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Die
Erfindung betrifft eine Gießform
mit den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Beim
Gießen,
insbesondere Stranggießen von
Metallen, insbesondere Stahl, erfahren Gießformen aus Kupferwerkstoffen
eine erhebliche Wärmebelastung,
die speziell im Bereich des Gießbadspiegels
und im Besonderen bei schnell gießenden Stranggießanlagen
mit Gießgeschwindigkeiten
von deutlich mehr als 2 m/min sehr hoch ist. Diese Wärmebelastung
führt zu
Materialveränderungen
im Kupferwerkstoff oder auch zu Rissen, wodurch die Standzeit der
Gießform
stark verringert wird.
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Bei
schnell gießenden
Stranggießanlagen,
z. B. bei Dünnbrammenanlagen,
wird heute fast ausschließlich
eine CuAg-Legierung als Kupferwerkstoff verwendet. Speziell beim
Ersteinsatz neuer Kokillenplatten müssen diese nach relativ kurzer
Zeit aus dem Fertigungsprozess genommen und ausgetauscht werden,
da sich im Gieß- oder Badspiegelbereich
Ausbauchungen einstellen. Durch die Ausbauchungen kann es zu einem
Fließen
des dahinter liegenden Materials kommen, so dass die Ausbauchung
letztlich dauerhaft ist und die entsprechende Gießform nachbearbeitet
werden muss.
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Kupferwerkstoffe,
die auf einer CuCrZr-, einer CuCoBe- oder einer CuNiBe-Legierung basieren, zeigen
weniger starke Ausbauchungen, sie neigen jedoch unter Temperaturwechselbeanspruchung
früher
zur Rissbildung als Kupferwerkstoffe auf CuAg-Basis. Daher werden
Kupferwerkstoffe auf CuCrZr-, CuCoBe- oder CuNiBe-Basis, insbesondere beim
schnellen Stranggießprozess
von Brammen, nur in Ausnahmefällen
eingesetzt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Gießform aufzuzeigen, bei welcher
sowohl Ausbauchungen als auch Rissbildungen im Badspiegelbereich
vermieden werden können,
wodurch die Einsatzzeiten der Gießformen erhöht werden können und wobei Kupferwerkstoffe
insbesondere aus CuCrZr-, CuCoBe- oder CuNiBe-Legierungen beim schnellen Gießen einsetzbar
werden.
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Die
Erfindung wird durch eine Gießform
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Die
Unteransprüche
betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.
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Wesentlich
ist, dass in der Gießfläche wenigstens
eine Dehnfuge angeordnet ist, wobei die Dehnfuge eine Breite aufweist,
die so klein ist, dass während
des Gießprozesses
keine Metallschmelze in die Dehnfuge eindringt. Durch die Dehnfugen
wird es ermöglicht,
dass sich der Kupferwerkstoff entsprechend der Wärmebelastungen in mehrere Richtungen
frei ausdehnen kann. Dadurch werden einseitige Ausbauchungen der
Gießform
vermieden. Schädliche
innere Spannungen können
vermindert oder vollständig
vermieden werden. Zudem ist ein schnelles Abkühlen der Gießformen
ohne Rissbildung möglich.
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Ein
besonderes Merkmal ist, dass die Breite der Dehnfuge sehr klein
gewählt
ist, und zwar so klein, dass eine Metallschmelze auf Grund ihrer Oberflächenspannungen
nicht in die Dehnfuge eintreten kann. Mit der erfindungsgemäßen Gießform können unterschiedliche
Metallschmelzen gegossen werden, insbesondere aber Stahl-, Aluminium-
oder Kupferlegierungen.
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Die
Dehnfugen haben die Funktion, thermische Ausdehnungen der zwischen
den Dehnfugen liegenden Werkstoffbereiche zu kompensieren und die
Rissbildung beim schnellen Abkühlen
zu verhindern. Standardmäßig werden
Kokillen auf ihrer Kontaktseite zur Metallschmelze plan oder mit
sehr leichten Oberflächentexturen
ausgeführt,
wobei insgesamt immer noch eine nahezu ebene Oberfläche vorliegt.
Diese Texturen haben auf die Verhältnisse im Badspiegel der Metallschmelze
einen relativ geringen Einfluss. Eine Dehnfuge ist nicht als Oberflächentextur
zu verstehen, sondern besitzt grundsätzlich eine wesentlich größere Tiefe
als Breite. Das Verhältnis
zwischen Breite und Tiefe beträgt
vorzugsweise mindestens 10:1, insbesondere 20:1 bis 50:1. Die Dehnfugen
sollen vorzugsweise eine sehr geringe Breite besitzen, die in einem
Bereich von 0,1 bis maximal 0,4 mm liegt. Die mündungsseitige Breite sollte während des
Gießvorgangs,
also bei maximaler thermischer Belastung der Gießform, nicht größer als
0,4 mm sein. Vorzugsweise ist sie bereits bei Raumtemperatur nicht
größer als
0,4 mm.
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Die
Breite der Dehnfugen hängt
nicht nur von der Oberflächenspannung
der Metallschmelze ab, sondern auch von dem Abstand der Dehnfugen.
Primär
muss sichergestellt sein, dass keine Metallschmelze in die Dehnfugen
eindringt. Andererseits muss die Dehnfuge aber auch breit genug
sein, um die thermische Ausdehnung angrenzender Werkstoffbereiche
ausgleichen zu können.
Es wird als vorteilhaft angesehen, wenn sich die Breite zumindest im
Bereich der Mündung,
d. h. am gießflächennahen Bereich
der Dehnfuge, während
des Gießvorgangs um
wenigstens 90% verkleinert gegenüber
der bei Raumtemperatur gemessenen Breite.
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Vorzugsweise
sind die Dehnfugen in einem Abstand zueinander angeordnet, der so
gewählt
ist, dass die Dehnfugen durch Wärmeausdehnung
während
des Gießvorgangs
im Maximum mündungsseitig
geschlossen sind. Das heißt,
dass die Dehnfugen bei Raumtemperatur offen sind, jedoch so bemessen und
angeordnet sind, dass sie sich durch thermische Ausdehnungen größtenteils
oder vollständig
schließen.
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Die
Dehnfugen können
parallel und/oder quer zur Gießrichtung
angeordnet sein. Die Dehnfugen können
auch in bestimmten Mustern, beispielsweise in Wabenform- oder Rautenform,
angeordnet sein. Die Dehnfugen können
in ihrem Verlauf gerade oder gekrümmt ausgeführt sein. Die Dehnfugen müssen nicht
alle den gleichen Querschnitt oder die gleiche Länge besitzen. Die Gestaltung
und Anordnung der Dehnfugen hängt
von dem konkreten Anwendungsfall ab.
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Je
nach Lage der Dehnfugen können
diese in voneinander abweichenden Abständen angeordnet sein. Grundsätzlich wird
jedoch angestrebt, die Dehnfugen so anzuordnen, dass diese sich
mündungsseitig
während
des Gießvorgangs
schließen.
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Aus
fertigungstechnischen Gründen
können die
Seitenwände
der Dehnfugen bei Raumtemperatur parallel zueinander verlaufen.
Grundsätzlich
ist es auch möglich,
die Dehnfugen als Hinterschneidungen auszubilden oder mit einer
Breite, die zur Mündungsseite
hin etwas größer ist
als zu ihrem Fugengrund hin. Die Wahl der Fugengeometrie wird vom Temperaturgefälle in dem
jeweiligen Bereich der Gießform
abhängig
gemacht.
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Die
Dehnfugen sollen zur Spannungsfreiheit innerhalb der Gießform beitragen.
Daher kann der Fugengrund der Dehnfugen entweder im Winkel zu den
Seitenwänden
der Dehnfugen stehen, d. h. eckig sein, oder aber auch gerundet
sein, um Spannungsspitzen zu vermeiden.
