DE19545259A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von dünnen Metallsträngen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von dünnen Metallsträngen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von dünnen Metallsträngen, insbesondere aus Stahl, bei dem ein Metall-Langprodukt in Berührung mit einer Metallschmelze diese zum Ankristallisieren gebracht wird, sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einem eine Bodenöffnung ausweisenden metallurgischem Gefäß, in dem eine Metallschmelze sich befindet, durch die ein Metall-Langprodukt führbar ist, und mit Rollen zum Zuführen des Metall-Langprodukts sowie zum Abführen des ankristallisierten Metallstranges.
Dünne Metallstränge aus Stahl werden regelmäßig als Kaltband erzeugt. Zur Zeit werden etwa 60% der Kaltbandprodukte beschichtet, um insbesondere die Korrosion des Stahls bei seinem Einsatz zu vermeiden oder zu vermindern. Dieses Stahlvolumen beträgt in der Europäischen Union ca. 30 Mio. t Stahl, wobei 16 Mio. t aus feuerverzinkten und elektrolytisch verzinkten Bändern besteht. In den letzten Jahren hat sich das Produktionsvolumen der verzinkten Bänder ständig vergrößert, hier insbesondere im Anwendungsbereich der Automobilindustrie. Gleichzeitig ist auf die knappen Zink-Ressourcen, die etwa 20 bis 30 Jahre beträgt, wenn von der jetzigen Erzeugungsmenge und den erschlossenen und bekannten Reserven ausgegangen wird. Das Recycling des Zinks setzt eine separate Erfassung des verzinkten Stahlschrotts, eine Gewinnung über die Staubphase und eine Anreicherung z. B. während des Einschmelzens im Elektroofen voraus.
Eine Alternative für den Einsatz von verzinktem Stahlblech im Automobilbau stellt das Aluminium-Blech dar. Durch den Einsatz von Aluminium kann ebenfalls das Korrosionsverhalten der Karosserie verbessert und die Lebensdauer der Einheiten erhöht werden. Gleichzeitig führt aber der Einsatz von Aluminium aufgrund der charakteristischen Werkstoffeigenschaften zu einem erheblich höheren Aufwand in den Bereichen der Umformung, des Fügens und der Lackierung von Karosserien. Negativ wirken sich auch die hohen Erzeugungskosten, insbesondere die Stromkosten, von Aluminium aus, solange Primäraluminium für die Karosserien benötigt wird. Die aluminiumschaffende Industrie verfolgt jedoch langfristig die Strategie, die Primäraluminiumproduktion wegen der Energie- und Umweltproblematik aus Europa zu verlagern. Gleichzeitig bestehen jedoch Probleme, Aluminium-Kaltband aus Sekundäraluminium zu erzeugen. Hier ist insbesondere die Verunreinigungsproblematik bislang noch ungelöst.
Neben den genannten Lösungen kommt auch ein massives Blech aus rostfreiem Stahl zur Anwendung. Hier ist aber auf die hohen Rohstoffkosten hinzuweisen, da hohe Legierungsmengen an Chrom und Nickel erforderlich sind und zudem die Verarbeitung in speziell auf legierte Stähle ausgerichteten Kaltbandwerken erfolgt. Ein an sich aus Umweltschutzgründen durchaus gewünschter großer Einsatz von rostfreien Stählen im Automobilbau ist aus Marktgesichtspunkten bisher nicht erfolgt.
Zum Erzeugen von dünnen Metallsträngen, insbesondere aus Stahl, mit Dicken unter 20 mm ist das Inversionsgießen bekannt. So wird in der EP 0311602 B1 ein Verfahren und eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei dem ein ungekühltes gereinigtes Metall- Langprodukt niedrigen Energiepotentials in Berührung mit einer Metallschmelze und diese zum Ankristallisieren gebracht wird. