[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Kokille zum Stranggiessen einer Stahlschmelze.
[0002] Eine solche Kokille weist in der Regel einen Formhohlraum auf, der von mindestens einer Formhohlraumwand begrenzt ist. Beim Stranggiessen wird kontinuierlich eine Stahlschmelze in den Formhohlraum gegossen und an den Formhohlraumwänden - eine geeignete Kühlung der Formhohlraumwände vorausgesetzt - eine Strangschale aus der Stahlschmelze zum Erstarren gebracht.
Die Strangschale, deren Dicke mit der Zeit wächst, bildet die äussere Hülle eines Stranges, der kontinuierlich durch eine Austrittsöffnung aus dem Formhohlraum ausgefördert und anschliessend einer Weiterverarbeitung zugeführt werden kann.
[0003] Die extremen Bedingungen, die beim Stranggiessen einer Stahlschmelze herrschen, schränken die Wahl der Werkstoffe, die für die Gestaltung der Formhohlraumwände geeignet sind, ein. Um die Erstarrung der Stahlschmelze im Formhohlraum zu ermöglichen, muss einerseits ein grosser Wärmestrom längs eines Temperaturgefälles in den Formhohlraumwänden realisiert und folglich durch geeignete Wahl der Werkstoffe für eine hinreichend gute Wärmeleitung in den Formhohlraumwänden gesorgt werden. Andererseits sind Formhohlraumwände im Giessbetrieb hohen Belastungen ausgesetzt, die die Lebensdauer der Formhohlraumwände limitieren.
Die Formhohlraumwände stellen deshalb Verschleissteile dar, die nach einer endlichen Zahl von Güssen ersetzt oder repariert werden müssen. Die Wahl der Werkstoffe sollte folglich auch der Forderung nach einer möglichst langen Lebensdauer der Formhohlraumwände Rechnung tragen.
[0004] Für die Lebensdauer der Formhohlraumwände sind verschiedene, für den Giessprozess charakteristische Faktoren bestimmend. Der Verschleiss der Formhohlraumwände ist in der Regel im Bereich des Badspiegels der Schmelze durch Verzug und Rissbildung, bedingt durch die hohe thermische Beanspruchung, und in der Nähe der Austrittsöffnung für den Strang durch abrasiven Verschleiss und Kratzer, hervorgerufen durch eine Wechselwirkung mit dem Strang, gekennzeichnet.
Selbst wenn die Formhohlraumwände beim Giessen auf der dem Formhohlraum abgewandten Seite intensiv gekühlt werden, führt der Kontakt zur Schmelze zu einer extremen thermischen Belastung insbesondere in der Nähe des Giessspiegels und zu einer entsprechend grossen Temperaturerhöhung der Formhohlraumwand auf der Formhohlraumseite. Folglich sind hohe Anforderungen an die für die Formhohlraumwand bestimmten Werkstoffe hinsichtlich ihrer Warmfestigkeit zu richten. Generell müssen die Formhohlraumwände die nötige mechanische Festigkeit aufweisen, um eine Deformation aufgrund der im Giessbetrieb auftretenden mechanischen Kräfte in Grenzen zu halten.
Bei einer zu geringen Festigkeit könnten thermische Spannungen und/oder der ferrostatische Druck der Schmelze auf der Formhohlraumseite und/oder der Anpressdruck eines Kühlmediums auf der dem Formhohlraum abgewandten Seite der Formhohlraumwand zu plastischen Deformationen der Formhohlraumwände führen. Auf Dauer können die Deformationen im Giessbetrieb ein nicht tolerierbares Ausmass erreichen und auf diese Weise die Standzeit der Formhohlraumwände im Giessbetrieb limitieren.
[0005] Ein weiteres Kriterium für die Eignung eines Werkstoffs als Werkstoff für Formhohlraumwände ist die Temperaturabhängigkeit der physikalischen Eigenschaften.
Unter anderem zeigen Materialparameter, wie beispielsweise die Streckgrenze oder die Bruchfestigkeit, die die mechanische Festigkeit charakterisieren, im Fall der metallischen Werkstoffe oberhalb einer sogenannten Erweichungstemperatur in der Regel einen steilen Abfall mit wachsender Temperatur. In diesem Zusammenhang soll unter Erweichungstemperatur eines Werkstoffs die Temperatur verstanden werden, bei der die Streckgrenze des Werkstoffs auf die Hälfte des entsprechenden Wertes bei Raumtemperatur abnimmt.
[0006] Bereits in der Anfangsphase der Entwicklung der Stranggiesstechnik wurden verschiedene Metalle bzw. Legierungen im Hinblick auf ihre Eignung als Werkstoff für Formhohlraumwände untersucht. Es wurden beispielsweise Giessversuche mit Kokillen auf der Basis von Kupfer oder Kupferlegierungen, legiertem oder unlegiertem Stahl, Aluminium oder Molybdän durchgeführt.
Nach vergleichenden Untersuchungen wurden Kupfer und Kupferlegierungen von der Fachwelt als die Werkstoffe eingeschätzt, deren Materialeigenschaften den besten Kompromiss darstellen, gemessen an den vielfältigen Anforderungen an das Verhalten der Formhohlraumwände beim Giessen. An dieser Einschätzung der Fachwelt hat sich bis heute nichts geändert: Kokillen zum Stranggiessen von Stahl werden in der Regel aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt.
[0007] Als Grundlage für das vorteilhafte Verhalten von Formhohlraumwänden auf der Basis von Kupfer oder Kupferlegierungen wird im Allgemeinen die relativ hohe Wärmeleitfähigkeit von Kupfer bzw. einer Vielzahl von Kupferlegierungen gesehen, obwohl Kupfer bzw.
Kupferlegierungen im Vergleich zu vielen anderen Metallen beispielsweise eine deutlich geringere Warmfestigkeit, eine geringere Erweichungstemperatur oder einen grösseren Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Kupfer bzw. Kupferlegierungen haben typischerweise eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 200-400 W/mK. Formhohlraumwände aus einem Metall mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit neigen in der Regel beim Giessen von Stahl zu thermischem Verzug aufgrund übermässiger thermisch induzierter Spannungen und werden deshalb relativ schnell unbrauchbar, d.h. die Standzeit solcher Formhohlraumwände ist erfahrungsgemäss vergleichsweise kurz.
[0008] Die Auswahl von Kupfer oder einer Kupferlegierung als Werkstoff legt den Rahmen fest, in dem andere Parameter, die die Eigenschaften der Formhohlraumwand bestimmen, zu Optimierungszwecken variierbar sind.
Beispielsweise haben die meisten Kupferlegierungen und insbesondere Kupfer eine relativ geringe Härte. Werden diese Metalle als Werkstoff für Formhohlraumwände ausgewählt, so kann die Formstabilität der Formhohlraumwände nur in gewissem Rahmen optimiert werden. Um im Giessbetrieb eine möglichst gute Formstabilität einer Formhohlraumwand zu gewährleisten, kann beispielsweise die Härte des Werkstoffs mittels geeigneter Aushärtungsbehandlungen erhöht werden. Zur Optimierung der Formstabilität kann ausserdem die Dicke der Formhohlraumwand entsprechend vergrössert werden.
[0009] Den beiden genannten Möglichkeiten zur Optimierung der Formstabilität steht als Nachteil eine Erhöhung der Herstellungskosten gegenüber. Zum einen ist eine Vergrösserung der Dicke der Formhohlraumwand offensichtlich mit Mehrausgaben für Werkstoffe verbunden.
Aushärtungsbehandlungen für Werkstücke aus Kupfer oder Kupferlegierung wiederum sind bekanntlich kostspielig. Zur Aushärtung solcher Werkstücke wird meist eine Kaltverfestigung mittels einer Kaltumformung durchgeführt. Da bei einer Kaltverformung relativ grosse Kräfte aufzubringen sind, verursachen Anlagen zur Kaltverformung in der Regel hohe Investitionskosten, die einen grossen Teil der Herstellungskosten für Formhohlraumwände ausmachen. Dies gilt für die Herstellung von plattenförmigen Formhohlraumwänden für Plattenkokillen und für die Herstellung von Kokillenrohren für Rohrkokillen gleichermassen. Zur Kaltumformung grossformatiger Platten werden beispielsweise entsprechend dimensionierte und aufgrund ihrer Grösse entsprechend teure Pressen oder Walzwerke benötigt.
Kaltverfestigte Kokillenrohre aus Kupfer oder einer Kupferlegierung werden in der Regel durch eine Umformung eines Rohlings hergestellt, indem der Rohling in kaltem Zustand über einen geeignet geformten Dorn bzw. durch eine geeignet geformte Matrize gezogen und dabei einer Kaltumformung unterzogen wird. Auch bei dieser Art der Kaltumformung müssen mit grossen apparativem Aufwand relativ grosse Kräfte erzeugt werden.
[0010] Formhohlraumwände aus Kupfer bzw. einer Kupferlegierung würden beim Stranggiessen einem hohen Verschleiss unterliegen infolge der mechanischen Wechselwirkung mit der Strangschale eines längs der Kokillenwände bewegten Stranges.
Um dieser Form des Verschleisses entgegenzuwirken, ist es üblich, die Formhohlraumwände formhohlraumseitig zumindest an besonders stark beanspruchten Stellen mit einer dünnen, den Verschleiss vermindernden Schutzschicht auszustatten. Beispielsweise werden in DE 34 150 50 Kokillen offenbart, deren Formhohlraumwände aus einem aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gefertigten Beschichtungsträger und einer formhohlraumseitig auf den Beschichtungsträger aufgebrachten Beschichtung auf der Basis von Nickel und/oder Chrom und gegebenenfalls weiteren Zusätzen mit einer Schichtdicke von bis zu 1.5 mm aufgebaut sind.
