoordinate als Variable aufweist, und des Verlaufs der Konizität an den Eckbereichen und in der Mitte des Zwischenbereichs als Funktion des Abstands vom eingiessseitigen Ende des Giesskonus.
Eine besonders einfache Parametrisierung der Umfangslinie ergibt sich bei einer Darstellung als Parabel vierter Ordnung. Weiterhin zeigt eine Analyse der Anpresskräfte zwischen der Strangschale und den Formhohlraumwänden, dass bei dieser Form der Umfangslinie besonders geringe Anpresskräfte resultieren. Eine Voraussetzung für möglichst geringe Anpresskräfte ist eine geringe Krümmung der Umfangslinie. Diese Voraussetzung wird beispielsweise realisiert durch eine Umfangslinie mit einem Wendepunkt zwischen der Mitte eines der Zwischenbereiche und einem der angrenzenden Eckbereiche.
Ein besonders gleichmässiges Strangschalenwachstum ist erzielbar, wenn zwei der an einem der Eckbereiche anstossende Abschnitte der Umfangslinie einen Winkel bilden, der im Bereich der Teillänge unabhängig vom Abstand vom eingiessseitigen Ende des Giesskonus ist. Eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Kokille weist einen Formhohlraum auf, dessen Querschnittsfläche am eingiessseitigen Ende des Giesskonus Eckbereiche mit einem Eckwinkel von jeweils 90 DEG umfasst und dessen Zwischenbereiche auf der gesamten Länge des Giesskonus in einem rechten Winkel aufeinander treffen.
Dieses Designkonzept ist darin begründet, dass ein Strang, der im Bereich der Anfangserstarrung eine rechteckige Querschnittsfläche aufweist, beim Abkühlen in der Kokille während des Strangauszugs dazu neigt, derart zu schrumpfen, dass in unmittelbarer Umgebung der Ecken die Seitenflächen des Stranges in einem rechten Winkel aufeinander treffen. Diese Winkelerhaltung im Verlauf des Schrumpfprozesses ist ein Resultat des Zusammenwirkens der mechanischen Eigenschaften der Strangschale mit dem in der Strangschale ausgebildeten Temperaturprofil und dem auf die Strangschale wirkenden ferrostatischen Druck.
Der Formhohlraum der erfindungsgemässen Kokille kann in den Eckbereichen Hohlkehlen mit einem Radius von 2-8% der lichten Weite der Austrittsöffnung aufweisen.
Anhand der folgenden Figuren wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemässe Kokille mit einem einen Formhohlraum bildenden Kokillenrohr,
Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Längsabschnitt der erfindungsgemässen Kokille längs der Ebene II-II in Fig. 1,
Fig. 3 eine schematische funktionelle Darstellung eines Abschnitts einer Umfangslinie eines Querschnitts durch den Formhohlraum der Kokille in Fig. 1 längs der Ebene 25,
Fig. 4 die Ortsabhängigkeit der Konizität der Kokille gemäss Fig. 1 in Längsrichtung der Kokille längs verschiedener Wege,
Fig. 5 eine normierte Darstellung eines Abschnitts der Umfangslinien verschiedener Querschnitte durch den Formhohlraum der Kokille in Fig. 1 und
Fig. 6 einen Vergleich einer Umfangslinie gemäss Fig. 5 mit einer entsprechenden Umfangslinie eines quadratischen Stranges nach einer vorgegebenen thermischen Kontraktion.
Die Fig. 1 und 2 stellen einen Längs- und einen Querschnitt durch dasselbe Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Kokille dar. Die Kokille weist ein Kokillenrohr 5 auf, das einen Formhohlraum 10 mit einem Giesskonus 10 min , einer Eingiessöffnung 11 und einer Austrittsöffnung 12 bildet. Der Einfachheit halber konzentrieren sich die Darstellungen in den Fig. 1 und 2 - der vorliegenden Problemstellung entsprechend - auf das Kokillenrohr 5, insbesondere die Geometrie des Giesskonus 10 min . Zusätzliche Komponenten, die eine im Giessbetrieb verwendbare Kokille ausmachen, sind in den Fig. 1 und 2 weggelassen.
Der Giesskonus 10 min ist in einem Längsabschnitt 15 min des Formhohlraumes 10 zwischen einer Querschnittsfläche 24 in der Nähe der Eintrittsöffnung 11 und der Austrittsöffnung 12 ausgebildet. Zur Veranschaulichung der Geometrie des Giesskonus 10 min ist in den Fig. 1 und 2 die in Richtung auf die Austrittsöffnung 12 zunehmende Verengung des Formhohlraums 10 übertrieben gross eingezeich net. Dabei zeigt Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Längsabschnitt des Kokillenrohrs 5, der begrenzt ist auf der einen Seite durch die Querschnittsfläche 24 und auf der anderen Seite durch eine Querschnittsfläche 25 zwischen der Querschnittsfläche 24 und der Austrittsöffnung 12. Fig. 1 wiederum veranschaulicht einen Längsschnitt längs der Linie l-l in Fig. 2.
Der Formhohlraum 10 weist vier Eckbereiche 13 in Form von Hohlkehlen auf. Die Eckbereiche 13 sind durch Zwischenbereiche 14 min , 14 min min , 14 min min min , 14 min min min min in Form von gekrümmten Flächen verbunden. In Fig. 1 ist der Verlauf der Eckbereiche 13 jeweils durch eine Linie 13 angedeutet, die sich als Schnittlinie der den Formhohlraum begrenzenden Fläche und der Diagonalflächen des Formhohlraums 10 ergeben.
Wie Fig. 2 zu entnehmen ist, sind die Abschnitte der Umfangslinie des Formhohlraums 10, die in der Querschnittsfläche 24 jeweils zwei Eckbereiche 13 verbinden, gerade Linien. Die entsprechenden Abschnitte 26 min , 26 min min , 26 min min min , 26 min min min min der Umfangslinie 26 des Formhohlraums 10 in der Querschnittsfläche 25 sind stückweise bogenförmige Linien. Jeweils zwei der Abschnitte 26 min , 26 min min , 26 min min min , 26 min min min min stossen an einem der Eckbereiche 13 in einem rechten Winkel, bestimmt als Schnittwinkel der Tangenten der jeweiligen Abschnitte an dem betreffenden Eckbereich 13, zusammen.
Wie in Fig. 1 und 2 angedeutet ist, nimmt die lichte Weite des Formhohlraums 10 in der Mitte 32 in Richtung auf die Austrittsöffnung 12 linear mit dem Abstand Z vom einseitigen Ende des Giesskonus 10 min ab. In und/oder an den Eckbereichen 13 nimmt die lichte Weite des Formhohlraums 10 am eingiessseitigen Ende 24 des Giesskonus 10 min zunächst wesentlich stärker mit dem Abstand vom eingiessseitigen Ende 24 des Giesskonus 10 min ab als in der Mitte 32 der Zwischenbereiche 14 min , 14 min min , 14 min min min , 14 min min min min .
Bei Annäherung an die Austrittsöffnung nimmt jedoch die relative Änderung der lichten Weite des Formhohlraums 10, bestimmt in und/oder an einem der Eckbereiche 13, als Funktion des Abstandes Z ab und erreicht Werte von der gleichen Grössenordnung wie die relative Änderung der lichten Weite, bestimmt in der Mitte 32 der Zwischenbereiche 14 min , 14 min min , 14 min min min , 14 min min min min .
Der Giesskonus 10 min kann quantitativ charakterisiert werden durch Angabe der Konizität K, welche in diesem Zusammenhang definiert ist als Quotient aus dem Betrag des Gradienten der lichten Weite des Formhohlraums 10 und der lichten Weite, jeweils ermittelt für einen bestimmten Ort in den Eckbereichen 13 bzw. den Zwischenbereichen 14 min , 14 min min , 14 min min min , 14 min min min min in Einheiten von%/m. Gemäss dieser Definition ist die Konizität K auf einem der Abschnitte 26 min , 26 min min , 26 min min min und 26 min min min min für die Mitte 32 der Zwischenbereiche 14 min , 14 min min , 14 min min min , 14 min min min min bzw. die Eckbereiche 13 charakterisierbar durch
EMI9.1
wobei die Indizes "M" bzw. "E" sich auf die Mitte 32 bzw. die Eckbereiche 13 beziehen, die Grossen WM bzw. WE gemäss Fig. 2 die halbe lichte Weite des Formhohlraums 10 in der Mitte 32 der Zwischenbereiche 14 min , 14 min min , 14 min min min und 14 min min min min bzw. in und/oder an einem der Eckbereiche 13 angeben und Z2 den Abstand der Querschnittsfläche 25 vom eingiessseitigen Ende 24 des Giesskonus 10 min bezeichnen.
Fig. 3 dient der Einführung von Koordinaten X und Y zur Darstellung eines Abschnittes 26 min der Umfangslinie 26 in der Ebene 25 in Form einer Funktion Y = Y (X, Z = Z2) mit dem Abstand Z2 der Querschnittsfläche 25 vom eingiessseitigen Ende 24 des Giesskonus 10 min als Parameter. Die anderen Abschnitte 26 min min , 26 min min min und 26 min min min min können analog behandelt werden. In Fig. 3 sind rechte Winkel 13 min eingezeichnet, die jeweils den Winkel markieren, den der Abschnitt 26 min mit einem der benachbarten Abschnitten 26 min min bzw. 26 min min min min in den Eckbereichen 13, jeweils definiert durch die als gestrichelte, horizontale bzw. vertikale Linien dargestellten Tangenten, bilden.
Der Ursprung des Koordinatensystems ist so gelegt, dass der Abschnitt 26 min beschränkt ist auf das Intervall [ - DELTA Ymax, 0 ] in Y-Richtung und das Intervall [ - L/2, L/2 ] in X-Richtung, wobei L = 2 WE (Z2). Durch Pfeile PW sind in Fig. 3 Wendepunkte auf dem Abschnitt 26 min der Umfangslinie 26 angedeutet, die eine Umkehr des Vorzeichens der Krümmung längs der Umfangslinie 26 markieren.
Mittels Computersimulationen wurde die Geometrie der erfindungsgemässen Kokille wie folgt optimiert. Die Simulationen basierten auf einem Modell, das das Wachstum einer Strangschale in eine Stahlschmelze beschreibt unter Berücksichtigung des Wärmeflusses durch die Strangschale, der mechanischen Eigenschaften der Strangschale und des ferrostatischen Druckes. Untersucht wurden verschiedene Formen Y = Y (X, Z = Z2) der Zwischenbereiche 14 min , 14 min min , 14 min min min und 14 min min min min .
Zur Optimierung wurden verschiedene Kriterien berücksichtigt:
a Die Bildung von Spalten zwischen der Strangschale und den Formhohlraumwänden sollte vermieden werden.
b Das Strangschalenwachstum sollte auf dem gesamten Umfang einer Querschnittsfläche möglichst gleichmässig erfolgen.
c Bei vorgegebenen Strangauszugsgeschwindigkeiten sollte die Strangschale an der Austrittsöffnung möglichst dick sein.
d Die Anpresskräfte zwischen der Strangschale und den Formhohlraumwänden sollten möglichst gering sein.
Die Simulationen wurden am Beispiel eines Kokillenrohres 5 aus Kupfer durchgeführt, wobei angenommen wurde, dass der Giessspiegel am oberen Ende 24 des Giesskonus 10 min liegt und die Länge des Teilabschnitts 15 min , welche den Giesskonus 10 min bildet, zwischen 600-1000 mm liegt.
Quantitative Resultate der Simulationen sind in Fig. 4-6 für ein nach den obigen Kriterien optimiertes Kokillenrohr 5 dargestellt. Die durchgezogene Linie (a) beschreibt die Konizität K = KE (Z) in und/oder an den Eckbereichen 13 und die gestrichelte Linie (b) die Konizität K = KM (Z) in der Mitte 32 der Zwischenbereiche 14 min , 14 min min , 14 min min min und 14 min min min min als Funktion des Abstands Z vom eingiessseitigen Ende 24 des Giesskonus 10 min . Die beiden Kurven sind jeweils normiert bezüglich KM (Z). Z ist in Einheiten der Länge LK des Teilabschnitts 15 min , d.h. der Längserstreckung des Giesskonus 10 min in Giessrichtung, angegeben. Wie Fig. 4 zu entnehmen ist, ist die Konizität KM (Z) konstant.
