DE102006001812A1

DE102006001812A1 - Mold for continuous casting of metal

Info

Publication number: DE102006001812A1
Application number: DE102006001812A
Authority: DE
Inventors: Hans-Günter Dr. Wobker; Gerhard HUGENSCHÜTT; Raimund Boldt; Dietmar Kolbeck; Frank Maiwald; Daniel Reinelt; Hans-Dirk Piwowar; Dirk Dr. Rode
Original assignee: KM Europa Metal AG
Current assignee: KME Special Products GmbH and Co KG
Priority date: 2005-12-05
Filing date: 2006-01-12
Publication date: 2007-06-06
Also published as: JP5046626B2; DE502006005774D1; US20070125512A1; RU2415731C2; CN1978091B; ES2337281T3; EP1792676A1; EP1792676B1; RU2006142826A; CN1978091A; ATE453472T1; CA2570085A1; KR20070058968A; BRPI0605174A; JP2007152432A; CA2570085C

Abstract

The die has cooling grooves (2, 2c) over at least part of the outside surface and the depth and/or width of the grooves is greatest in the centre of a side wall of the die and decreases towards the corner areas of the side wall. There are preferably no cooling grooves in the area of 10 to 15 mm from the radius of the corner areas. The width/depth ratio for the cooling grooves is between 1 and 4.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kokille zum Stranggießen von Metall mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.The The invention relates to a mold for the continuous casting of metal with the features of the preamble of claim 1.

Rohrförmige Kokillen aus Kupfer oder Kupferlegierungen zum Gießen von Profilen aus Stahl oder anderen Metallen mit hohem Schmelzpunkt sind vielfach im Stand der Technik beschrieben worden. Kokillenrohre besitzen üblicherweise in einer horizontalen Querschnittsebene eine gleichmäßige Wanddicke, die in Strangrichtung aufgrund der Innenkonizität des Kokillenrohrs zunimmt. Die Innenkonizität ist an das Erstarrungsverhalten des Stranges und die Stranggussparameter angepasst. Kurz nach der einsetzenden Erstarrung des Stranggussmaterials, also unmittelbar unterhalb des Gießspiegels, kommt es aufgrund des über den Querschnitt dreidimensional ausgeprägten Wärmeabflusses zu einem stark unterschiedlich ausgeprägten Abkühlungsverhalten des Gießstrangs. Weil in den Ecken des Kokillenrohrs aufgrund der geometrischen Verhältnisse besonders große Wärmemengen abgeführt werden, zeigt sich dort ein besonders starkes Strangschalenwachstum und damit eine besonders starke Schrumpfung. An den Seitenwänden der Kokillenrohre ist die Wärmeabfuhr in der Regel geringer, obschon hier gleichzeitig ein höherer Wärmestrom aufgeprägt wird. Die Folge der lokal unterschiedlichen Abkühlung ist ein ungleichmäßiges Strangschalenwachstum, was zu Materialspannungen und Rissen in der Strangschale führen kann und damit das Risiko eines Strangdurchbruches erhöht.Tubular molds of copper or copper alloys for casting steel or steel profiles Other metals with high melting point are often in the state of Technique has been described. Mold tubes usually have a uniform wall thickness in a horizontal cross-sectional plane, which increases in strand direction due to the internal conicity of the mold tube. The inner conicity is due to the solidification behavior of the strand and the continuous casting parameters customized. Shortly after the onset of solidification of the continuous casting material, So just below the Gießspiegel, it comes on of the over the cross section three-dimensional pronounced heat flow to a strong different pronounced cooling behavior of the cast strand. Because in the corners of the Kokillenrohrs due to the geometric conditions especially size amounts of heat dissipated become, shows there a particularly strong strand shell growth and thus a particularly strong shrinkage. On the side walls of the Mold tubes is the heat dissipation usually lower, although at the same time a higher heat flow imprinted becomes. The consequence of the locally different cooling is an uneven strand shell growth, which can lead to material tensions and cracks in the strand shell and thus increases the risk of a strand breakthrough.