Eine solche Beschichtung ist härter als der Werkstoff des Beschichtungsträgers und ist selbst resistenter gegen Verschleiss, als es der Beschichtungsträger ohne eine solche Beschichtung wäre.
[0011] Während die Wahl von Kupfer oder einer Kupferlegierung als Werkstoff für eine Formhohlraumwand günstig ist hinsichtlich der thermischen Eigenschaften der Formhohlraumwand, sind Kupfer und Kupferlegierungen von Nachteil hinsichtlich einer Reihe von Parametern, die im Giessbetrieb eine wesentliche Rolle spielen und bei der Konstruktion einer Stranggiessanlage berücksichtigt werden müssen. Kupferlegierungen und insbesondere Kupfer haben eine hohe elektrische Leitfähigkeit.
Bei einer Formhohlraumwand ist eine hohe elektrische Leitfähigkeit allerdings von Nachteil im Hinblick auf Anwendungen, bei denen eine Stahlschmelze im Formhohlraum mittels elektromagnetischer Induktoren gerührt werden soll. Die elektromagnetischen Induktoren sind nämlich gewöhnlich auf der dem Formhohlraum abgewandten Seite der Formhohlraumwand angeordnet, so dass eine hohe elektrische Leitfähigkeit der Formhohlraumwand zu einer besonders starken Abschwächung des mittels der elektromagnetischen Induktoren im Formhohlraum erzeugbaren elektromagnetischen Feldes führt. Eine hohe elektrische Leitfähigkeit der Formhohlraumwände resultiert deshalb in einem kleinen Wirkungsgrad der Induktoren hinsichtlich ihrer Rührwirkung.
[0012] Weiterhin wirkt Kupfer in hohem Masse absorbierend auf radioaktive Strahlung.
Es wäre allerdings wünschenswert, wenn Formhohlraumwände möglichst transparent für radioaktive Strahlung wären. Es ist nämlich üblich, während des Giessbetriebes die Höhe des Badspiegels einer Metallschmelze im Formhohlraum einer Kokille mit Hilfe einer Messung der Transmission radioaktiver Strahlung durch die Formhohlraumwände quer zur Giessrichtung zu überwachen und in Abhängigkeit von der momentanen Höhe des Badspiegels den Betrieb der Stranggiessanlage zu steuern. In diesem Fall erschwert eine hohe Absorption der radioaktiven Strahlung in den Formhohlraumwänden die Messung der Höhe des Badspiegels. Eine solche Messung mit der erforderlichen Empfindlichkeit durchzuführen ist deshalb entsprechend aufwendig.
[0013] Formhohlraumwände aus Kupfer oder einer Kupferlegierung haben ein relativ hohes Gewicht.
Das hohe Gewicht ist von Nachteil bei allen während des Giessbetriebes anfallenden Massnahmen, die mit einer Bewegung der Formhohlraumwände verbunden sind, beispielsweise beim Auswechseln bzw. beim Ein- und Ausbau und beim Transport der Kokille bzw. der Formhohlraumwände. Das Gewicht der Formhohlraumwände ist auch von Bedeutung bei der Konstruktion der Oszillationsvorrichtung, die in Stranggiessanlagen standardmässig vorgesehen ist, um die Kokille im Giessbetrieb relativ zu einem in der Kokille erstarrenden Strang in Bewegung zu halten.
Bei einem geringeren Gewicht der Formhohlraumwände könnten alle Massnahmen, die eine Bewegung der Kokille bzw. der Formhohlraumwände hervorrufen sollen, mit vereinfachten Mitteln durchgeführt werden.
[0014] Ausgehend von den genannten Nachteilen einer Kokille mit Formhohlraumwänden auf der Basis von Kupfer oder einer Kupferlegierung, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kokille zu schaffen, die für das Stranggiessen einer Stahlschmelze geeignet ist, deren Eigenschaften eine konstruktive Vereinfachung der Stranggiessanlage zulassen und deren Formhohlraumwände kostengünstiger hergestellt werden können.
[0015] Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung durch eine Kokille mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Um einer Stahlschmelze im Formhohlraum beim Giessen Wärme entziehen zu können, ist eine Kühlvorrichtung zur Kühlung der Formhohlraumwände vorgesehen.
Mit der Kühlvorrichtung ist beim Giessen in den Formhohlraumwänden ein Temperaturgefälle realisierbar, welches ein quantitatives Mass für den Wärmestrom in den Formhohlraumwänden ist. Eine Formhohlraumwand der erfindungsgemässen Kokille umfasst einen Beschichtungsträger mit einer formhohlraumseitig auf den Beschichtungsträger aufgebrachten Beschichtung, wobei als Werkstoff für den Beschichtungsträger Aluminium oder eine Aluminiumlegierung gewählt ist und die Beschichtung aus einem Material, das eine höhere Warmfestigkeit als der Werkstoff des Beschichtungsträgers aufweist, gebildet ist und derart ausgelegt ist,
dass beim Giessen die Temperatur im Beschichtungsträger mit Hilfe der Kühlvorrichtung auf einem Wert unterhalb eines für die Festigkeit des Beschichtungsträgers massgeblichen Grenzwertes haltbar ist.
[0016] Der Beschichtungsträger und die Beschichtung sind funktioneil aufeinander abgestimmt, um der Formhohlraumwand sowohl die gewünschte Formstabilität als auch die gewünschten thermischen Eigenschaften zu geben. Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen haben in der Regel eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 130-220 W/mK und somit eine um ungefähr 50% geringere Wärmeleitfähigkeit als Kupfer. Der Beschichtungsträger der erfindungsgemässen Kokille würde beim Giessen von Stahl überhitzen, wäre er nicht formhohlraumseitig geeignet beschichtet.
Ohne eine Beschichtung würde eine Formhohlraumwand aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung wegen der relativ geringen Wärmeleitfähigkeit beim Giessen zumindest in den Bereichen der formhohlraumseitigen Oberfläche, die mit der Stahlschmelze in Kontakt ist, eine relativ hohe Temperatur erreichen, die die Erweichungstemperatur des Werkstoffs der Formhohlraumwand übersteigt. Eine solche Formhohlraumwand würde den thermischen Belastungen im Giessbetrieb nicht standhalten, da aufgrund eines relativ grossen Temperaturgefälles grosse thermische Spannungen in der Formhohlraumwand entstehen. Diese thermischen Spannungen würden ein tolerierbares Mass übersteigen, gemessen an der geringen Warmfestigkeit des Werkstoffs der Formhohlraumwand.
Das hätte zur Folge, dass die Formhohlraumwände sich bereits während eines einzigen Gusses verziehen würden und die Form des Formhohlraumes sich um ein nicht tolerierbares Mass verändern würde. Die Formhohlraumwände müssten ersetzt oder repariert werden. Weiterhin wäre die Gefahr einer Bildung von Rissen gegeben. Diese Probleme treten bei der erfindungsgemässen Kokille nicht auf. Wegen der Beschichtung befindet sich der Beschichtungsträger beim Giessen nicht in unmittelbarem Kontakt mit der Stahlschmelze und kann mittels der Kühlvorrichtung auf einer Temperatur gehalten werden, bei der Aluminium bzw. eine Aluminiumlegierung eine Festigkeit hat, die ausreicht, um die Formstabilität des Beschichtungsträgers während des Giessbetriebes zu gewährleisten.
Der Beschichtungsträger dient als stabiles Substrat für die Beschichtung und sorgt somit für die Formstabilität der Formhohlraumwand. Die Beschichtung hat die Funktion, die thermischen Eigenschaften der Formhohlraumwand zu optimieren. Da die Beschichtung beim Giessen in direktem Kontakt mit der Stahlschmelze ist, muss die Beschichtung einerseits eine angemessene Warmfestigkeit aufweisen, die die Stabilität der Beschichtung bei den während des Giessens realisierten Temperaturen gewährleistet.
Weiterhin sind die thermischen Eigenschaften der Beschichtung so ausgelegt, dass der Beschichtungsträger vor einer Überhitzung geschützt ist, wenn die Formhohlraumwand mit dem grösstmöglichen Wärmestrom belastet ist, der beim Giessen durch die Formhohlraumwand abgeführt werden muss.
[0017] Da beim Giessen insbesondere in der Nähe des Badspiegels der Stahlschmelze extrem hohe Wärmestromdichten und folglich auch ein entsprechend grosses Temperaturgefälle in der Formhohlraumwand realisiert werden, kann die Beschichtung im Vergleich zur Gesamtdicke der Formhohlraumwand relativ dünn gestaltet werden, um den Beschichtungsträger vor einer Überhitzung zu schützen. Eine erfindungsgemäss gestaltete Beschichtung gestattet es, Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen als Werkstoff für Formhohlraumwände nutzbar zu machen.
Die thermischen und mechanischen Eigenschaften von Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen lassen es zu, auf der Grundlage eines Beschichtungsträgers aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung in Verbindung mit einer geeigneten Beschichtung Formhohlraumwände zu schaffen, die hinsichtlich der Stabilität, der thermischen Belastbarkeit und der Wärmeableitung beim Giessen im Vergleich mit den bekannten Formhohlraumwänden aus Kupfer oder einer Kupferlegierung zumindest gleichwertig sind und zusätzlich die Möglichkeit bieten, eine Reihe von Vorteilen zu nutzen, die die Verwendung von Aluminium mit sich bringt.
[0018] Beispiele für Aluminiumlegierungen, die sich wegen ihrer hohen Festigkeit und ihren thermischen Eigenschaften besonders gut als Werkstoffe für den Beschichtungsträger der erfindungsgemässen Kokille eignen, sind Legierungen auf der Basis von Aluminium und Magnesium,
beispielsweise die als Anticorodal WN 6082 bekannte Legierung Al Mg Si1, oder Legierungen auf der Basis von Aluminium und Beryllium, beispielsweise Legierungen mit 27-28 Gewichtsprozent Aluminium und 60-70 Gewichtsprozent Beryllium. Die genannten Legierungen sind Beispiele für Werkstoffe mit einer Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 150-220 W/mK. Sie haben somit zwar eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Kupfer, sie sind aber - zumindest bei Raumtemperatur - wesentlich härter als Kupfer.
Ein aus diesen Werkstoffen gefertigter Beschichtungsträger kann deshalb - verglichen mit einem Beschichtungsträger aus Kupfer - eine relativ geringe Wandstärke aufweisen und trotzdem die erforderliche Stabilität und - trotz der geringeren Wärmeleitfähigkeit - beim Giessen eine den Anforderungen entsprechende Wärmestromdichte gewährleisten.
[0019] Die Formhohlraumwände der erfindungsgemässen Kokille bieten die Voraussetzung für eine vergleichsweise kostengünstige Fertigung, verglichen mit entsprechenden Formhohlraumwänden aus Kupfer oder einer Kupferlegierung. Eine wesentliche Ersparnis ergibt sich aufgrund der deutlich geringeren Materialkosten im Falle von Aluminium im Vergleich zu Kupfer. Einen weiteren Kostenvorteil bieten die Aluminiumlegierungen, die - wie beispielsweise AI Mg Si1 - eine hohe Festigkeit auch ohne eine kostspielige Kaltverfestigung annehmen.
In letzterem Fall können Werkstücke auch in warmem Zustand unter vereinfachten Bedingungen präzise geformt werden, zumal auf eine Kaltverformung zum Zwecke der Aushärtung des Werkstoffs verzichtet werden kann.
[0020] Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Kokille ist die Beschichtung derart ausgelegt, dass der Beschichtungsträger beim Giessen mit Hilfe der Kühlvorrichtung auf einer Temperatur unterhalb 300 deg. C haltbar ist. Unter diesen Bedingungen haben Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen eine hinreichend grosse Härte, um die Voraussetzung dafür zu bieten, dass der Beschichtungsträger beim Giessen formstabil ist und dass die Standzeit der Formhohlraumwände im Giessbetrieb nicht durch das Betriebsverhalten des Beschichtungsträger bestimmt ist.
Weiterhin sind die Voraussetzungen dafür gegeben, dass die Standzeit der Formhohlraumwände ausschliesslich durch den Verschleiss der Beschichtung limitiert ist. Das bedeutet, dass der Beschichtungsträger eine höhere Standfestigkeit aufweist als die Beschichtung.
[0021] Die mechanische Festigkeit des Beschichtungsträgers nimmt in der Regel mit steigender Temperatur ab und kann bei Temperaturen oberhalb der Erweichungstemperatur des Werkstoffs des Beschichtungsträgers eine für die Formstabilität des Beschichtungsträgers kritische Grenze unterschreiten.
Da bei der erfindungsgemässen Kokille während des Giessens ein Temperaturgefälle in den Formhohlraumwänden realisiert ist und die Festigkeit der Formhohlraumwand längs des Temperaturgefälles variiert, ist es nicht nötig, dass die Temperatur an jedem Punkt innerhalb des Beschichtungsträgers niedriger als die Erweichungstemperatur seines Werkstoffes ist, um im Giessbetrieb die Formstabilität des Beschichtungsträgers zu gewährleisten. Die Beschichtung kann hinsichtlich ihrer thermischen Eigenschaften entsprechend ausgelegt werden. Um diese Überlegung umzusetzen, ist bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemässen Kokille vorgesehen, dass das Temperaturgefälle derart realisierbar ist, dass sich beim Giessen mehr als 50% Volumenanteile des Beschichtungsträgers unterhalb der Erweichungstemperatur des Werkstoffs des Beschichtungsträgers befindet.
An der Grenzfläche zwischen Beschichtung und Beschichtungsträger darf also die Temperatur die Erweichungstemperatur des Werkstoffs des Beschichtungsträgers übersteigen. Die Formstabilität der Formhohlraumwände ist trotzdem gewährleistet.
[0022] Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemässen Kokille weist eine Beschichtung auf, die zumindest in einem Bereich um ein Sollniveau der Metallschmelze aus einem Material gebildet ist, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit als der Beschichtungsträger hat. Je höher die Wärmeleitfähigkeit der Beschichtung ist, desto dicker muss die Beschichtung sein, um beim Giessen die Temperatur im Beschichtungsträger unterhalb eines vorgegebenen Grenzwertes zu halten.
Eine Beschichtung mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit muss hingegen verhältnismässig dünn gewählt werden, um beim Giessen eine hinreichend grosse Wärmestromdichte in der Formhohlraumwand realisieren zu können. In fertigungstechnischer Hinsicht ist ein grosser Wert für die Dicke der Beschichtung insofern vorteilhaft, als die Genauigkeit, mit der die Dicke der Beschichtung über die gesamte Oberfläche der Formhohlraumwand kontrolliert werden muss, mit wachsender Dicke geringer wird. Dieser Gesichtspunkt ist insbesondere relevant, wenn die Oberfläche der Beschichtung im Anschluss an das Aufbringen der Beschichtung auf den Beschichtungsträger noch bearbeitet werden muss.
Grosse Fertigungstoleranzen sind insbesondere von Vorteil im Zusammenhang mit rohrförmigen Beschichtungskörpern, die auf der Innenseite mit einer Beschichtung versehen sind, um einen Formhohlraum abzugrenzen. Falls die Beschichtung noch bearbeitet werden muss, um den Formhohlraum auf ein vorbestimmtes Formhohlraummass zu bringen, dann sind grosse Fertigungstoleranzen von Interesse, zumal die Innenbearbeitung von Rohren mit Komplikationen verbunden ist.
Dies gilt insbesondere für lange Rohre mit kleinem Querschnitt, beispielsweise für Kokillenrohre zum Stranggiessen von Strängen mit Knüppelformat.
[0023] Als Werkstoff für eine Beschichtung, die eine höhere Wärmeleitfähigkeit als der Beschichtungsträger aufweist, ist insbesondere Kupfer oder eine Kupferlegierung geeignet.
[0024] Eine andere Variante für eine geeignete Beschichtung ist die Beschichtung mit einem Material, das eine Schmelztemperatur aufweist, die grösser ist als die Temperatur der Stahlschmelze. Eine solche Beschichtung verbessert die Betriebssicherheit der Kokille für den Fall, dass die Kühlvorrichtung in ihrer Funktion beeinträchtigt ist. Für die Beschichtung geeignete Werkstoffe mit Schmelztemperaturen über 1450 deg.
C sind beispielsweise Metalle wie Molybdän, Wolfram, Nickel oder Legierungen auf der Basis dieser Metalle und keramische Materialien.
[0025] Durch geeignete Materialwahl kann die Beschichtung der Formhohlraumwände der erfindungsgemässen Kokille so gestaltet werden, dass während des Giessbetriebes die Wechselwirkung mit dem Strang zu einem möglichst geringen Verschleiss führt. Dieses Ziel kann durch verschiedene Massnahmen erreicht werden. Beispielsweise kann die Beschichtung zumindest in einer Umgebung um die Austrittsöffnung für den Strang in dem Bereich, der durch die Bewegung des Stranges am meisten beansprucht wird, aus einem Material gefertigt werden, das widerstandsfähig gegen Verschleiss infolge einer Wechselwirkung mit dem Strang ist. Als Materialien mit hoher Verschleissfestigkeit sind Nickel und Chrom, insbesondere Hartchrom, bekannt.
Nickel und Chrom können auch kombiniert werden, um die Beschichtung zu bilden. Zusätzlich können zur Minderung des Verschleisses in die Beschichtung Schmiermittel zum Schmieren der Kruste eine Stranges eingelagert werden. Geeignete Schmiermittel sind beispielsweise Feststoffe auf Molybdän- und/oder Wolframbasis, vorzugsweises MoS2 und/oder WS2.
[0026] Die Wandstärke des Beschichtungsträgers kann 2-10 mm betragen. Um zu erreichen, dass der Beschichtungsträger im Giessbetrieb nicht überhitzt und selbst unter extremen Bedingungen ein hohes Mass an Festigkeit und Formstabilität zeigt, ist die Beschichtung als Dickschicht mit einer Dicke von 0.5-5 mm, vorzugsweise 1-4 mm, ausgeführt.
Eine solche Beschichtung kann galvanisch oder durch Plattieren oder mittels thermischem Spritzen, beispielsweise Flammspritzen oder Plasmaspritzen, hergestellt und gegebenenfalls durch eine Bearbeitung mit einer Oberfläche versehen werden, die der gewünschten Form des Formhohlraums mit der erforderlichen Genauigkeit entspricht.
[0027] Zur Kühlung können die Formhohlraumwände an der dem Formhohlraum abgewandten Seite mit einem Kühlmittel, beispielsweise Kühlwasser, beaufschlagt werden. Zur Vergrösserung der Oberfläche, die vom Kühlmittel umströmt ist, kann der Beschichtungsträger auf der dem Formhohlraum abgekehrten Seite mit Kühlrippen versehen werden. Zur Optimierung der Kühlung kann ein Abstand zwischen den Kühlrippen von beispielsweise 5-8 mm gewählt werden. Die Wandstärke kann bei solchen Konstruktionen zwischen den Kühlrippen 2-10 mm betragen.
Ein Beschichtungsträger mit einer solch dünnen Wandstärke gewährleistet beispielsweise in Kombination mit einer Kupferbeschichtung von 3 mm die Realisierung von Wärmeströmen in der beim Giessen von Stahl üblichen Grössenordnung, ohne dass der Beschichtungsträger über ein für die Formstabilität des Beschichtungsträgers kritisches Mass hinaus erhitzt wird.