Die Konizität KE (Z) ist am eingiessseitigen Ende 24 des Giesskonus 10 min ungefähr um einen Faktor 8 grösser als KM (Z) und nimmt mit wachsendem Abstand Z mindestens stückweise nichtlinear und/oder parabolisch und/oder linear ab. Der Verlauf von KM (Z) ist vereinbar mit KE (Z) < KM (Z) für Z >0,6 LK. Somit legt die Simulation nahe, dass die Konizität K wenigstens im Bereich einer Teillänge 15 des Giesskonus 10 min (siehe Fig. 1) entlang einer Umfangslinie einer beliebigen Querschnittsfläche, beispielsweise der Querschnittsfläche 25, derart variiert, dass die Konizität K zur Mitte der Zwischenbereiche 14 min , 14 min min , 14 min min min und 14 min min min min hin abnimmt.
Fig. 5 zeigt die an die Parameter in Fig. 4 angepasste Form Y = Y (X, Z = Z2) der Umfangslinie 26 der Querschnittsfläche 25 mit dem Abstand Z2 der Querschnittsfläche 25 vom eingiessseitigen Ende des Giesskonus 10 min als Parameter.
In Fig. 5 sind die Kurven Y = Y (X, Z = Z2) für verschiedene Z2 normiert bezüglich der in Fig. 3 eingeführten Grössen DELTA Ymax und L = 2 WE (Z2) dargestellt, wobei DELTA Ymax für die Parameter in Fig. 4 offensichtlich mit Z2 variiert. In dieser normierten Form ergibt sich, wie Fig. 5 zeigt, für die Umfangslinie einer beliebigen Querschnittsfläche des Formhohlraumes 10 eine Form, die durch eine einzige universelle Funktion mit einer variablen X/L darstellbar ist und den obigen Optimierungskriterien genügt. Die Kurve in Fig. 5 kann durch eine Parabel vierter Ordnung approximiert werden.
Sie ist eine glatte Funktion von X, d.h. sie weist keine abrupten Änderungen der Steigung als Funktion von X auf und hat Wendepunkte PW etwa in der Mitte zwischen der Mitte 32 der Zwischenbereiche 14 min , 14 min min , 14 min min min , 14 min min min min (X = 0) und den Eckbereichen 13 (X = +/- L/2).
Die durchgezogene Linie in Fig. 6 stellt die Kurve aus Fig. 5 dar für den Fall, dass Z2 2= 300 mm und die Querschnittsfläche 24 am eingiessseitigen Ende des Giesskonus 10 min ein Quadrat mit einer lichten Weite L = 108 mm ist. Dabei liegt DELTA Ymax im Bereich DELTA Ymax < 1 mm.
Im Rahmen der genannten Optimierungskriterien können die in den Fig. 4-6 veranschaulichten Parameter in einem gewissen Rahmen modifiziert werden, ohne die Eigenschaften der erfindungsgemässen Kokille wesentlich zu beeinflussen. Beispielsweise könnte auf die von Fig. 5 nahe gelegte Forderung verzichtet werden, dass die Form der Zwischenbereiche 14 min , 14 min min , 14 min min min und 14 min min min min durch eine einzige, geeignet normierte Funktion einer Variablen und die Angabe der Konizitäten KE (Z) und KM (Z) repräsentiert wird. Ein Verzicht auf diese Forderung führt in einem gewissen Rahmen zu tolerierbaren Änderungen, die durch eine entsprechende Änderung der Verläufe von KE (Z) und KM (Z) kompensiert werden können.
Ein Vorteil der in Fig. 5 dargestellten Lösung ist jedoch darin zu sehen, dass sich die vorgeschlagene Form der Zwischenbereiche 14 min , 14 min min , 14 min min min , 14 min min min min mit besonders wenigen Parametern charakterisieren lässt und die Fertigung entsprechender Formhohlraumwände, beispielsweise mithilfe numerisch gesteuerter Werkzeugmaschinen, vereinfacht wird.
Vergleiche verschiedener Geometrien des Giesskonus 10 min zeigen, dass die erfindungsgemässe Kokille ein gleichmässiges Strangschalenwachstum erwarten lässt, wenn die Konizität KM in der Mitte zwischen 14 min , 14 min min , 14 min min min und 14 min min min min , gemittelt über die gesamte Länge des Giesskonus 10 min , 0-0,7%/m, vorzugsweise 0,2-0,6%/m, beträgt und die Konizität KE in und/oder an den Eckbereichen 13, gemittelt über die gesamte Länge des Giesskonus 10 min , einen Wert im Bereich 0,7-1,5%/m, vorzugsweise 0,8-1,3%/m, annimmt.
Wesentlich ist die Forderung, dass die Umfangslinie einer Querschnittsfläche des Formhohlraums 10 im Bereich des Giesskonus 10 min zwischen den Eckbereichen 13 eine glatte Kurve sein soll. Untersuchungen haben gezeigt, dass punktuelle abrupte Änderungen der Richtung der Tangente beim Durchlaufen eines Punktes zwischen den Eckbereichen 13 die Bildung von Spalten zwischen der Formhohlraumwand und der Strangschale in der Umgebung dieses Punktes fördern und das Wachstum der Strangschale lokal stören, selbst wenn die Richtung der Tangente sich beim Durchschreiten dieses Punktes abrupt um lediglich 2 DEG ändert.
Die gestrichelte Linie in Fig. 6 beschreibt einen Abschnitt einer Umfangslinie des Formhohlraums einer Kokille, deren Giesskonus der "natürlichen Schrumpfung" der Strangschale folgt. Diese gestrichelte Linie ist insofern mit der durchgezogenen Kurve in Fig. 6 vergleichbar, als sich beide Kurven sowohl auf Kokillen, deren Formhohlräume am Giessspiegel dieselbe quadratische Querschnittsfläche mit der lichten Weite L = 108 mm aufweisen, als auch auf den gleichen Abstand Z = 7-2 vom oberen Ende des jeweiligen Giesskonus beziehen.
Im Falle der die natürliche Schrumpfung der Strangschale nachbildenden Kokille wurde ermittelt, in welchem Masse eine sich am Giessspiegel bildende Strangschale mit quadratischer Kontur beim Strangauszug sich auf Grund der Temperaturgradienten, der mechanischen Eigenschaften der Strangschale und des ferrostatischen Druckes ihre Form verändert und die Form des Giesskonus iterativ derart angepasst, dass keine Spaltbildung auftritt und an allen Stellen der Strangschale der Wärmefluss gleich gross ist. Wie die gestrichelte Linie in Fig. 6 zeigt, verlangt die natürliche Schrumpfung ebenso eine grössere Konizität an den Eckbereichen 13 im Vergleich mit der Konizität in der Mitte 32 der Zwischenbereiche 14 min , 14 min min , 14 min min min , 14 min min min min . Der Vergleich mit der durchgezogenen Linie in Fig. 6 weist aber auf eine Reihe von Besonderheiten hin.
Das Konzept der "natürlichen Schrumpfung" führt zu Zwischenbereichen 14 min , 14 min min , 14 min min min , 14 min min min min , die in der Mitte 32 über einen weiten Bereich im Wesentlichen eben sind (in Fig. 6 für -0,3 < X/L > 0,3). In der Nähe der Eckbereiche 13 (in Fig. 6 für X/L >0,3) sind die Zwischenbereiche s-förmig gekrümmt, wobei eine Umfangslinie in einer Querschnittsfläche des Formhohlraumes 10 im Bereich der s-förmig gekrümmten Abschnitte der Zwischenbereiche 14 min , 14 min min , 14 min min min , 14 min min min min jeweils einen Wendepunkt aufweist. Die Position der Wendepunkte und die Breite der s-förmig gekrümmten Abschnitte der Zwischenbereiche 14 min , 14 min min , 14 min min min , 14 min min min min hängt stark vom Abstand Z2 vom eingiessseitigen Ende 24 des Giesskonus 10 min ab, insbesondere für kleine Z2.
Im Vergleich zu der durch die Parameter in den Fig. 4 und 5 bzw. die durch gezogene Linie in Fig. 6 repräsentierte optimierte Kokille führt das Konzept der natürlichen Schrumpfung zu Formen der Zwischenbereiche, die in einer Querschnittsfläche des Formhohlraums 10 an den Eckbereichen 13 in einem sich mit wachsendem Abstand Z2 verbreiterndem Bereich wesentlich stärker gekrümmt und demzufolge auch eine grössere relative Veränderung der Konizität K längs der Umfangslinie einer Querschnittsfläche aufweisen, bezogen auf die Breite der s-förmig gekrümmten Abschnitte. Untersuchungen deuten darauf hin, dass bei einer die natürliche Schrumpfung nachbildenden Kokille das Strangschalenwachstum empfindlich auf kleine Änderungen der Form der Zwischenbereiche reagiert.
Die Folge ist eine verstärkte Tendenz zur Spaltbildung an den Eckbereichen 13 und, gemittelt über die gesamte Länge des Giesskonus 10 min , höhere Anpresskräfte im Vergleich zu der durch die Parameter in den Fig. 4 und 5 repräsentierten Kokille. Eine durch die Parameter in den Fig. 4 und 5 repräsentierten Kokille ist deshalb für höhere Ausziehgeschwindigkeiten geeignet.
Mit der erfindungsgemässen Kokille ist es beispielsweise möglich, Stahlstränge mit einem quadratischen Querschnitt mit einer Kantenlänge von 108 mm bei einer Ausziehgeschwindigkeit von mehr als 6 m/min zu produzieren.
Die oben diskutierten Ergebnisse sind für gerade und gebogene Formhohlräume anwendbar. Die genannten Resultate sind nicht nur anwendbar auf Kokillen zum Stranggiessen von im Wesentlichen quadratischen Strängen. Sie sind übertragbar auf Kokillen für das Giessen von im Wesentlichen polygonalen Strängen mit mindestens drei Eckbereichen und drei Zwischenbereichen. Bei solchen Kokillen ist es vorteilhaft, wenn zwei der an einem der Eckbereiche angrenzenden Zwischenbereiche einen Eckwinkel bilden, der unabhängig vom Abstand vom eingiessseitigen Ende des Giesskonus ist. Bezüglich der Form der Zwischenbereiche sind die im Zusammenhang mit den Fig. 4, 5 und 6 diskutierten Aussagen anwendbar.
Die zuvor erwähnte Ausführungsform der erfindungsgemässen Kokille bezieht sich auf einen Giesskonus, dessen Umfangslinien zwischen den Eckbereichen am eingiessseitigen Ende des Giesskonus 10 min aus geraden Linien gebildet sind und die mit zunehmendem Abstand vom eingiessseitigen Ende 24 des Giesskonus 10 min eine zunehmend konvexe Krümmung aufweisen. Im Rahmen des der Erfindung zu Grunde liegenden Konzepts ist es auch denkbar, dass die Umfangslinien des Formhohlraums an der Austrittsöffnung 12 zwischen den Eckbereichen 13 geradlinig und am eingiessseitigen Ende 24 des Giesskonus konkave gekrümmt sind.
Im Rahmen des erfindungsgemässen Konzepts ist es - abweichend von dem Design der in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform - nicht zwingend, dass alle Zwischenbereiche eines Formhohlraums mit einer im Wesentlichen polygonalen Querschnittsfläche eine mit zunehmendem Abstand vom eingiessseitigen Ende des Giesskonus zunehmende konvexe Krümmung aufweisen. Bei einem Formhohlraum mit im Wesentlichen rechteckiger Querschnittsfläche sind Verbesserungen im Sinne der der Erfindung zu Grunde liegenden Aufgabenstellung bereits erzielbar, wenn mindestens ein Zwischenbereich oder beispielsweise zwei gegenüberliegende Zwischenbereiche eine in Stranglaufrichtung zunehmende konvexe Krümmung nach dem Vorbild der Fig. 4 und 5 aufweisen.
The invention relates to a mold for the continuous casting of essentially polygonal strands, according to the preamble of claim 1.
In continuous casting, in particular in the continuous casting of steel, a molten metal is continuously poured through a pouring opening into a mold cavity of a mold, a strand shell of continuously increasing thickness is formed by cooling the melt on the walls of the mold cavity, and a strand is continuously drawn from an outlet opening of the mold cavity usually has a still liquid core and must be subjected to post-cooling until it has completely solidified. The shape of the mold cavity walls is of particular importance for the quality of the strands produced and for the productivity of the continuous casting installation.
The interaction of the strand shell that forms with the mold cavity walls determines the heat transfer between the strand shell and the mold cavity walls and consequently also the growth of the strand shell. The interaction of the strand shell with the mold cavity walls also influences the magnitude of the frictional forces that have to be overcome when pulling out a strand from the mold cavity and, due to the limited mechanical stability of the strand shell, do not exceed a certain critical value, depending on the chemical composition of the melt may be avoided if undesired strand breaks or strand breakthroughs which reduce the productivity of the continuous casting installation are to be avoided.
In order to achieve the highest possible casting speed during continuous casting and at the same time to avoid strand breaks or strand breakthroughs, the mold cavity walls should be shaped in such a way that the most uniform possible strand shell growth is achieved. Various constructive measures are known to optimize strand shell growth. In order to avoid the formation of gaps between the mold cavity walls and the strand shell due to the increasing thermal contraction in the direction of the outlet opening, the mold cavity is designed in the form of a casting cone which is to take into account the thermal contraction of the strand.
The optimal shaping of the casting cone is a general problem because of the large number of parameters that are known to have an impact on the strand shell growth. For example, the chemical composition of the molten metal, the shape and size of the cross section of the mold cavity and the casting speed play a role.
In the case of angular mold cavities, the mechanisms which determine the strand shell growth in the corner regions of the strand deserve special attention. Depending on the design of the casting cone, there is a risk that the strand shell in the corners of the mold cavity will be pressed against the mold cavity walls with an excessively large contact force, causing the strand to jam in the mold cavity or, in another extreme case, due to the thermal contraction of the strand shell in at least one of the corners of the mold cavity, the formation of a gap between the strand shell and the mold cavity walls is promoted and, because of the gap formation, the heat dissipation is locally reduced.
The reduction in heat dissipation in a corner can in turn mean that the strand shell in the corner grows much more slowly than on the side surfaces of the mold cavity or - in extreme cases - even melts again and suffers a breakthrough. The formation of gaps between the strand shell and the mold cavity walls further complicates the production of strands with a precisely controlled geometry and leads to undesired, uncontrollable strand distortions and to strands with surface defects.
In addition, temperature gradients, in conjunction with the thermal contraction of the strand shell, can promote a change in the shape of a cross-sectional area of a strand section in the mold cavity on the way of the strand section to the outlet opening. To optimize a casting cone, it therefore makes sense to use two degrees of freedom, quantitatively described by the spatial dependence of the conicity K, which describe the change in the size and shape of a cross-sectional area of the mold cavity in the direction of the strand as a function of the position of the cross-sectional area.
US Pat. No. 4,207,941 describes a mold which is intended for the continuous casting of essentially square strands and has all the features of the preamble of claim 1. The mold cavity of this mold is formed by a tube which is conical over its entire longitudinal extent and which comprises three adjacent longitudinal sections which can be distinguished with regard to the size and the location-dependent conicity: an entrance section which is located in the casting operation above the casting level; a middle section, at the upper end of which the pouring mirror is positioned in the casting operation and in which the initial solidification of the strand takes place; and an end section that supports the strand shell at the outlet opening.
The entrance section has four curved corner areas, each of which is connected by flat intermediate areas, two of the intermediate areas each abutting one another at a right angle at one of the corner areas. The taper is constant in the area of the entrance section, i.e. the clear width of the mold cavity decreases linearly with the distance from the pouring opening. In the middle section, the taper of the mold cavity depends both on the distance from the pouring opening and on the position in a plane transverse to the direction of the strand. The middle section is composed of curved corner areas, each of which is connected by an intermediate area formed by three flat facets butting at an obtuse angle.
The taper is greatest in the corner areas of the central section and is independent of the position in the direction of the strand. Two of the three facets forming one of the intermediate areas each adjoin one of the corner areas and have the shape of triangles which widen linearly in the direction of the strand as a function of the distance from the pouring opening. At each of the corner areas, two of the triangular facets of adjacent intermediate areas meet at an angle of approximately 92 °. With this construction of the intermediate regions of the central section, the taper is constant on each of the facets, the taper being greatest on the triangular facets bordering one of the approximately rectangular corner regions. At the boundaries between the facets there are cracks in conicity.
In the area of the end section, the mold cavity has the same twelve-sided shape as at the boundary between the end section and the central section. The taper in the entire end section is constant and smaller than the taper in the area of the various facets that form the central section of the mold tube. Thus, in the case of the mold described in US Pat. No. 4,207,941, the major part of the mold cavity narrowing is concentrated on the central section and in the region of the central section on flat areas close to the corner and widening in the direction of the strand.
A disadvantage of this mold can be seen in the fact that in the twelve-sided areas of the mold cavity it cannot be prevented that the strand shell locally detaches from the mold cavity walls and assumes a shape that does not perfectly follow the shape of the mold cavity walls during the pull-out and only their geometry is inaccurately controllable. The result is, on the one hand, the formation of gaps between the strand shell and the mold cavity walls, combined with a local reduction in heat dissipation. On the other hand, local increases in the contact forces between the strand shell and the mold cavity walls can occur, so that the frictional forces are not reduced to a minimum. These effects limit the maximum casting speed that can be routinely achieved in casting operation.
Starting from the disadvantages of the prior art mentioned, the object of the invention is to provide a mold with a mold cavity for the continuous casting of essentially polygonal strands, which enables an increased casting speed.
This object is achieved by a mold with the entirety of the features of claim 1.
The mold according to the invention has a mold cavity with at least three corner areas and three intermediate areas between the corner areas and with a casting cone. The taper varies at least in the area of a partial length of the casting cone along an inner circumferential line in a cross-sectional area in one or more of the intermediate areas such that the taper decreases toward the center of the respective intermediate area. This design of the casting cone takes into account the tendency of a strand shell forming in the mold cavity to shrink more strongly in the corner regions than in the middle of the intermediate regions due to its mechanical stability under the influence of the temperature profile impressed into the strand shell and the ferrostatic pressure during cooling when the strand is pulled out.
Furthermore, it is provided in the mold according to the invention that the circumferential line between the corner regions has a smooth curve, i.e. forms a curve, the tangent of which does not change its direction continuously along the course of the curve. In this way, it is avoided that edges form on the surface of the strand shell between the corner regions of the mold cavity, which - depending on the shape of the casting cone - can give rise to undesired gap formation or for locally increased contact forces between the strand shell and the mold cavity walls. As a result of these measures, the formation of gaps on the entire circumference of the mold cavity is avoided, uniform strand shell growth is achieved on the entire circumference of the mold cavity, and the frictional forces between the strand shell and the mold cavity walls are reduced.
This enables casting with an increased casting speed. In addition, because of the reduced friction, the distance of the pouring mirror from the outlet opening of the mold cavity can be increased, with the result that the strand shell is thicker at the outlet opening and has improved mechanical stability.
In one embodiment of the mold according to the invention, the casting cone is formed in a partial section of the mold cavity.
In order to create the prerequisite for uniform strand shell growth, it is provided that the taper varies with the distance from the pour-side end of the pouring cone. In a preferred embodiment of the mold according to the invention, the taper in the middle of the intermediate areas in the area of the partial length is independent of the distance from the pour-side end of the casting cone, i.e. the clear width of the mold cavity changes in relation to the center of the intermediate areas, linearly with the distance from the end of the casting cone on the pouring side. At the pouring end of the pouring cone, the conicity in and / or at the corner areas is initially generally greater than in the middle of the intermediate areas, but decreases at least in parts non-linearly and / or linearly and / or parabolically with the distance from the pouring end of the pouring cone.
At the exit end of the pouring cone, the taper in and / or at the corner areas can be the same or even smaller than the taper in the middle of the intermediate areas.
A uniform strand shell growth can be achieved with the mold according to the invention, for example, with a conicity that in the middle of the intermediate areas, averaged over the entire length of the casting cone, 0-0.7% / m, preferably 0.2-0.6% / m, is and in and / or at the corner areas, averaged over the entire length of the pouring cone, assumes a value in the range 0.7-1.5% / m, preferably 0.8-1.3% / m.
To minimize the contact forces between the strand shell and the mold cavity walls, which are usually greatest at the corner areas, several measures can be used - alone or in combination with one another. In one embodiment of the mold according to the invention, the circumferential line in a cross-sectional plane of the mold cavity in the region of the partial length is at least piece-like curved and / or rectilinear. In each of the intermediate areas there is a reversal of the curvature between one of the adjacent corner areas and the center of the intermediate area. A circumferential line with a continuous course of curvature therefore has an inflection point between the center of the intermediate area and the adjacent corner areas.
A further embodiment of the mold according to the invention is characterized in that, in the area of the partial length, each section of the circumferential line in a cross-sectional area of the mold cavity between the corner areas can be represented by a universal curve which, normalized with regard to its extreme values, is independent of the distance from the end on the pouring side casting cone. This specification of a universal curve has several advantages. In terms of production technology, there is the advantage that the casting cone can be characterized by only a few parameters. For example, it is sufficient to specify the universal function, which has a location coordinate as a variable, and the course of the taper at the corner areas and in the middle of the intermediate area as a function of the distance from the pour-side end of the pouring cone.
A particularly simple parameterization of the circumferential line results from a representation as a fourth-order parabola. Furthermore, an analysis of the contact forces between the strand shell and the mold cavity walls shows that particularly low contact forces result with this shape of the circumferential line. A prerequisite for the lowest possible contact pressure is a slight curvature of the circumferential line. This requirement is realized, for example, by a circumferential line with an inflection point between the center of one of the intermediate areas and one of the adjacent corner areas.
A particularly uniform strand shell growth can be achieved if two of the portions of the circumferential line that abut one of the corner regions form an angle that is independent of the distance from the pour-side end of the pouring cone in the region of the partial length. One embodiment of the mold according to the invention has a mold cavity whose cross-sectional area at the pouring end of the casting cone comprises corner areas with a corner angle of 90 ° in each case and whose intermediate areas meet at right angles over the entire length of the casting cone.
This design concept is based on the fact that a strand, which has a rectangular cross-sectional area in the area of initial solidification, tends to shrink in the mold during the strand pull-out in such a way that the side surfaces of the strand are at right angles to one another in the immediate vicinity of the corners to meet. This conservation of the angle in the course of the shrinking process is a result of the interaction of the mechanical properties of the strand shell with the temperature profile formed in the strand shell and the ferrostatic pressure acting on the strand shell.
The mold cavity of the mold according to the invention can have fillets in the corner regions with a radius of 2-8% of the clear width of the outlet opening.
A preferred embodiment of the invention is explained with the aid of the following figures.
Show it:
1 shows a longitudinal section through a mold according to the invention with a mold tube forming a mold cavity,
2 shows a cross section through a longitudinal section of the mold according to the invention along the plane II-II in FIG. 1,
3 shows a schematic functional illustration of a section of a circumferential line of a cross section through the mold cavity of the mold in FIG. 1 along the plane 25,
4 shows the positional dependence of the conicity of the mold according to FIG. 1 in the longitudinal direction of the mold along different paths,
Fig. 5 is a standardized representation of a portion of the circumferential lines of different cross sections through the mold cavity of the mold in Fig. 1 and
FIG. 6 shows a comparison of a circumferential line according to FIG. 5 with a corresponding circumferential line of a square strand after a predetermined thermal contraction.
1 and 2 show a longitudinal and a cross section through the same embodiment of a mold according to the invention. The mold has a mold tube 5 which forms a mold cavity 10 with a casting cone 10 min, a pouring opening 11 and an outlet opening 12. For the sake of simplicity, the representations in FIGS. 1 and 2 - corresponding to the present problem - concentrate on the mold tube 5, in particular the geometry of the casting cone for 10 minutes. Additional components that make up a mold that can be used in the casting operation are omitted in FIGS. 1 and 2.
The casting cone 10 min is formed in a longitudinal section 15 min of the mold cavity 10 between a cross-sectional area 24 in the vicinity of the inlet opening 11 and the outlet opening 12. To illustrate the geometry of the casting cone 10 min, the increasing narrowing of the mold cavity 10 toward the outlet opening 12 is exaggerated in FIGS. 1 and 2. 2 shows a plan view of a longitudinal section of the mold tube 5, which is delimited on one side by the cross-sectional area 24 and on the other side by a cross-sectional area 25 between the cross-sectional area 24 and the outlet opening 12. FIG. 1 in turn illustrates a longitudinal section along the line II in Fig. 2nd
The mold cavity 10 has four corner areas 13 in the form of fillets. The corner areas 13 are connected by intermediate areas 14 min, 14 min min, 14 min min min, 14 min min min min in the form of curved surfaces. 1, the course of the corner regions 13 is indicated by a line 13, which is the intersection of the surface delimiting the mold cavity and the diagonal surfaces of the mold cavity 10.
As can be seen from FIG. 2, the sections of the circumferential line of the mold cavity 10 which each connect two corner regions 13 in the cross-sectional area 24 are straight lines. The corresponding sections 26 min, 26 min min, 26 min min min, 26 min min min min of the circumferential line 26 of the mold cavity 10 in the cross-sectional area 25 are piece-like arcuate lines. Two of the sections 26 min, 26 min min, 26 min min min, 26 min min min min meet at one of the corner areas 13 at a right angle, determined as the intersection angle of the tangents of the respective sections at the relevant corner area 13.
As indicated in FIGS. 1 and 2, the clear width of the mold cavity 10 decreases linearly in the middle 32 towards the outlet opening 12 with the distance Z from the one-sided end of the casting cone 10 min. In and / or at the corner areas 13, the clear width of the mold cavity 10 at the pour-side end 24 of the pouring cone 10 min initially decreases significantly more with the distance from the pour-side end 24 of the pouring cone 10 min than in the middle 32 of the intermediate areas 14 min, 14 min min, 14 min min min, 14 min min min min.
When approaching the exit opening, however, the relative change in the inside width of the mold cavity 10, determined in and / or at one of the corner regions 13, decreases as a function of the distance Z and reaches values of the same order of magnitude as the relative change in the inside width in the middle 32 of the intermediate areas 14 min, 14 min min, 14 min min min, 14 min min min min.
The pouring cone 10 min can be characterized quantitatively by specifying the conicity K, which is defined in this context as the quotient of the magnitude of the gradient of the inside width of the mold cavity 10 and the inside width, in each case determined for a specific location in the corner regions 13 or the intermediate ranges 14 min, 14 min min, 14 min min min, 14 min min min min in units of% / m. According to this definition, the taper K on one of the sections is 26 min, 26 min min, 26 min min min and 26 min min min for the center 32 of the intermediate areas 14 min, 14 min min, 14 min min min, 14 min min min min or the corner areas 13 can be characterized by
EMI9.1
the indices "M" or "E" refer to the center 32 or the corner regions 13, the large WM or WE according to FIG. 2 half the clear width of the mold cavity 10 in the center 32 of the intermediate regions 14 min, 14 Specify min min, 14 min min min and 14 min min min min or in and / or on one of the corner areas 13 and Z2 designate the distance of the cross-sectional area 25 from the pour-side end 24 of the casting cone 10 min.
Fig. 3 is used to introduce coordinates X and Y to represent a section 26 min of the circumferential line 26 in the plane 25 in the form of a function Y = Y (X, Z = Z2) with the distance Z2 of the cross-sectional area 25 from the end 24 of the pouring side Casting cone 10 min as a parameter. The other sections 26 min min, 26 min min min and 26 min min min min can be treated analogously. In Fig. 3 right angles 13 min are drawn, each marking the angle that the section 26 min with one of the adjacent sections 26 min min or 26 min min min min in the corner regions 13, each defined by the horizontal dashed line or vertical lines represented tangents.
The origin of the coordinate system is such that the section 26 min is limited to the interval [- DELTA Ymax, 0] in the Y direction and the interval [- L / 2, L / 2] in the X direction, where L = 2 WE (Z2). Arrows PW in FIG. 3 indicate turning points on the section 26 min of the circumferential line 26, which mark a reversal of the sign of the curvature along the circumferential line 26.
The geometry of the mold according to the invention was optimized as follows by means of computer simulations. The simulations were based on a model that describes the growth of a strand shell into a molten steel, taking into account the heat flow through the strand shell, the mechanical properties of the strand shell and the ferrostatic pressure. Different forms Y = Y (X, Z = Z2) of the intermediate areas 14 min, 14 min min, 14 min min min and 14 min min min min were examined.
Various criteria were taken into account for optimization:
a The formation of gaps between the strand shell and the mold cavity walls should be avoided.
b The strand shell should grow as evenly as possible over the entire circumference of a cross-sectional area.
c At given strand pull-out speeds, the strand shell at the outlet opening should be as thick as possible.
d The contact forces between the strand shell and the mold cavity walls should be as low as possible.
The simulations were carried out using the example of a mold tube 5 made of copper, it being assumed that the pouring level at the upper end 24 of the pouring cone is 10 minutes and the length of the section 15 minutes which forms the pouring cone 10 minutes is between 600-1000 mm.
Quantitative results of the simulations are shown in FIGS. 4-6 for a mold tube 5 optimized according to the above criteria. The solid line (a) describes the taper K = KE (Z) in and / or at the corner areas 13 and the dashed line (b) the taper K = KM (Z) in the middle 32 of the intermediate areas 14 min, 14 min min , 14 min min min and 14 min min min min as a function of the distance Z from the pour-side end 24 of the pouring cone 10 min. The two curves are standardized with respect to KM (Z). Z is in units of length LK of section 15 min, i.e. the longitudinal extent of the pouring cone in the pouring direction for 10 min. As can be seen in FIG. 4, the taper KM (Z) is constant.
The taper KE (Z) at the end 24 of the pouring cone on the pouring side is approximately 10 times greater than KM (Z) and decreases with increasing distance Z at least in parts non-linearly and / or parabolically and / or linearly. The course of KM (Z) is compatible with KE (Z) <KM (Z) for Z> 0.6 LK. The simulation thus suggests that the taper K varies at least in the region of a partial length 15 of the casting cone for 10 min (see FIG. 1) along a circumferential line of any cross-sectional area, for example the cross-sectional area 25, such that the taper K to the center of the intermediate areas 14 min, 14 min min, 14 min min min and 14 min min min min decreases.
FIG. 5 shows the shape Y = Y (X, Z = Z2) of the circumferential line 26 of the cross-sectional area 25 adapted to the parameters in FIG. 4 with the distance Z2 of the cross-sectional area 25 from the pour-side end of the casting cone 10 min as a parameter.
5 shows the curves Y = Y (X, Z = Z2) for various Z2 normalized with respect to the quantities DELTA Ymax and L = 2 WE (Z2) introduced in FIG. 3, DELTA Ymax for the parameters in FIG. 4 obviously varies with Z2. In this normalized form, as shown in FIG. 5, a shape results for the circumferential line of any cross-sectional area of the mold cavity 10, which shape can be represented by a single universal function with a variable X / L and meets the above optimization criteria. 5 can be approximated by a fourth order parabola.
It is a smooth function of X, i.e. it has no abrupt changes in the slope as a function of X and has turning points PW approximately in the middle between the middle 32 of the intermediate areas 14 min, 14 min min, 14 min min min, 14 min min min min (X = 0) and that Corner areas 13 (X = +/- L / 2).