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Wesentlich
für die
Funktion des Spannungsausgleichs ist, dass die Dehnfugen eine bestimmte Mindesttiefe
haben. Insbesondere soll die Tiefe der Dehnfugen derart bemessen
sein, dass das Tiefste, d. h. der tiefstliegendste Punkt der Dehnfugen,
durch Kühlung
thermisch möglichst
spannungsfrei ist. Die Gießform
wird grundsätzlich
gekühlt.
Hierzu sind Kühlkanäle in Form
von Kühlnuten
oder Kühlbohrungen
auf der Rückseite
der Gießform
angebracht. Die Dehnfugen sollen sich bis in eine Tiefe der Gießform erstrecken,
in der durch die rückseitige
Kühlung
während
des Gießprozesses
keine temperaturbedingten und zu Ausbauchungen der Gießform führenden Spannungen
auftreten. Zu diesem Zweck kann die Dehnfuge an ihrer tiefsten Stelle
eine Tiefe besitzen, die mindestens 8 mm beträgt.
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Die
Tiefe der Dehnfugen kann nach unten hin, d. h. in Gießrichtung,
abnehmen, da die Temperaturbelastung mit zunehmendem Abstand vom Gießspiegel
kontinuierlich abnimmt. Die Dehnfuge ist so lang auszuführen, dass
der Fugengrund immer ausreichend spannungsfrei bleibt. Der Fugengrund kann
daher von oben nach unten mit abnehmender Tiefe in einem flachen
Winkel gerade zur Gießfläche verlaufen.
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Für einen
spannungsarmen Verlauf ist insbesondere vorgesehen, dass die Tiefe
der Dehnfuge zu den Enden der Dehnfugen hin abnimmt. Der Fugengrund
kann im Längsschnitt
bogenförmig
verlaufen. Dies gilt insbesondere für den Übergang von größerer Tiefe
zur Gießfläche der
Gießform.
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In
vorteilhafter Weiterbildung können
die Dehnfugen für
den Gießstart
temporär
verschlossen sein. Hierzu kann ein Füllstoff vorgesehen sein, der sich
während
des Gießvorgangs
aus den Dehnfugen löst.
Auf diese Weise ist es möglich,
Dehnfugen relativ großer
Breite vorzusehen, die sich erst bei erhöhten Temperaturen schließen bzw.
in der Breite so weit reduziert werden, dass keine Metallschmelze
in die Dehnfuge eindringen kann. Als Füllstoff ist beispielsweise
Graphitpaste zu nennen.
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Alternativ
zu den zur Gießfläche hin
offenen Dehnfugen ist in einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass
die Dehnfugen an ihrer Mündungsseite
geschlossen sind. Dies kann ebenso beim Gießstart helfen, wie das Füllen mit
Graphitpaste. Ein Verschluss der Dehnfugen kann sich beispielsweise dadurch
ergeben, dass die Gießform
mit einer verschleißmindernden
Beschichtung versehen ist, die in fortschreitender Einsatzzeit der
Gießform
abgetragen werden kann. Unabhängig
von der aufgetragenen Beschichtung führen aber auch mündungsseitig geschlossene
Dehnfugen zur Reduzierung oder Verhinderung von Ausbauchungen sowie
zur Reduzierung bzw. Verhinderung von Rissbildung bei schnellem
Abkühlen.
Grundsätzlich
ist es daher auch möglich,
die Dehnfugen mündungsseitig
durch ein Umschmelzverfahren, beispielsweise durch Reibrührschweißen, zu
verschließen.
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Bei
der erfindungsgemäßen Gießform kann es
sich um eine Kokillenplatte, ein Kokillenrohr, ein Gießrad, eine
Gießwalze
oder einen Tiegel handeln. Der erfindungsgemäße Gedanke, Dehnfugen mit einer
Breite zu gestalten, die so klein ist, dass auch bei Abtragen einer
mündungsseitigen
Beschichtung keine Metallschmelze in die Dehnfuge eindringen kann, gilt
grundsätzlich
für alle
Arten von Gießformen,
die mit einer Metallschmelze in Kontakt gelangen und ist nicht auf
eine bestimmte Geometrie der Gießform beschränkt.
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Die
Dehnfugen sind im Bereich der höchsten Temperaturbelastung
beim Gießen
angeordnet. Es ist möglich,
dass die Dehnfugen oberhalb des Gießspiegels beginnen, bzw. dass
sich ein oberes Ende der Dehnfugen oberhalb des Gießspiegels
befindet. Es ist auch denkbar, dass die Dehnfugen vollständig unterhalb
des Gießspiegels
angeordnet sind.
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Ein
besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Gießform ist, dass auf Grund der
geometrischen Gestaltung auch Kupferwerkstoffe auf Basis einer CuCrZr-,
CuCoBe- oder einer
CuNiBe-Legierung zum Einsatz kommen können. Es hat sich gezeigt, dass
beim Gießen
mit CuAg-Legierungen als Kupferwerkstoff für Gießformen, speziell beim Schnellgießen, nicht
verhindert werden kann, dass im Badspiegelbereich die oberflächennahen
Schichten von Kokillenplatten auf Temperaturen oberhalb 350°C erhitzt
werden, wodurch eine Rekristallisation des Kupferwerkstoffs einsetzt.
Infolgedessen wird der Kupferwerkstoff grobkörnig und welch und verliert
die Widerstandsfähigkeit
gegen Erosionen und anderen Angriffen. Ein besonderer Effekt, der
bei CuAg-Werkstoffen festgestellt wird, ist das starke Ausbauchen beim
Ersteinsatz. Die lokale Ausbauchung im Badspiegelbereich verhindert
eine Verstellung der Kokillenschmalseiten während des Gießens. Bei
erneutem Gießstart
können
nahe der Ausbauchung große Spalten
zwischen Schmalseite und Breitseite entstehen.
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Kupferwerkstoffe
auf CuCrZr-, CuCoBe- und CuNiBe-Basis verändern ihre Materialeigenschaften bei
den während
des Gießens
vorliegenden Temperaturen nicht oder nur sehr allmählich. Jedoch
erfahren auch diese Kupferwerkstoffe durch die eingebrachte Wärme während des
Gießprozesses
innere thermische Spannungen. Die plötzlich auftretenden Temperaturschwankungen
durch plötzliche
Veränderungen
der Badspiegelhöhe
oder beim Ende des Gießvorgangs
führen
bei diesen zuletzt genannten Kupferlegierungen sehr rasch zu Rissen,
welche das Einsatzspektrum dieser Kupferlegierung unerwünscht begrenzen.
Mit der Erfindung ist es jedoch möglich, insbesondere CuCrZr-Legierungen
mit einem Chromgehalt von 0,65% und einem Zirkoniumgehalt von 0,1%
sowie CuCoBe-Legierungen mit einem Kobaltgehalt von 1,0% und einem
Berylliumgehalt von 0,1% sowie CuNiBe-Legierungen mit einem Nickelgehalt von
1,5 Gew.-% und einem Berylliumgehalt von 0,2 Gew.-% auch für schnelle
Gießvorgänge insbesondere
bei Stranggießkokillen
einzusetzen.