[0028] Bei geeigneter Auswahl der Werkstoffe für den Beschichtungsträger und die Beschichtung ist es möglich, die Beschichtung mindestens einmal oder mehrmals zu erneuern, wenn die formhohlraumseitige Oberfläche abgenutzt wurde. Durch mehrmalige Nutzung eines Beschichtungskörpers können Herstellungskosten gespart werden.
[0029] Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemässen Kokille umfasst Formhohlraumwände in Form eines Kokillenrohres.
In diesem Fall ist es denkbar, dass der Beschichtungsträger aus einer pressbaren Aluminiumlegierung mit entsprechenden Kühlrippen in einer Pressoperation hergestellt wird. Es ist auch möglich, den Beschichtungsträger aus mehreren Teilen zusammenzusetzen und anschliessend innen zu beschichten.
Beschichtungsträger für Kokillen mit einem polygonalen Formhohlraumquerschnitt können beispielsweise aus mehreren ebenen oder gebogenen Platten zusammengesetzt sein, die jeweils eine der den Formhohlraum begrenzenden Seitenwände der Kokille bilden.
[0030] Die Wahl von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung als Werkstoff für den Beschichtungsträger verleiht der erfindungsgemässen Kokille bei optimaler Wahl der Wandstärke des Beschichtungsträgers eine Reihe von Eigenschaften, die im Hinblick auf den Giessbetrieb und die Konstruktion von Giessanlagen mit Vorteil genutzt werden können. Die erfindungsgemässe Kokille bringt Vorteile hinsichtlich der Verwendung eines elektromagnetischen Rührers auf der dem Formhohlraum abgewandten Seite des Beschichtungsträgers.
Bei optimaler Auswahl des Werkstoffs für den Beschichtungsträger kann im Vergleich zu Kokillen mit Formhohlraumwänden aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mit einem identischen Rührer eine erhöhte Rührleistung erzielt werden oder zur Erzielung der gleichen Rührwirkung ein leistungsschwächerer Rührer verwendet werden. Verglichen mit Kupfer oder Kupferlegierungen führen Aluminium oder Aluminiumlegierungen wegen der kleineren elektrischen Leitfähigkeit zu einer wesentlich geringeren Abschwächung der mittels des Rührers im Formhohlraum erzeugten elektromagnetischen Felder. Wegen der Verwendung von Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung für den Beschichtungsträger ist die erfindungsgemässe Kokille relativ leicht im Vergleich zu einer entsprechenden Kokille aus Kupfer bzw. einer Kupferlegierung.
Wegen des geringeren Gewichts können im Giessbetrieb alle Massnahmen, die mit einem Transport der Kokille verbunden sind, mit vereinfachten Mitteln durchgeführt werden. Dieser Vorteil kommt beispielsweise zum Tragen bei der im Giessbetrieb notwendigen Kokillenoszillation und der Handhabung der Kokille beim Auswechseln und beim Ein- und Ausbau.
[0031] Weiterhin wirkt Aluminium in geringerem Masse als Kupfer absorbierend für radioaktive Strahlung. Die erfindungsgemässe Kokille weist deshalb eine erhöhte Transparenz für radioaktive Strahlung auf im Vergleich zu einer vergleichbaren Kokille aus Kupfer bzw. einer Kupferlegierung.
Diese Eigenschaft der erfindungsgemässen Kokille ist mit Vorteil nutzbar im Hinblick auf die Messung des Niveaus des Badspiegels einer in den Formhohlraum der Kokille eingebrachten Schmelze auf der Grundlage einer Messung der Transmission radioaktiver Strahlung durch die Formhohlraumwände und den Formhohlraum der Kokille und quer zur Giessrichtung. Die erfindungsgemässe Kokille erlaubt es, solche Transmissionsmessungen mit erhöhter Empfindlichkeit durchzuführen und wahlweise mit schwächeren radioaktiven Strahlungsquellen und/oder einer einfacheren Messtechnik zu arbeiten.
[0032] Im Nachfolgenden wird die Erfindung anhand einzelner Beispiele mit Hilfe von Figuren erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 : einen Vertikalschnitt durch eine Kokille gemäss der Erfindung;
Fig. 2 : einen Horizontalschnitt entlang der Linie l-l durch die Kokille gemäss Fig. 1;
Fig. 3 : einen Vertikalschnitt durch ein weiteres Beispiel einer Kokille gemäss der Erfindung;
Fig. 4 : den Verlauf der Temperatur in einer Formhohlraumwand als Funktion des Abstandes von der dem Formhohlraum abgewandten Seite der Form-Hohlraumwand für verschiedene Formhohlraumwände mit unterschiedlicher Materialzusammensetzung.
[0033] In Fig. 1 und 2 ist schematisch eine Knüppel- oder Vorblockkokille 3 mit einem Formhohlraum 4 zum Stranggiessen von Stahl dargestellt. Die Formhohlraumwand 4 ¾ der Kokille 3 wird intensiv mit einem Kühlmedium, vorzugsweise Kühlwasser, gekühlt. Mit Pfeilen 5 ist die Richtung des Kühlwasserflusses dargestellt.
Der Aufbau der Kokille ist wie folgt: Ein rohrförmiger Beschichtungsträger 6 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung trägt auf der Formhohlraumseite eine hochwärmeleitfähige erneuerbare Beschichtung 7 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mit einer Wärmeleitfähigkeit von 200-400 W/mK. Diese Beschichtung 7 kann galvanisch auf den Beschichtungsträger 6 aufgetragen werden. Sie kann aber auch durch thermisches Spritzen, beispielsweise Flamm- oder Plasmaspritzen, oder durch Plattieren aufgebracht werden. Nach dem Aufbringen der Beschichtung 7 in einer Dicke von 0.5-5 mm, vorzugsweise von 2-4 mm, wird durch eine Bearbeitung der Formhohlraum 4 auf das gewünschte Formhohlraummass und die gewünschte Formhohlraumoberflächengüte gebracht.
Für die Bearbeitung der Formhohlraumoberfläche sind alle im Stand der Technik bekannten Verfahren anwendbar, insbesondere eignen sich spanabhebende Bearbeitungen wie Fräsen, Schleifen, Funkenerosion oder Bearbeitungen mit Laserstrahlen. Mit 10, 10 ¾ sind ein unterer bzw. ein oberer Kokillenabschlussdeckel dargestellt.
[0034] Die Materialwahl des Beschichtungsträgers 6 wird mit erster Priorität auf eine gute Formstabilität bei erhöhter Temperatur ausgerichtet. Der Beschichtungsträger 6 könnte ohne Nachteile auch aus mehreren Teilen zusammengesetzt sein, weil die Beschichtung im Formhohlraum die Nahtstellen zwischen den einzelnen Teilen nahtlos überdeckt.
Der Beschichtungsträger kann beispielsweise aus mehreren Teilen aufgebaut sein, die mittels Schweissen, mit Hilfe geeigneter Befestigungsmittel wie Schrauben oder Nieten oder auf andere Weise zusammengehalten werden.
[0035] Der Beschichtungsträger 6 ist in diesem Beispiel auf der dem Formhohlraum 4 abgekehrten Seite mit Kühlrippen 11 versehen. Um eine entsprechend grosse Kühlfläche zu erhalten, liegen die Abstände zwischen den Kühlrippen 11 im Bereich von 5-8 mm. Die Wandstärke 12 des Beschichtungsträgers 6 zwischen den Kühlrippen 11 kann Werte im Bereich 2-10 mm annehmen.
[0036] In Fig. 3 ist eine Kokille 20 mit einer Rühreinrichtung 21 versehen. Die Formhohlraumwände 22 ¾ grenzen einen Formhohlraum 22 mit quadratischem Querschnitt ab.
Es ist möglich, den Werkstoff für den Beschichtungsträger 23 und für den Mantel 24 hinsichtlich der Anforderungen an den Betrieb der elektromagnetischen Rühreinrichtung 21 zu optimieren. Beispielsweise kann durch eine geeignete Vorgabe für die elektrische Leitfähigkeit des Beschichtungsträgers 23 die Stärke des elektromagnetischen Feldes, das von der Rühreinrichtung 21 im Formhohlraum 22 erzeugt wird, maximiert werden.
Die Verwendung von Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung bringt in diesem Zusammenhang Vorteile wegen der verhältnismässig geringen elektrischen Leitfähigkeit dieser Materialien.
[0037] Im Badspiegelbereich 25 bzw. in der oberen Kokillenhälfte ist eine Beschichtung 26 aus einem hochwärmeleitfähigen Material und im unteren Teil bzw. der unteren Formhohlraumhälfte ist eine Beschichtung 28 aus einem gegenüber Kupfer härteren Material, beispielsweise Nickel, aufgetragen.
[0038] In den Beschichtungen 26 und 28 sind Schmiermittel (durch Punkte angedeutet) zur Schmierung einer Strangkruste eingelagert. Schmiermittel auf Molybdän- und/oder Wolframbasis, vorzugsweise MoS2 und/oder WS2, können beim Einbringen der Beschichtung, beispielsweise durch Flammspritzen, in verschiedenste Beschichtungsmaterialien eingelagert werden.
Auch andere im Stand der Technik bekannte Schmiermittel, die in Beschichtungen einlagerbar sind, sind im Sinne der Erfindung eingeschlossen.
[0039] In den Beispielen der Fig.1-3 sind nur gerade Kokillen dargestellt. Die Erfindung schränkt sich aber nicht auf solche Kokillen mit geradem Formhohlraum ein. Die Erfindung ist auch nicht beschränkt auf Kokillen mit Formhohlraumwänden in Form eines Kokillenrohres. Auch die Formhohlraumwände von Plattenkokillen können gemäss der Erfindung konstruiert sein.