The solid line in FIG. 6 represents the curve from FIG. 5 in the case where Z2 2 = 300 mm and the cross-sectional area 24 at the pour-side end of the casting cone is a square with a clear width L = 108 mm for 10 min. DELTA Ymax is in the DELTA Ymax range <1 mm.
Within the scope of the optimization criteria mentioned, the parameters illustrated in FIGS. 4-6 can be modified to a certain extent without significantly influencing the properties of the mold according to the invention. For example, the requirement suggested by FIG. 5, that the shape of the intermediate areas 14 min, 14 min min, 14 min min min and 14 min min min min by a single, suitably standardized function of a variable and the specification of the taper, could be dispensed with KE (Z) and KM (Z) is represented. A waiver of this requirement leads to a certain extent to tolerable changes that can be compensated for by a corresponding change in the courses of KE (Z) and KM (Z).
An advantage of the solution shown in FIG. 5, however, can be seen in the fact that the proposed shape of the intermediate areas 14 min, 14 min min, 14 min min min, 14 min min min min can be characterized with particularly few parameters and the production of corresponding mold cavity walls , for example using numerically controlled machine tools.
Comparisons of different geometries of the casting cone 10 min show that the mold according to the invention can be expected to achieve a uniform strand shell growth if the taper KM in the middle between 14 min, 14 min min, 14 min min min and 14 min min min min, averaged over the entire length of the pouring cone is 10 min, 0-0.7% / m, preferably 0.2-0.6% / m, and the conicity KE in and / or at the corner areas 13, averaged over the entire length of the pouring cone, 10 min, assumes a value in the range 0.7-1.5% / m, preferably 0.8-1.3% / m.
It is essential that the circumferential line of a cross-sectional area of the mold cavity 10 in the area of the casting cone 10 minutes between the corner areas 13 should be a smooth curve. Investigations have shown that punctual abrupt changes in the direction of the tangent when passing through a point between the corner regions 13 promote the formation of gaps between the mold cavity wall and the strand shell in the vicinity of this point and interfere with the growth of the strand shell locally, even if the direction of the tangent changes abruptly when passing this point by only 2 °.
The dashed line in FIG. 6 describes a section of a circumferential line of the mold cavity of a mold, the pouring cone of which follows the "natural shrinkage" of the strand shell. This dashed line is comparable to the solid curve in FIG. 6 in that both curves are located both on molds, the mold cavities of which on the pouring mirror have the same square cross-sectional area with the clear width L = 108 mm, and on the same distance Z = 7- 2 from the upper end of the respective pouring cone.
In the case of the mold that simulates the natural shrinkage of the strand shell, it was determined to what extent a strand shell with a square contour that forms on the pouring mirror changes its shape due to the temperature gradients, the mechanical properties of the strand shell and the ferrostatic pressure and the shape of the casting cone Iteratively adjusted in such a way that no gap formation occurs and the heat flow is the same at all points on the strand shell. As the dashed line in FIG. 6 shows, the natural shrinkage also requires a greater conicity at the corner regions 13 in comparison with the conicity in the middle 32 of the intermediate regions 14 min, 14 min min, 14 min min min, 14 min min min min , The comparison with the solid line in FIG. 6, however, indicates a number of special features.
The concept of "natural shrinkage" leads to intermediate areas 14 min, 14 min min, 14 min min min, 14 min min min min, which are essentially flat in the middle 32 over a wide area (in FIG. 6 for -0, 3 <X / L> 0.3). In the vicinity of the corner regions 13 (in FIG. 6 for X / L> 0.3), the intermediate regions are curved in an S-shape, a circumferential line in a cross-sectional area of the mold cavity 10 in the region of the S-shaped sections of the intermediate regions 14 min. 14 min min, 14 min min min, 14 min min min min each has an inflection point. The position of the turning points and the width of the S-shaped sections of the intermediate areas 14 min, 14 min min, 14 min min min, 14 min min min strongly depends on the distance Z2 from the pouring end 24 of the pouring cone 10 min, especially for small ones Z2.
In comparison to the mold, which is represented by the parameters in FIGS. 4 and 5 and the solid line in FIG. 6, the concept of natural shrinkage leads to shapes of the intermediate areas which are in a cross-sectional area of the mold cavity 10 at the corner areas 13 in an area widening with increasing distance Z2 is curved much more and consequently also have a greater relative change in the taper K along the circumferential line of a cross-sectional area, based on the width of the S-shaped sections. Studies indicate that in a mold that simulates natural shrinkage, the strand shell growth is sensitive to small changes in the shape of the intermediate areas.
The result is an increased tendency to form gaps at the corner regions 13 and, averaged over the entire length of the casting cone, 10 minutes, higher contact forces compared to the mold represented by the parameters in FIGS. 4 and 5. A mold represented by the parameters in FIGS. 4 and 5 is therefore suitable for higher pull-out speeds.
With the mold according to the invention, it is possible, for example, to produce steel strands with a square cross-section with an edge length of 108 mm at an extraction speed of more than 6 m / min.
The results discussed above are applicable to straight and curved mold cavities. The results mentioned are not only applicable to molds for the continuous casting of essentially square strands. They can be transferred to molds for the casting of essentially polygonal strands with at least three corner areas and three intermediate areas. In such molds, it is advantageous if two of the intermediate areas adjoining one of the corner areas form a corner angle which is independent of the distance from the pour-side end of the pouring cone. With regard to the shape of the intermediate areas, the statements discussed in connection with FIGS. 4, 5 and 6 can be used.
The aforementioned embodiment of the mold according to the invention relates to a casting cone, the circumferential lines between the corner areas at the pouring end of the casting cone are formed from straight lines for 10 minutes and which have an increasingly convex curvature as the distance from the pouring end 24 of the casting cone increases for 10 minutes. Within the framework of the concept on which the invention is based, it is also conceivable for the circumferential lines of the mold cavity to be straight at the outlet opening 12 between the corner regions 13 and to be concave at the pour-side end 24 of the casting cone.
In the context of the concept according to the invention, it is not essential - in contrast to the design of the embodiment shown in FIGS. 1 and 2 - that all intermediate regions of a mold cavity with an essentially polygonal cross-sectional area have a convex curvature that increases with increasing distance from the pour-side end of the casting cone. In the case of a mold cavity with a substantially rectangular cross-sectional area, improvements in the sense of the object on which the invention is based can already be achieved if at least one intermediate region or, for example, two opposite intermediate regions have a convex curvature increasing in the direction of the strand along the lines of FIGS. 4 and 5.