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Die
Dehnfugen können
auf Grund ihrer geringen Breite insbesondere spanabhebend, beispielsweise
durch Verwendung sehr dünner
Sägeblätter, hergestellt
werden. Es ist auch möglich,
die Dehnfugen mit einem Laser einzubrennen oder mit geeigneten Erodierverfahren
herzustellen. Andere Bearbeitungsformen sowie die Kombination der
beispielhaft genannten Fertigungsverfahren sind nicht ausgeschlossen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es
zeigt:
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1 einen
Querschnitt durch einen Teilbereich einer Gießform bei Raumtemperatur;
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2 den
Querschnitt der 1 während des Gießbetriebs;
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3 eine
weitere Ausführungsform
einer Gießform
mit einer Beschichtung auf der Gießfläche;
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4 eine
weitere Ausführungsform
einer Gießform
mit Dehnfugen, die durch ein Umschmelzverfahren geschlossen worden
sind;
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5 einen
Längsschnitt
entlang der Linie V-V der 4;
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6a–c
Draufsichten auf eine Gießfläche einer
Gießform
mit unterschiedlich orientierten Dehnfugen.
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1 zeigt
einen kleinen Ausschnitt einer Gießform aus Kupferwerkstoff,
insbesondere in Form einer Kokillenplatte einer Stranggießkokille.
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1 zeigt
einen Querschnitt durch einen Teilbereich einer Gießform in
Gestalt einer Kokillenplatte. Die Gießform 1 besitzt eine
einer nicht näher dargestellten Metallschmelze
zugewandten Gießfläche 2.
In der Gießfläche 2 sind
mehrere Dehnfugen 3 angeordnet, die parallel zueinander
verlaufen und senkrecht zur Gießfläche 2 stehen.
Die Dehnfugen 3 sind identisch konfiguriert und besitzen
eine Breite B, die so klein ist, dass während des Gießprozesses keine
Metallschmelze in die Dehnfuge 3 eindringt. In diesem Ausführungsbeispiel
beträgt
die Breite B 0,4 mm. Die Dehnfugen 3 sind mit einem Füllstoff 4 in Form
von Graphitpaste gefüllt.
Während
des Gießvorgangs
löst sich
dieser Füllstoff 4 aus
den Dehnfugen 3. Beim Gießstart verhindert er den Eintritt
von Metallschmelze in die Dehnfugen 3.
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Die
dargestellten Dehnfugen 3 sind an ihrer Mündungsseite 5 offen.
Sie besitzen eine Tiefe T, die wesentlich größer ist als die Breite B und
vorzugsweise mindestens 8 mm beträgt. Die Dehnfugen 3 reichen
bis in einen Tiefenbereich der Gießform 1, der nahe
von Kühlaussparungen 6 liegt,
die von der Rückseite 7 der
dargestellten Gießform 1 in
die Gießform 1 ragen.
Die Kühlaussparungen 6 werden
von Kühlwasser
durchströmt.
Die Tiefe T der Dehnfugen 3 ist derart bemessen, dass das
Tiefste der Dehnfugen 3 durch Kühlung im Bereich der Kühlaussparungen 6 frei
von thermischen Spannungen ist. Es ist allerdings unvermeidbar,
dass sich der Kupferwerkstoff der Gießform 1 nahe im Bereich
der Gießfläche 2 thermisch
ausdehnt, wie in 2 zu erkennen ist. Da die Temperatur
im Bereich der Gießfläche 2 am
größten ist,
schließt
sich die Mündung 8 der
Dehnfugen 3 während
des Gießvorgangs,
so dass keine Metallschmelze in die Dehnfuge 3 eindringen
kann. Die Dehnfugen 3 besitzen daher während des Gießvorgangs
einen vom Nutgrund nach oben konisch enger werdenden Querschnitt.
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Die
Dehnfugen 3 sind idealerweise in einem Abstand A zueinander
angeordnet, der so bemessen ist, dass der Abstand A, bei Raumtemperatur
gemessen, zzgl. der Breite B, bei Raumtemperatur gemessen, dem Abstand
C der Mündungen 8 der
Dehnfugen während
des Gießvorgangs
entspricht. Mit anderen Worten gilt die Bedingung A + B = C. In
diesem Zustand kommt es zu keinen thermischen Spannungen im Bereich
der Mündung 8 und
somit nicht zu Ausbauchungen der Gießform 1 in Richtung
zur Metallschmelze. Beim Abkühlen
nimmt der Abstand C der Mündungen 8 wieder
auf den Abstand A bei Raumtemperatur ab. Die Dehnfugen 3 öffnen sich mündungsseitig
wieder, so dass es nicht zu Rissbildungen innerhalb der Gießfläche 2 bzw.
der Gießform 1 kommt.