Die Geometrie des Formhohlraums kann beliebig gewählt werden.
[0040] Für bestimmte Stahllegierungen, insbesondere peritektische Stähle, kann es vorteilhaft sein, wenn im Bereich des Badspiegels 25 zwischen der hochwärmeleitfähigen Beschichtung 26 und dem Beschichtungsträger 23 eine Zwischenschicht 29 aus einem Material mit geringerer Wärmeleitfähigkeit als Kupfer, beispielsweise Nickel, aufgetragen ist.
[0041] Es ist möglich, beim Aufbringen der Beschichtung an ausgewählten Stellen Messsonden, beispielsweise Temperaturfühler, in die Beschichtung einzubetten. Die einzubettenden Messsonden können vor dem Aufbringen der Beschichtung mit grosser Genauigkeit an oder nahe der zu beschichtenden Oberfläche des Beschichtungsträgers angeordnet werden und beim Aufbringen der Beschichtung mit dem die Beschichtung bildenden Material umhüllt werden.
Auf diese Weise können die Messsonden innerhalb der Beschichtung angeordnet werden, ohne darauf angewiesen zu sein, nach Aufbringen der Beschichtung Bohrungen herzustellen, die in der Beschichtung enden und zur Aufnahme der Messsonden geeignet sind. Bekanntlich kann die Positionierung von Messsonden in Bohrungen nur relativ ungenau kontrolliert werden. Solche Ungenauigkeiten, die eine Ursache für Ungenauigkeiten bei Messungen mittels der Messsonden darstellen, werden vermieden, wenn die Messsonden - wie oben beschrieben - bei der Herstellung der Beschichtung in der Beschichtung eingebettet werden.
[0042] Aluminium ist ein relativ unedles Metall. Teile aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung neigen deshalb zu Korrosion bei einer über einen Elektrolyten vermittelten Verbindung zu anderen Metallen.
Die Korrosionsbeständigkeit des Be-schichtungsträgers der erfindungsgemässen Kokille kann mit bekannten Mitteln erzielt werden, beispielsweise durch Aufbringen geeigneter Schutzschichten an exponierten Stellen. Als Schutz gegen Korrosion können beispielsweise eine oder mehrere Schichten aus Nickel, Kupfer oder Nickel-Phosphor dienen.
[0043] Fig. 4 erläutert, wie die Formhohlraumwand der Kokille gemäss Fig. 1 dimensioniert werden kann. Als Beispiel wird angenommen, dass die Kokille für das Giessen hochgekohlter Stähle geeignet sein soll. Hochgekohlte Stähle sind insofern als Extremfall anzusehen, als beim Giessen dieser Stahlsorten besonders hohe Wärmeströme in den Formhohlraumwänden realisiert werden und die Wärmebelastung der Formhohlraumwände folglich extrem hoch ist.
Die Fig. 4 zeigt für zwei verschiedene Formhohlraumwände den jeweiligen Verlauf der Temperatur T in der Formhohlraumwand als Funktion des Abstandes X von der dem Formhohlraum abgewandten Seite der Formhohlraumwand, welche mit Kühlwasser beaufschlagt ist. Die Kurve (a) in Fig. 4 bezieht sich auf eine Formhohlraumwand aus der unter dem Namen Anticorodal WN 6082 bekannten Legierung AI Mg Si1, wobei formhohlraumseitig keine Beschichtung vorgesehen ist, während die Kurve (b) sich auf eine Formhohlraumwand bezieht, die aus einem Beschichtungsträger aus AI Mg Si1 mit der Dicke ds und einer formhohlraumseitigen Beschichtung aus Kupfer mit der Dicke dc besteht. Es ist angenommen, dass die Formhohlraumwände jeweils formhohlraumseitig in Kontakt zu einer Stahlschmelze sind, die eine Temperatur von 1530 deg. C aufweist. Als Temperatur des Kühlwassers wird 30 deg. C vorausgesetzt.
Im Falle der Kurve (b) ist als Dicke der Beschichtung dc = 3 mm angesetzt. Die Dicke der Formhohlraumwand im Falle der Kurve (a) und die Dicke des Beschichtungsträgers im Falle der Kurve (b) sind jeweils so gewählt, dass die Wärmestromdichte in den Formhohlraumwänden jeweils einen Wert von 6 x 10<6> W/m<2>, d.h. einen für hochgekohlte Stähle typischen Wert, annimmt.
Im Falle der Kurven (a) und (b) wurden jeweils die Wärmeübergänge zwischen der Stahlschmelze und der Formhohlraumwand einerseits und der Formhohlraumwand und dem Kühlwasser andererseits durch gleiche Wärmeübergangszahlen charakterisiert: als repräsentativer Wert für die Wärmeübergangszahl, die den Wärmeübergang an der formhohlraumseitigen Oberfläche der Formhohlraumwand beschreibt, ist alpha s = 5000 W/m<2>K und als repräsentativer Wert für die Wärmeübergangszahl, die den Wärmeübergang zwischen der Formhohlraumwand und dem Kühlwasser kennzeichnet, ist alpha w = 60 000 W/m<2>K angesetzt. Unter den genannten Bedingungen haben die Formhohlraumwände gemäss den Kurven (a) und (b) formhohlraumseitig und an der dem Formhohlraum abgewandten Oberfläche jeweils dieselbe Temperatur, obwohl die Formhohlraumwände in den beiden Fällen verschieden dick sind.
Die Kurven (a) und (b) haben gemäss Fig. 4 im Bereich X < ds einen identischen Verlauf, da die Formhohlraumwände in beiden Fällen im Bereich 0 <= ds dieselbe Materialzusammensetzung aufweisen und der Wärmestrom in den Formhohlraumwänden jeweils denselben Wert annimmt. Im Bereich X > ds hat die Kurve (b) als Funktion des Abstandes X einen flacheren Verlauf als die Kurve (a). Diese Abweichung der Kurve (b) von der Kurve (a) ist eine Folge der Tatsache, dass die Formhohlraumwand gemäss Kurve (b) im Bereich X> ds, d.h. innerhalb der Beschichtung, eine grössere Wärmeleitfähigkeit aufweist als der Werkstoff des Beschichtungsträgers, d.h. AI Mg Si1.
[0044] Die aus AI Mg Si1 gefertigte Formhohlraumwand, die der Kurve (a) in Fig. 4 zugeordnet ist, hat an der formhohlraumseitigen Oberfläche unter den angegebenen Bedingungen eine Temperatur von ca. 330 deg. C.
Diese Temperatur liegt deutlich oberhalb der Erweichungstemperatur des Werkstoffs der Formhohlraumwand, welche ca. 200 deg. C beträgt. Bei Temperaturen oberhalb von 300 deg. C ist die mechanische Festigkeit des Werkstoffs bereits auf weniger als 10% des entsprechenden Wertes bei Raumtemperatur reduziert. Bei einem Temperaturprofil gemäss Kurve (a) befindet sich bereits mehr als 50% des Volumens der Formhohlraumwand auf einer Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur des Werkstoffs der Formhohlraumwand.
Unter diesen Bedingungen befindet sich die Formhohlraumwand in einem kritischen Zustand, in dem die Formhohlraumwand übermässig verschleissanfällig ist mit dem Resultat, dass die Standzeit der Formhohlraumwand inakzeptabel kurz ist.
[0045] Die Formhohlraumwand, die der Kurve (b) in Fig. 4 zugeordnet ist, hat - als Resultat der Erfindung - eine Struktur, die eine höhere thermische Belastung erlaubt und eine längere Standzeit im Giessbetrieb erwarten lässt im Vergleich zu der Formhohlraumwand gemäss Kurve (a) in Fig. 4. Der Werkstoff der Beschichtung - in diesem Beispiel Kupfer - hat erfindungsgemäss eine höhere Warmfestigkeit als der Werkstoff des Beschichtungsträgers und stellt sicher, dass die Formhohlraumwand an der an die Stahlschmelze angrenzenden Oberfläche die erforderliche mechanische Stabilität aufweist.
Weiterhin sorgt die Beschichtung dafür, dass die maximale Temperatur, die der Werkstoff des Beschichtungsträgers annehmen kann, geringer ist als die Temperatur an der an die Stahlschmelze angrenzende Oberfläche der Formhohlraumwand. Durch geeignete Wahl der Dicke dc der Beschichtung kann die Temperatur im Beschichtungsträger derart abgesenkt werden, dass der Beschichtungsträger eine angemessene Formstabilität gewährleistet. Da im gewählten Beispiel AI Mg Si1 bei Raumtemperatur eine höhere mechanische Festigkeit aufweist als Kupfer, ist zu erwarten, dass eine Formhohlraumwand gemäss Fig. 4 eine mechanische Stabilität aufweist, die der Stabilität einer ausschliesslich aus Kupfer gefertigten Formhohlraumwand mindestens entspricht.
Im Falle der Formhohlraumwand gemäss Kurve (b) in Fig. 4 befinden sich mehr als 50% der Volumenanteile des Beschichtungsträgers auf einer Temperatur unterhalb der Erweichungstemperatur des Werkstoffs des Beschichtungsträgers.
The invention relates to a mold for continuously casting a molten steel.
Such a mold usually has a mold cavity which is bounded by at least one mold cavity wall. In continuous casting, a molten steel is continuously poured into the mold cavity and a strand shell from the molten steel to the mold cavity walls - assuming proper cooling of the mold cavity walls - solidified.
The strand shell, the thickness of which grows over time, forms the outer shell of a strand, which can be continuously conveyed out of the mold cavity through an outlet opening and subsequently fed to further processing.