Es wurden bereits eine Reihe von Vorschlägen gemacht, um eine möglichst homogene Wärmeabfuhr zu erreichen und damit auch die Voraussetzung für eine höhere Gießleistung zu schaffen. Beispielsweise ist aus der DE 36 21 073 A1 eine Kokille bekannt, bei welcher nur die bogenförmigen Seitenflächen, nicht hingegen die Eckbereiche mit Kühlnuten versehen werden. Die Kühlung sollte vor allem im Bereich des Gießspiegels erhöht werden, wie es auch in der DE 34 11 359 A1 beschrieben wird. Mit der Verbesserung der Kühlleistung und der Erhöhung der Gießgeschwindigkeit befasst sich auch die EP 1 468 760 B1 , die vorschlägt, dass die Kühlkanäle 65 % bis 95 % der äußeren Oberfläche des Kupferrohrs beanspruchen, wobei das Kupferrohr gleichzeitig über den gesamten Umfang und im Wesentlichen über die gesamte Länge mit einem Stützmantel versehen ist. Bei senkrecht oszillierenden Stranggießkokillen schlägt die DE 195 81 547 C2 vor, die Innenfläche mit Aussparungen oder Einsenkungen zu versehen, die in einem Abstand von 15 mm bis 200 mm unterhalb eines in einem stabilen Betriebszustand erfassten Gießspiegels angeordnet sind. Dadurch soll ebenfalls ein stabiles Gießen bei hoher Geschwindigkeit ermöglicht werden. Alle diese Ansätze tragen der realen Wärmestromverteilung nicht hinreichend Rechnung.A number of proposals have already been made in order to achieve as homogeneous a heat dissipation as possible and thus to create the conditions for a higher casting performance. For example, is from the DE 36 21 073 A1 a mold known in which only the arcuate side surfaces, but not the corner areas are provided with cooling grooves. The cooling should be increased, especially in the area of the casting mirror, as it is also in the DE 34 11 359 A1 is described. With the improvement of the cooling performance and the increase of the casting speed also the EP 1 468 760 B1 , which proposes that the cooling ducts occupy 65% to 95% of the outer surface of the copper pipe, the copper pipe being at the same time provided with a supporting jacket over the entire circumference and over substantially the entire length. In the case of vertically oscillating continuous casting molds, the DE 195 81 547 C2 to provide the inner surface with recesses or depressions, which are arranged at a distance of 15 mm to 200 mm below a recorded in a stable operating condition Gießspiegel. This should also enable a stable casting at high speed. All these approaches do not adequately reflect the real heat flow distribution.

Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, eine Kokille bereitzustellen, mit welcher die Homogenität der Strangabkühlung noch weiter gesteigert ist, um im Ergebnis höhere Gießleistungen und eine bessere Strangqualität zu realisieren und welche zudem dazu beiträgt, Spannungen innerhalb der Kokillenwandung zu reduzieren.Of the Invention is based on the prior art, the task, to provide a mold with which the homogeneity of strand cooling yet is further increased to result in higher casting performance and better strand quality and which also contributes to tensions within the Reduce mold wall.