Die Seitenwände 9 der
Dehnfuge 3 verlaufen dann wieder parallel zueinander, wie
es in 1 dargestellt ist, und stehen nicht mehr im Winkel
zueinander, wie es 2 zeigt.
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3 zeigt
eine Variante, bei welcher die Mündungsseite 5 der
Dehnfuge 3 durch eine verschleißmindernde Beschichtung 10 verschlossen
ist. Die Dehnfugen 3 verhindern auch bei dieser Variante eine
Rissbildung des Kupferwerkstoffs bzw. tragen dazu bei, Ausbauchungen
zu vermeiden. Dies funktioniert insbesondere auch dann, wenn die
Beschichtung 10 durch fortschreitenden Verschleiß der Gießform 1 abgetragen
worden ist.
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Zusätzlich ist
zu der Ausführungsform
der 3 anzumerken, dass der Fugengrund 11 beispielhaft
für alle
anderen Ausführungsformen
gerundet ausgeführt
ist. Der Fugengrund 11 kann auch eckig sein, wie es in
den Ausführungsbeispielen
der 1 und 2 zu erkennen ist.
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Die
Ausführungformen
der 4 unterscheidet sich von derjenigen der 3 dadurch,
dass die Dehnfugen 3 mündungsseitig
nicht durch eine Beschichtung 10 verschlossen sind, sondern
durch ein Umschmelzverfahren, wie beispielsweise das Reibrührschweißen.
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5 zeigt
eine Schnittdarstellung entlang der Linie V-V der 4.
Es ist zu erkennen, dass die Tiefe T der Dehnfuge 3 zu
ihren Enden 12 hin abnimmt. Insbesondere ist der Fugengrund 11 gewissermaßen in Längsrichtung
der Dehnfuge 3 gerundet. Der Übergang vom Tiefsten der Dehnfuge 3 zur Gießfläche 2 erfolgt
somit nicht sprunghaft, sondern kontinuierlich.
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Die 6a–c
zeigen drei unterschiedliche Ausführungsbeispiele eines möglichen
Verlaufs der Dehnfugen 3. Es handelt sich jeweils um Ansichten auf
die Gießfläche 2 einer
Gießform 1.
In der Variante gemäß 6a verlaufen die Dehnfugen 3 in
parallelem Abstand zueinander in Gießrichtung G der Metallschmelze,
welche an der Gießform
in der Bildebene von oben nach unten vorbeiströmt. Die alternative Ausführungsform
gemäß 2 zeigt
Dehnfugen 3, die quer zur Gießrichtung G orientiert sind.
Die Variante gemäß 6c zeigt sich kreuzende Dehnfugen 3,
so dass ein schachbrettartiges oder auch wabenförmiges Muster entsteht. Jede
andere Orientierung der Dehnfugen 3 ist möglich. Der
Verlauf der Dehnfugen ist nicht zwingend linear gerade, sondern
kann gekrümmt
sein. Ebenso wie der Verlauf der Dehnfugen variieren kann, ist es
möglich,
die Tiefe, die Breite und den Abstand der Dehnfugen 3 zu
variieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gießform
- 2
- Gießfläche
- 3
- Dehnfuge
- 4
- Füllstoff
- 5
- Mündungsseite
- 6
- Kühlaussparung
- 7
- Rückseite
- 8
- Mündung
- 9
- Seitenwand
- 10
- Beschichtung
- 11
- Fugengrund
- 12
- Ende
- A
- Abstand
- B
- Breite
- C
- Abstand
- G
- Gießrichtung
- T
- Tiefe