The extreme conditions prevailing in the continuous casting of a molten steel, limit the choice of materials that are suitable for the design of the mold cavity walls, a. In order to allow the solidification of the molten steel in the mold cavity, on the one hand, a large heat flow must be realized along a temperature gradient in the mold cavity walls and consequently ensured by a suitable choice of materials for a sufficiently good heat conduction in the mold cavity walls. On the other hand, mold cavity walls in casting operation are subject to high loads which limit the life of the mold cavity walls.
The mold cavity walls therefore represent wearing parts which must be replaced or repaired after a finite number of spouts. Consequently, the choice of materials should also take account of the requirement for the longest possible lifetime of the mold cavity walls.
For the life of the mold cavity walls are various, characteristic of the casting process factors. The wear of the mold cavity walls is usually in the range of the bath level of the melt by warping and cracking caused by the high thermal stress, and in the vicinity of the outlet opening for the strand by abrasive wear and scratches, caused by an interaction with the strand characterized ,
Even if the mold cavity walls are cooled intensively during casting on the side facing away from the mold cavity, the contact with the melt leads to extreme thermal stress, in particular in the vicinity of the casting mirror and to a correspondingly large increase in temperature of the mold cavity wall on the mold cavity side. Consequently, high demands are to be made on the materials intended for the cavity wall in terms of their heat resistance. In general, the mold cavity walls must have the necessary mechanical strength to limit deformation due to the mechanical forces occurring in the casting operation.
If the strength is too low, thermal stresses and / or the ferrostatic pressure of the melt on the mold cavity side and / or the contact pressure of a cooling medium on the side of the mold cavity wall facing away from the mold cavity could lead to plastic deformation of the mold cavity walls. Over time, the deformations in the casting operation can reach an intolerable extent and in this way limit the service life of the mold cavity walls in the casting operation.
Another criterion for the suitability of a material as a material for mold cavity walls is the temperature dependence of the physical properties.
Among other things, material parameters, such as yield strength or breaking strength, which characterize the mechanical strength, in the case of metallic materials above a so-called softening temperature, generally show a steep drop with increasing temperature. In this context, the softening temperature of a material is understood to mean the temperature at which the yield strength of the material decreases to half the corresponding value at room temperature.
Already in the initial phase of the development of continuous casting different metals or Alloys are examined for their suitability as a material for mold cavity walls. For example, casting tests were carried out with molds based on copper or copper alloys, alloyed or unalloyed steel, aluminum or molybdenum.
According to comparative studies, copper and copper alloys were considered by experts to be the materials whose material properties represent the best compromise, as measured by the varied demands on the behavior of the mold cavity walls during casting. To this assessment of the professional world, nothing has changed to this day: molds for continuous casting of steel are usually made of copper or a copper alloy.
As a basis for the advantageous behavior of mold cavity walls based on copper or copper alloys is generally the relatively high thermal conductivity of copper or seen a variety of copper alloys, although copper or
Copper alloys compared to many other metals, for example, have a significantly lower heat resistance, a lower softening temperature or a greater coefficient of expansion. Copper or Copper alloys typically have a thermal conductivity in the range of 200-400 W / mK. Mold cavity walls made of a metal with a lower thermal conductivity tend generally in the casting of steel to thermal distortion due to excessive thermally induced stresses and therefore relatively quickly unusable, d. H. the service life of such cavity walls is relatively short, according to experience.
The selection of copper or a copper alloy as the material defines the framework in which other parameters that determine the properties of the mold cavity wall can be varied for optimization purposes.
For example, most copper alloys, and especially copper, have a relatively low hardness. If these metals are selected as the material for mold cavity walls, the dimensional stability of the mold cavity walls can be optimized only to a certain extent. In order to ensure the best possible form stability of a mold cavity wall in the casting operation, for example, the hardness of the material can be increased by means of suitable curing treatments. To optimize the dimensional stability, moreover, the thickness of the cavity wall can be increased accordingly.
The two above-mentioned possibilities for optimizing the dimensional stability is offset by a disadvantage of increasing the production costs. First, an increase in the thickness of the mold cavity wall is obviously associated with overspending on materials.
Curing treatments for copper or copper alloy workpieces, in turn, are known to be costly. For hardening of such workpieces usually a work hardening is carried out by means of a cold forming. Since relatively large forces are to be applied in the case of cold forming, cold-deformation systems generally result in high investment costs, which make up a large part of the production costs for cavity walls. This applies equally to the production of plate-shaped mold cavity walls for plate molds and for the production of mold tubes for tube molds alike. For cold forming of large format plates, for example, correspondingly sized and, due to their size, correspondingly expensive presses or rolling mills are required.
Cold strengthened mold tubes made of copper or a copper alloy are usually produced by forming a blank by the blank in a cold state via a suitably shaped mandrel or pulled through a suitably shaped die and thereby subjected to cold forming. Even with this type of cold forming relatively large forces must be generated with great equipment expense.
Mold cavity walls made of copper or a copper alloy would be subject to high wear in continuous casting due to the mechanical interaction with the strand shell of a moving along the mold walls strand.
In order to counteract this form of wear, it is customary to provide the mold cavity walls with a thin, wear-reducing protective layer, at least at locations which are particularly heavily stressed. For example, in DE 34 150 50 molds are disclosed, the mold cavity walls of a made of copper or a copper alloy coating carrier and a mold cavity side applied to the coating carrier coating based on nickel and / or chromium and optionally other additives with a layer thickness of up to 1. 5 mm are constructed.
Such a coating is harder than the material of the coating carrier and is itself more resistant to wear than the coating carrier would be without such a coating.
While the choice of copper or a copper alloy as the material for a mold cavity wall is favorable in terms of the thermal properties of the mold cavity wall, copper and copper alloys are disadvantageous in terms of a number of parameters that play an essential role in the casting operation and in the construction of a continuous casting plant must be taken into account. Copper alloys and especially copper have a high electrical conductivity.
In a mold cavity wall, however, a high electrical conductivity is disadvantageous with respect to applications in which a molten steel in the mold cavity is to be stirred by means of electromagnetic inductors. The electromagnetic inductors are usually arranged on the side facing away from the mold cavity side of the mold cavity wall, so that a high electrical conductivity of the mold cavity wall leads to a particularly strong attenuation of the electromagnetic field generated by the electromagnetic inductors in the mold cavity electromagnetic field. A high electrical conductivity of the mold cavity walls therefore results in a low efficiency of the inductors with regard to their stirring effect.
Furthermore, copper is highly absorbent on radioactive radiation.
However, it would be desirable if mold cavity walls were as transparent as possible to radioactive radiation. It is customary, during the casting operation, to monitor the height of the bath level of a molten metal in the mold cavity of a mold by means of a measurement of the transmission of radioactive radiation through the mold cavity walls transversely to the casting direction and to control the operation of the continuous casting plant as a function of the instantaneous height of the bath level. In this case, high absorption of the radioactive radiation in the mold cavity walls makes it difficult to measure the height of the bath level. To perform such a measurement with the required sensitivity is therefore correspondingly expensive.
Mold cavity walls made of copper or a copper alloy have a relatively high weight.
The high weight is disadvantageous in all incurred during the casting operation measures that are associated with a movement of the mold cavity walls, for example, when replacing or during installation and removal and during transport of the mold or the mold cavity walls. The weight of the mold cavity walls is also important in the construction of the oscillating apparatus, which is provided by default in continuous casting plants, in order to keep the mold moving in casting operation relative to a strand solidifying in the mold.
With a lower weight of the mold cavity walls could all measures that a movement of the mold or to cause the mold cavity walls to be carried out with simplified means.
Based on the mentioned disadvantages of a mold with mold cavity walls based on copper or a copper alloy, the invention has for its object to provide a mold suitable for the continuous casting of a molten steel whose properties allow a structural simplification of the continuous casting and whose mold cavity walls can be produced more cheaply.
This object is achieved according to the invention by a mold with the features of claim 1. In order to be able to extract heat from a molten steel in the mold cavity during casting, a cooling device is provided for cooling the mold cavity walls.
With the cooling device during casting in the mold cavity walls, a temperature gradient can be realized, which is a quantitative measure of the heat flow in the mold cavity walls. A mold cavity wall of the mold according to the invention comprises a coating carrier having a coating applied to the coating carrier on the mold carrier, wherein aluminum or an aluminum alloy is selected as the material for the coating carrier and the coating is formed from a material having a higher heat resistance than the material of the coating carrier, and designed in such a way
that during casting the temperature in the coating carrier with the help of the cooling device to a value below a relevant for the strength of the coating carrier limit value is preserved.
The coating carrier and the coating are functionally matched to give the mold cavity wall both the desired dimensional stability and the desired thermal properties. Aluminum or Aluminum alloys usually have a thermal conductivity in the range of 130-220 W / mK and thus about 50% lower thermal conductivity than copper. The coating carrier of the mold according to the invention would overheat when casting steel if it had not been suitably coated on the side of the cavity.
Without a coating, a mold cavity wall made of aluminum or aluminum alloy would reach a relatively high temperature exceeding the softening temperature of the material of the mold cavity wall because of the relatively low heat conductivity during casting at least in the areas of the mold cavity side surface in contact with the molten steel. Such a cavity wall cavity would not withstand the thermal stresses in the casting operation, since due to a relatively large temperature gradient large thermal stresses in the mold cavity wall arise. These thermal stresses would exceed a tolerable level as measured by the low hot strength of the material of the mold cavity wall.