Diese Aufgabe ist bei einer Kokille mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.These Task is in a mold with the features of the claim 1 solved.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.advantageous Embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Wesentlich bei der erfindungsgemäßen Kokille ist, dass die Kühlwirkung der Kokille so optimiert ist, dass sie dem Wärmeangebot des Stranges entspricht, um dadurch zu einer gleichmäßigen Abkühlung zu kommen. Dieses wird dadurch erreicht, dass die Tiefe und/oder Breite der Kühlnuten in der Mitte einer Seitenwand der Kokille am größten ist und in Richtung der Eckbereiche der Seitenwand abnimmt. Entscheidend ist, dass die Querschnittsfläche der Kühlnuten im mittleren Bereich einer Seitenwand größer ist als im Randbereich einer Seitenwand. Es hat sich gezeigt, dass durch das Einbringen der Kühlnuten in der erfindungsgemäßen Art und Weise die in der Seitenwand auftretenden maximalen Vergleichsspannungen deutlich reduziert werden können. Ideal elastische Festigkeitsberechnungen haben bestätigt, dass die Vergleichsspannung um mehr als 30 % von 504 MPa auf 348 MPa reduziert werden kann. Diese Angabe bezieht sich auf einen Kokillenquerschnitt von 130 × 130 mm, wobei ein Kokillenrohr ohne Nuten einem Kokillenrohr mit den erfindungsgemäß ausgestalteten Nuten gegenübergestellt worden ist. Die auf diese Art erreichte Reduzierung der Spannungen im Kokillenrohr wirkt sich vorteilhaft auf die Standzeit aus und reduziert den thermisch bedingten Verzug des Kokillenrohres. Das erfindungsgemäße Kokillenrohr weist bei dieser Berechnung an jeder Seitenwand acht Nuten im Abstand von 5 mm mit einer sich in Gießrichtung erstreckenden Länge von 200 mm auf. Die mittleren Nuten besitzen eine Tiefe von 5 mm, wohingegen die äußeren Nuten eine Tiefe von 4 mm besitzen bei einer Breite von 12 mm bzw. 8 mm. In den Eckbereichen der Seitenwand sind keine Nuten angeordnet.Essential in the mold according to the invention is that the cooling effect the mold is optimized to match the heat supply of the strand, thereby to a uniform cooling come. This is achieved by the depth and / or width the cooling grooves in the middle of a side wall of the mold is largest and towards the Corner areas of the side wall decreases. It is crucial that the cross-sectional area of the cooling grooves in the middle region of a side wall is greater than in the edge region a side wall. It has been shown that by introducing the cooling grooves in the inventive way and the maximum occurring in the sidewall comparison voltages can be significantly reduced. Ideal elastic strength calculations have confirmed that the comparison voltage by more than 30% from 504 MPa to 348 MPa can be reduced. This information refers to a mold cross section of 130 × 130 mm, wherein a mold tube without grooves a mold tube with the designed according to the invention Faced with grooves has been. The reduction in tension achieved in this way in the mold tube has an advantageous effect on the service life and reduces the thermally induced distortion of the mold tube. The inventive mold tube In this calculation, eight grooves are spaced apart on each side wall of 5 mm with one in the casting direction extending length of 200 mm. The middle grooves have a depth of 5 mm, whereas the outer grooves have a depth of 4 mm with a width of 12 mm or 8 mm. There are no grooves in the corner areas of the side wall.

Entscheidend für die konkrete Ausführung der Kühlnuten hinsichtlich ihrer Tiefe und Breite ist, dass die Kühlgeometrie dem von innen aufgeprägten Wärmestrom so gut wie möglich entspricht und dadurch ein weitgehend homogenes Temperaturfeld erreicht werden kann, was bislang nur unbefriedigend gelang. Wichtig ist, dass die Kühlnuten in der Mitte der Seitenwand, wo das Wärmeangebot am höchsten ist, tiefer und/oder breiter ausgeführt sind, also eine größere Querschnittsfläche besitzen, als in den eckenradiusnahen Bereichen.Decisive for the concrete design of the cooling grooves in terms of their depth and width is that the cooling geometry corresponds to the heat flow impressed from the inside as well as possible and thus a largely homogeneous temperature field can be achieved, which has so far only unsuccessfully succeeded. It is important that the cooling grooves in the middle the side wall, where the heat supply is highest, deeper and / or wider, so have a larger cross-sectional area, as in the corner radius near areas.

Vorzugsweise sind in einem Abstand von 10 mm bis 15 mm vom Radiuseckenbereich keine Kühlnuten in der Seitenwand vorgesehen, um die Kühlung hier nicht zu erhöhen und die Steifigkeit der Kokille nicht unnötig zu schwächen. Die besten Ergebnisse können erreicht werden, wenn die Kühlnuten eine Tiefe von 3 mm – 6 mm aufweisen. Dabei soll eine Restwanddicke von 6 mm zwischen dem Kühlnutentiefsten und der Kokillenrohrinnenseite nicht unterschritten werden.Preferably are at a distance of 10 mm to 15 mm from the radius corner area no cooling grooves provided in the side wall, in order not to increase the cooling here and not unnecessarily weaken the stiffness of the mold. The best results can be achieved when the cooling grooves a Depth of 3 mm - 6 mm have. It should have a residual wall thickness of 6 mm between the Kühlnutentiefsten and the Kokillenrohrinnenseite not be fallen below.

Die Breite der Kühlnuten ist vorzugsweise zwischen 5 mm – 20 mm zu wählen.The Width of the cooling grooves is preferably between 5 mm - 20 mm.

Um die Anzahl der Kühlnuten an unterschiedliche Formate/Abmessungen der Kokillenrohre anzupassen, hat sich für die aufgeführten Nutenabmessungen eine Anzahl von 4 – 10 Kühlnuten pro 100 mm Seitenfläche des Kokillenrohres als günstig erwiesen.Around the number of cooling grooves to adapt to different formats / dimensions of mold tubes, has for the listed Nutenabmessungen a number of 4 - 10 cooling grooves per 100 mm side surface of the Kokillenrohres proved favorable.

Als strömungstechnisch besonders günstig werden sich Breiten-/Tiefenverhältnisse der Kühlnuten zwischen 1 und 4 angesehen. Davon abweichende Verhältnisse haben ungünstige Einflüsse auf die Strömungsverhältnisse und damit auf die Kühlleistung sowie die Steifigkeit des Kokillenrohrs im Badspiegelbereich. Die Kühlnuten werden im Nutengrund vorzugsweise mit einem kleinen Übergangsradius zu den Nutwänden versehen, um dort Spannungsspitzen zu vermeiden.When aerodynamically be particularly favorable width / depth ratios the cooling grooves viewed between 1 and 4. Deviating conditions have unfavorable influences on the flow conditions and thus on the cooling performance and the stiffness of the mold tube in the bathroom mirror area. The cooling grooves are in the groove bottom preferably with a small transition radius to the groove walls provided in order to avoid voltage peaks.

Die Kühlnuten weisen idealerweise im Ein- und Auslaufbereich einen Radius auf, der zur Strömungsoptimierung des Kühlwassers und zur Reduzierung von Druckverlusten beiträgt.The cooling grooves ideally have a radius in the entry and exit areas, the one for flow optimization of cooling water and contributes to the reduction of pressure losses.

Bei einer als günstig erachteten Anordnung der Kühlnuten beträgt ihr gegenseitiger, von der Nutmitte gemessener Abstand zwischen 10 mm und 25 mm. Ein Verhältnis von Nutmittenabstand zur Breite einer Kühlnut zwischen 1,2 bis 3 liefert überraschend gute Ergebnisse.at one as cheap considered arrangement of the cooling grooves is their mutual, measured by the Nutmitte distance between 10 mm and 25 mm. A relationship from Nutmittenabstand to the width of a cooling groove between 1.2 to 3 provides surprisingly good Results.

Grundsätzlich wird angestrebt, dass die Breite der Kühlnuten zur Mitte der Seitenwand hin größer wird und zudem auch die Tiefe zur Mitte hin zunimmt. Die unterschiedliche Kühlnutengeometrie kann entweder durch spanende Bearbeitung der Kokille oder auch durch spanlose Bearbeitung beim Umformen der Kokille hergestellt werden.Basically sought that the width of the cooling grooves to the middle of the side wall gets bigger and also the depth increases towards the middle. The different ones Kühlnutengeometrie can either by machining the mold or by non-cutting machining during forming of the mold are produced.

Es ist günstig, wenn die Kühlnuten in einem Bereich angeordnet sind, der etwa 50 mm oberhalb der Gießspiegelsolllage beginnt und sich bis etwa 300 mm unter die Gießspiegelsolllage erstreckt, da in diesem Bereich die größten Wärmestromdichten auftreten und damit auch die Spannungen in der Seitenwand der Kokille maximal sind. In Gießrichtung tiefer liegende Bereiche, das heißt Bereiche in einem Abstand größer als 300 mm unterhalb der Gießspiegelsolllage müssen zwar ebenfalls gekühlt werden, allerdings ist aufgrund der bereits ausgebildeten Strangschale die Temperaturinhomogenität nicht so groß, als dass die erfindungsgemäß ausgestalteten Nuten zwingend in diesen unteren Bereichen erforderlich sind. Hervorragende Ergebnisse werden bereits dann erzielt, wenn die erfindungsgemäß ausgestalteten Nuten etwa 50 mm oberhalb der Gießspiegelsolllage beginnen und sich bis 300 mm unterhalb der Gießspiegelsolllage erstrecken.It is cheap, if the cooling grooves are arranged in an area about 50 mm above the Gießspiegelsolllage begins and extends to about 300 mm below the Gießspiegelsolllage because in this area the largest heat flux densities occur and thus also the stresses in the side wall of the mold are maximum. In casting direction deeper areas, ie areas at a distance greater than 300 mm below the target level have to Although also cooled are, however, due to the already formed strand shell the temperature inhomogeneity not so great, as that the inventively designed grooves mandatory in these lower areas are required. excellent Results are already achieved when the inventively designed Start grooves about 50 mm above the target level and extending to 300 mm below the Gießspiegelsolllage.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die 1a und 1b zeigen einmal in perspektivischer Darstellung und einmal in einer Vergrößerung der perspektivischen Darstellung ein Kokillenrohr 1, das in nicht näher dargestellter Weise in einem Wasserkasten positioniert ist. Das Besondere bei diesem Kokillenrohr 1 sind speziell konfigurierte Kühlnuten 2, die an der Außenfläche 3 des Kokillenrohrs 1 ausgebildet sind. Die Kühlnuten 2 erstrecken sich nicht über die gesamte Länge des Kokillenrohrs 1, sondern befinden sich ausschließlich im oberen, eingießseitigen Bereich des Kokillenrohrs 1. In diesem Ausführungsbeispiel besitzen die Kühlnuten 2 eine Länge von 200 mm. Die Kühlnuten 2 befinden sich im Bereich der Gießspiegelsolllage, wobei diese im oberen Viertel der dargestellten Kühlnuten 2 liegt. Das Besondere bei den Kühlnuten 2 dieses Kokillenrohrs ist, dass sie nicht alle gleich breit und tief sind, sondern sich sowohl in der Breite als auch in der Tiefe unterscheiden. In diesem Ausführungsbeispiel sind die äußeren, den Eckbereichen 4 zugewandten Kühlnuten 2a und 2b schmaler als die im mittleren Bereich der jeweiligen Seitenwand liegenden Kühlnuten 2c. Während die mittleren Kühlnuten 2c beispielsweise eine Breite von 12 mm haben, können die vier äußeren Kühlnuten 2a und 2b beispielsweise eine Breite von 8 mm haben. Alle Kühlnuten 2a, 2b, 2c besitzen die gleiche Länge. Es variiert jedoch nicht nur die Breite der Kühlnuten 2a, 2b, 2c, sondern auch deren Tiefe. Das ist daran zu erkennen, dass die Kühlnuten 2a, 2b, 2c im Ein- und Auslaufbereich, d.h. jeweils endseitig einen Radius 5 aufweisen. Der Übergang des Radius 5 zum Tiefsten der einzelnen Kühlnuten 2a, 2b, 2c ist durch eine horizontale Linie zu erkennen. Bei den mittleren Kühlnuten 2c ist die Tiefe erkennbar am größten. Die Tiefe der außenseitig benachbarten Kühlnuten 2b ist etwas kleiner. Die Tiefe ist bei den außenseitigen, den Eckbereichen 4 zugewandten Kühlnuten 2c am kleinsten.The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment shown in the drawings. The 1a and 1b show once in perspective and once in an enlargement of the perspective view of a mold tube 1 , which is positioned in a manner not shown in a water tank. The special feature of this mold tube 1 are specially configured cooling grooves 2 on the outside surface 3 of the mold tube 1 are formed. The cooling grooves 2 do not extend over the entire length of the mold tube 1 but are located exclusively in the upper, inflow-side region of the mold tube 1 , In this embodiment, the cooling grooves have 2 a length of 200 mm. The cooling grooves 2 are in the range of Gießspiegelsolllage, these in the upper quarter of the cooling grooves shown 2 lies. The special feature of the cooling grooves 2 This mold tube is that they are not all the same width and depth, but differ both in width and in depth. In this embodiment, the outer, the corner areas 4 facing cooling grooves 2a and 2 B narrower than the lying in the central region of the respective side wall cooling grooves 2c , While the middle cooling grooves 2c For example, have a width of 12 mm, the four outer cooling grooves 2a and 2 B for example, have a width of 8 mm. All cooling grooves 2a . 2 B . 2c have the same length. However, not only does the width of the cooling grooves vary 2a . 2 B . 2c but also their depth. This can be recognized by the fact that the cooling grooves 2a . 2 B . 2c in the inlet and outlet area, ie each end a radius 5 exhibit. The transition of the radius 5 to the lowest of the individual cooling grooves 2a . 2 B . 2c can be recognized by a horizontal line. At the middle cooling grooves 2c the depth is recognizable the largest. The depth of the outside adjacent cooling grooves 2 B is a little smaller. The depth is at the outside, the corner areas 4 facing cooling grooves 2c the smallest.

Die Eckbereiche 4 sind nicht mit Kühlnuten versehen. Das Kokillenrohr wird mit einem nicht näher dargestellten Wasserleitblech im Wasserkasten befestigt, so dass das Kühlwasser in die einzelnen Kühlkanäle 2a, 2b, 2c gedrückt wird. Die Wasserleitbleche sind so angeordnet, dass das Kokillenrohr mittig im Wasserspalt gehalten wird.The corner areas 4 are not with cooling grooves Mistake. The mold tube is fastened with a water guide plate not shown in the water tank, so that the cooling water in the individual cooling channels 2a . 2 B . 2c is pressed. The water deflectors are arranged so that the mold tube is held centrally in the water gap.

Claims

Mold for continuous casting of metal, wherein at least a portion of the outer surface ( 3 ) of the mold with cooling grooves ( 2 . 2c ), characterized in that the depth and / or width of the cooling grooves ( 2 . 2a . 2 B . 2c ) in the middle of a side wall of the mold ( 1 ) is greatest and decreases in the direction of the corner regions of the side wall.

Chill mold according to claim 1, characterized in that at a distance of 10 mm to 15 mm from the radius of the corner regions ( 4 ) no cooling grooves ( 2 . 2a . 2 B . 2c ) are arranged in the side wall.

Chill mold according to claim 1 or 2, characterized in that the groove center distance of two cooling grooves ( 2 . 2a . 2 B . 2c ) is in a range of 10 mm to 25 mm.

Chill mold according to one of claims 1 to 3, characterized in that the ratio of groove center distance to the width of a cooling groove ( 2 . 2a . 2 B . 2c ) is in a range of 1, 2 to 3.

Chill mold according to one of claims 1 to 5, characterized in that the ratio between the width and depth of a cooling groove ( 2 . 2a . 2 B . 2c ) is in a range of 1 to 4.

Chill mold according to one of claims 1 to 6, characterized in that the cooling grooves ( 2 . 2a . 2 B . 2c ) have a width in a range of 5 mm to 20 mm.

Mold according to one of claims 1 to 7, characterized in that the cooling grooves ( 2 . 2a . 2 B . 2c ) are arranged in an area which starts 50 mm above the Gießpolollolllage and extends to 300 mm below the Gießspiegelsolllage.

Mold according to one of claims 1 to 7, characterized in that the cooling grooves ( 2 . 2a . 2 B . 2c ) have a depth of 3 mm to 8 mm with a residual wall thickness in the region of the cooling grooves ( 2 . 2a . 2 B . 2c ) of not less than 6 mm.

Chill mold according to one of claims 1 to 8, characterized in that per 100 mm Kokillenrohrseitenfläche four to ten cooling grooves ( 2 . 2a . 2 B . 2c ) are arranged.

Mold according to one of claims 1 to 9, characterized in that the cooling grooves ( 2 . 2a . 2 B . 2c ) are provided in the groove base with a transition radius to the groove wall.

Chill mold according to one of claims 1 to 10, characterized in that cooling grooves ( 2 . 2a . 2 B . 2c ) has a radius in its entry and exit area ( 5 ) exhibit.