As a result, the mold cavity walls would already distort during a single casting and the shape of the mold cavity would change to an intolerable level. The mold cavity walls would have to be replaced or repaired. Furthermore, the risk of formation of cracks would be given. These problems do not occur in the inventive mold. Because of the coating, the coating carrier is not in direct contact with the molten steel during casting and can be kept by means of the cooling device at a temperature at which aluminum or an aluminum alloy has a strength sufficient to ensure the dimensional stability of the coating carrier during the casting operation.
The coating carrier serves as a stable substrate for the coating and thus ensures the dimensional stability of the mold cavity wall. The coating has the function of optimizing the thermal properties of the mold cavity wall. Since the coating is in direct contact with the molten steel during casting, the coating must on the one hand have an adequate heat resistance which ensures the stability of the coating at the temperatures realized during the casting.
Furthermore, the thermal properties of the coating are designed so that the coating carrier is protected from overheating when the mold cavity wall is loaded with the largest possible heat flow, which must be removed during casting through the mold cavity wall.
Since during casting, especially in the vicinity of the bath level of the molten steel extremely high heat flux densities and consequently a correspondingly large temperature gradient are realized in the mold cavity wall, the coating can be made relatively thin compared to the total thickness of the mold cavity wall to the coating carrier from overheating to protect. A coating designed according to the invention allows aluminum or To make aluminum alloys usable as a material for mold cavity walls.
The thermal and mechanical properties of aluminum or Aluminum alloys allow, based on a coating substrate made of aluminum or To provide an aluminum alloy in conjunction with a suitable coating mold cavity walls, which are at least equivalent in terms of stability, thermal resistance and heat dissipation during casting compared to the known mold cavity walls made of copper or a copper alloy and additionally offer the possibility to a number of advantages use that involves the use of aluminum.
Examples of aluminum alloys, which are particularly well suited as materials for the coating carrier of the inventive mold because of their high strength and their thermal properties, are alloys based on aluminum and magnesium,
for example, the alloy Al Mg Si1 known as Anticorodal WN 6082, or alloys based on aluminum and beryllium, for example alloys with 27-28 percent by weight aluminum and 60-70 percent by weight beryllium. The alloys mentioned are examples of materials with a thermal conductivity in the range of 150-220 W / mK. Although they have a lower thermal conductivity than copper, but they are - at least at room temperature - much harder than copper.
A coating carrier made of these materials can therefore - compared with a coating carrier made of copper - have a relatively small wall thickness and still provide the required stability and - despite the lower thermal conductivity - during casting a heat flux density corresponding to the requirements.
The mold cavity walls of the mold according to the invention provide the prerequisite for a comparatively cost-effective production, compared with corresponding mold cavity walls made of copper or a copper alloy. Significant savings result from significantly lower material costs in the case of aluminum compared to copper. A further cost advantage is afforded by the aluminum alloys, which - for example AI Mg Si1 - assume high strength even without costly work hardening.
In the latter case, workpieces can be precisely shaped even under warm conditions under simplified conditions, especially as can be dispensed with a cold deformation for the purpose of curing the material.
In one embodiment of the inventive mold, the coating is designed such that the coating carrier during casting by means of the cooling device at a temperature below 300 deg. C is durable. Under these conditions aluminum or Aluminum alloys have a sufficiently high hardness, in order to provide the prerequisite for the coating carrier is dimensionally stable during casting and that the service life of the mold cavity walls in the casting operation is not determined by the operating behavior of the coating carrier.
Furthermore, the conditions are met that the service life of the mold cavity walls is limited exclusively by the wear of the coating. This means that the coating carrier has a higher stability than the coating.
The mechanical strength of the coating carrier generally decreases with increasing temperature and can fall below a critical for the dimensional stability of the coating carrier at temperatures above the softening temperature of the material of the coating carrier.
Since, in the mold according to the invention, a temperature gradient is realized in the mold cavity walls and the strength of the mold cavity wall varies along the temperature gradient, it is not necessary for the temperature at each point inside the coating substrate to be lower than the softening temperature of its material in the casting operation to ensure the dimensional stability of the coating carrier. The coating can be designed accordingly with regard to its thermal properties. In order to implement this consideration, it is provided in a further embodiment of the mold according to the invention that the temperature gradient can be realized in such a way that more than 50% by volume of the coating carrier is below the softening temperature of the material of the coating carrier during casting.
At the interface between coating and coating carrier, therefore, the temperature may exceed the softening temperature of the material of the coating carrier. The dimensional stability of the mold cavity walls is nevertheless guaranteed.
A further embodiment of the inventive mold has a coating which is formed at least in a region around a desired level of the molten metal from a material having a higher thermal conductivity than the coating carrier. The higher the thermal conductivity of the coating, the thicker the coating must be in order to keep the temperature in the coating carrier below a predetermined limit during casting.
On the other hand, a coating with a low thermal conductivity must be chosen to be relatively thin in order to be able to realize a sufficiently high heat flux density in the mold cavity wall during casting. From a manufacturing point of view, a large value for the thickness of the coating is advantageous in that the accuracy with which the thickness of the coating must be controlled over the entire surface of the mold cavity wall decreases with increasing thickness. This aspect is of particular relevance if the surface of the coating has to be processed after the application of the coating to the coating carrier.
Large manufacturing tolerances are particularly advantageous in connection with tubular coating bodies, which are provided on the inside with a coating to delimit a mold cavity. If the coating still needs to be processed to bring the mold cavity to a predetermined mold cavity size, then great manufacturing tolerances of interest, especially since the internal machining of pipes is associated with complications.
This is especially true for long tubes with a small cross-section, for example for mold tubes for continuous casting strands with billet format.
As a material for a coating having a higher thermal conductivity than the coating carrier, in particular copper or a copper alloy is suitable.
Another variant for a suitable coating is the coating with a material which has a melting temperature which is greater than the temperature of the molten steel. Such a coating improves the reliability of the mold in the event that the cooling device is impaired in their function. Materials suitable for coating with melting temperatures above 1450 deg.
C are, for example, metals such as molybdenum, tungsten, nickel or alloys based on these metals and ceramic materials.
By suitable choice of material, the coating of the mold cavity walls of the inventive mold can be designed so that during the casting operation, the interaction with the strand leads to the lowest possible wear. This goal can be achieved through various measures. For example, at least in an environment around the exit opening for the strand in the region which is most stressed by the movement of the strand, the coating can be made of a material which is resistant to wear due to interaction with the strand. As materials with high wear resistance, nickel and chromium, in particular hard chrome, are known.
Nickel and chromium can also be combined to form the coating. In addition, lubricants for lubricating the crust of a strand may be incorporated to reduce wear in the coating. Suitable lubricants include, for example, molybdenum and / or tungsten based solids, preferably MoS2 and / or WS2.
The wall thickness of the coating carrier can be 2-10 mm. In order to ensure that the coating carrier does not overheat in the casting operation and shows a high degree of strength and dimensional stability even under extreme conditions, the coating is in the form of a thick layer with a thickness of 0. 5-5 mm, preferably 1-4 mm, executed.
Such a coating can be prepared by electroplating or by plating or by thermal spraying, for example flame spraying or plasma spraying, and optionally provided by machining with a surface corresponding to the desired shape of the mold cavity with the required accuracy.
For cooling, the mold cavity walls on the side facing away from the mold cavity with a coolant, such as cooling water, can be applied. To increase the surface, which flows around the coolant, the coating carrier can be provided on the side facing away from the mold cavity with cooling fins. To optimize cooling, a distance between the cooling fins of, for example, 5-8 mm can be selected. The wall thickness may be 2-10 mm in such constructions between the cooling fins.
A coating carrier with such a thin wall thickness ensures, for example, in combination with a copper coating of 3 mm, the realization of heat flows in the usual order of casting steel, without the coating carrier is heated beyond a critical for the dimensional stability of the coating carrier addition.
With a suitable selection of the materials for the coating carrier and the coating, it is possible to renew the coating at least once or several times when the mold cavity-side surface was worn. By repeated use of a coating body manufacturing costs can be saved.
Another embodiment of the mold according to the invention comprises mold cavity walls in the form of a mold tube.
In this case, it is conceivable that the coating carrier is produced from a pressable aluminum alloy with corresponding cooling ribs in a pressing operation. It is also possible to assemble the coating carrier from several parts and then to coat inside.
Coating carriers for molds with a polygonal mold cavity cross section may, for example, be composed of a plurality of planar or curved plates which each form one of the side walls of the mold which delimit the mold cavity.
The choice of aluminum or an aluminum alloy as a material for the coating carrier gives the inventive mold with optimal choice of the wall thickness of the coating carrier a number of properties that can be used with regard to the casting operation and the construction of casting plants with advantage. The inventive mold brings advantages in terms of the use of an electromagnetic stirrer on the side facing away from the mold cavity of the coating carrier.
With optimum selection of the material for the coating carrier, an increased stirring power can be achieved compared to molds having mold cavity walls made of copper or a copper alloy with an identical stirrer or a less powerful stirrer can be used to achieve the same stirring effect. Compared with copper or copper alloys, because of their lower electrical conductivity, aluminum or aluminum alloys result in much less attenuation of the electromagnetic fields generated by the stirrer in the mold cavity. Because of the use of aluminum or an aluminum alloy for the coating carrier is the inventive mold relatively easily compared to a corresponding mold of copper or a copper alloy.
Because of the lower weight, in casting operation, all measures associated with transporting the mold can be carried out with simplified means. This advantage comes, for example, to bear in the Kokillenoszillation necessary in the casting operation and the handling of the mold during replacement and during installation and removal.
Furthermore, aluminum acts to a lesser extent than copper absorbing radioactive radiation. The inventive mold therefore has an increased transparency for radioactive radiation in comparison to a comparable mold made of copper or a copper alloy.
This property of the mold according to the invention is advantageously usable with regard to the measurement of the level of the bath level of a melt introduced into the mold cavity of the mold on the basis of a measurement of the transmission of radioactive radiation through the mold cavity walls and the mold cavity of the mold and transversely to the casting direction. The mold according to the invention makes it possible to carry out such transmission measurements with increased sensitivity and optionally to work with weaker radioactive radiation sources and / or a simpler measuring technique.
In the following the invention will be explained with reference to individual examples with the aid of figures.
Show it:
FIG. 1: a vertical section through a mold according to the invention;
FIG. FIG. 2: a horizontal section along the line I-I through the mold according to FIG. 1;
FIG. 3 shows a vertical section through a further example of a mold according to the invention;
FIG. FIG. 4 shows the course of the temperature in a mold cavity wall as a function of the distance from the side of the mold cavity wall facing away from the mold cavity for different mold cavity walls with different material composition. FIG.
In FIG. Figures 1 and 2 schematically show a billet or billet mold 3 with a mold cavity 4 for continuous casting of steel. The mold cavity wall 4 ¾ of the mold 3 is intensively cooled with a cooling medium, preferably cooling water. Arrows 5 show the direction of the cooling water flow.
The structure of the mold is as follows: A tubular coating carrier 6 made of aluminum or an aluminum alloy carries on the mold cavity side a highly heat-conductive renewable coating 7 made of copper or a copper alloy with a thermal conductivity of 200-400 W / mK. This coating 7 can be applied galvanically to the coating carrier 6. But it can also be applied by thermal spraying, such as flame or plasma spraying, or by plating. After application of the coating 7 in a thickness of 0. 5-5 mm, preferably 2-4 mm, is made by machining the mold cavity 4 to the desired mold cavity dimension and the desired cavity surface finish.
For the processing of the mold cavity surface all known in the prior art methods are applicable, in particular are suitable machining operations such as milling, grinding, EDM or machining with laser beams. With 10, 10 ¾ are a lower or an upper Kokillenabschlussdeckel shown.
The choice of material of the coating carrier 6 is aligned with first priority to good dimensional stability at elevated temperature. The coating carrier 6 could be composed of several parts without disadvantages, because the coating in the mold cavity seamlessly covers the seams between the individual parts.
The coating carrier may, for example, be composed of several parts, which are held together by means of welding, by means of suitable fastening means such as screws or rivets or in some other way.
The coating carrier 6 is provided in this example on the side facing away from the mold cavity 4 with cooling fins 11. In order to obtain a correspondingly large cooling surface, the distances between the cooling fins 11 are in the range of 5-8 mm. The wall thickness 12 of the coating carrier 6 between the cooling fins 11 can assume values in the range 2-10 mm.
In FIG. 3, a mold 20 is provided with a stirring device 21. The mold cavity walls 22 ¾ define a mold cavity 22 with a square cross section.
It is possible to optimize the material for the coating carrier 23 and for the jacket 24 with regard to the requirements for the operation of the electromagnetic stirring device 21. For example, by a suitable specification for the electrical conductivity of the coating carrier 23, the strength of the electromagnetic field generated by the stirring device 21 in the mold cavity 22 can be maximized.
The use of aluminum or An aluminum alloy brings in this context advantages because of the relatively low electrical conductivity of these materials.
In the bathroom mirror area 25 and in the upper Kokillenhälfte is a coating 26 made of a highly thermally conductive material and in the lower part or The lower mold cavity half is a coating 28 made of a copper to harder material, such as nickel, applied.
In the coatings 26 and 28 are lubricants (indicated by dots) stored for lubrication of a strand crust. Molybdenum- and / or tungsten-based lubricants, preferably MoS 2 and / or WS 2, can be incorporated into various coating materials when the coating is introduced, for example by flame spraying.
Other lubricants known in the art which can be incorporated into coatings are also included within the scope of the invention.
In the examples of FIG. 1-3 only straight molds are shown. However, the invention is not limited to such molds with a straight mold cavity. The invention is not limited to molds with mold cavity walls in the form of a mold tube. The mold cavity walls of Plattenkokillen can be constructed according to the invention.
The geometry of the mold cavity can be chosen arbitrarily.
For certain steel alloys, in particular peritectic steels, it may be advantageous if an intermediate layer 29 made of a material having a lower thermal conductivity than copper, for example nickel, is applied in the region of the bath level 25 between the highly heat-conductive coating 26 and the coating carrier 23.
It is possible, when applying the coating at selected locations measuring probes, such as temperature sensors to embed in the coating. Before inserting the coating, the measuring probes to be embedded can be arranged with great accuracy at or near the surface of the coating carrier to be coated, and coated with the material forming the coating when the coating is applied.
In this way, the measuring probes can be arranged inside the coating, without being dependent on producing holes after the application of the coating, which ends in the coating and are suitable for receiving the measuring probes. Known, the positioning of probes in holes can be controlled only relatively inaccurate. Such inaccuracies, which are a cause of inaccuracies in measurements by means of the probes, are avoided if the probes are embedded in the coating during the production of the coating, as described above.
Aluminum is a relatively base metal. Aluminum or aluminum alloy parts therefore tend to corrode in an electrolyte mediated connection to other metals.
The corrosion resistance of the coating carrier of the mold according to the invention can be achieved by known means, for example by applying suitable protective layers at exposed points. As protection against corrosion, for example, one or more layers of nickel, copper or nickel-phosphorus can serve.
FIG. 4 explains how the mold cavity wall of the mold according to FIG. 1 can be dimensioned. As an example, it is assumed that the mold is to be suitable for casting high-carbon steels. High carbon steels are to be regarded as an extreme case insofar as particularly high heat flows are realized in the mold cavity walls during the casting of these steel grades and the heat load of the mold cavity walls is consequently extremely high.
The Fig. 4 shows, for two different mold cavity walls, the respective course of the temperature T in the mold cavity wall as a function of the distance X from the side of the mold cavity wall facing away from the mold cavity, which is supplied with cooling water. The curve (a) in FIG. 4 refers to a mold cavity wall of the alloy Al Mg Si1 known under the name Anticorodal WN 6082, wherein no coating is provided on the cavity side, while the curve (b) relates to a mold cavity wall consisting of a coating carrier made of Al Mg Si1 with the thickness ds and a mold cavity side coating made of copper with the thickness dc. It is assumed that the mold cavity walls are respectively in contact with a molten steel mold cavity side, which has a temperature of 1530 deg. C has. As the temperature of the cooling water is 30 deg. C provided.
In the case of curve (b), the thickness of the coating is dc = 3 mm. The thickness of the mold cavity wall in the case of the curve (a) and the thickness of the coating carrier in the case of the curve (b) are respectively selected so that the heat flux density in the mold cavity walls each has a value of 6 × 10 <6> W / m <2>, i. a value typical of high carbon steels.
In the case of curves (a) and (b), heat transitions between the molten steel and the mold cavity wall on the one hand and the mold cavity wall and the cooling water on the other hand were characterized by equal heat transfer coefficients: a representative value for the heat transfer coefficient, which is the heat transfer at the mold cavity side surface of the mold cavity wall describes, alpha s = 5000 W / m <2> K and as a representative value for the heat transfer coefficient characterizing the heat transfer between the cavity wall and the cooling water is alpha w = 60,000 W / m <2> K attached. Under the conditions mentioned, the mold cavity walls according to the curves (a) and (b) have the same temperature on the mold cavity side and on the surface facing away from the mold cavity, although the mold cavity walls have different thicknesses in the two cases.
The curves (a) and (b) have according to FIG. 4 in the region X. <ds an identical course, since the mold cavity walls in both cases in the range 0 <= ds have the same material composition and the heat flow in the mold cavity walls in each case assumes the same value. In the range X> ds, the curve (b) as a function of the distance X has a flatter course than the curve (a). This deviation of curve (b) from curve (a) is a consequence of the fact that the cavity wall according to curve (b) is in the range X> ds, i. within the coating, has a greater thermal conductivity than the material of the coating carrier, i. Al Mg Si1.
The mold cavity wall made of Al Mg Si1, which is associated with the curve (a) in Fig. 4, has at the mold cavity side surface under the specified conditions, a temperature of about 330 °. C.
This temperature is well above the softening temperature of the material of the cavity wall, which is about 200 deg. C is. At temperatures above 300 deg. C, the mechanical strength of the material is already reduced to less than 10% of the corresponding value at room temperature. With a temperature profile according to curve (a), more than 50% of the volume of the cavity wall is already at a temperature above the softening temperature of the material of the cavity wall.
Under these conditions, the mold cavity wall is in a critical condition in which the cavity wall is excessively susceptible to wear, with the result that the service life of the cavity wall is unacceptably short.
The mold cavity wall associated with the curve (b) in Fig. 4 has, as a result of the invention, a structure which allows a higher thermal load and a longer service life in the casting operation compared to the mold cavity wall according to the curve (a) in Fig. 4. The material of the coating - copper in this example - according to the invention has a higher heat resistance than the material of the coating carrier and ensures that the mold cavity wall has the required mechanical stability at the surface adjacent to the molten steel.
Furthermore, the coating ensures that the maximum temperature which can be assumed by the material of the coating carrier is lower than the temperature at the surface of the mold cavity wall adjacent to the molten steel. By suitably selecting the thickness dc of the coating, the temperature in the coating carrier can be lowered in such a way that the coating carrier ensures adequate dimensional stability. Since in the chosen example Al Mg Si1 has a higher mechanical strength at room temperature than copper, it is to be expected that a mold cavity wall according to FIG. 4 has a mechanical stability which at least corresponds to the stability of a mold cavity wall made exclusively of copper.
In the case of the mold cavity wall according to curve (b) in FIG. 4, more than 50% of the volume fractions of the coating carrier are at a temperature below the softening temperature of the material of the coating carrier.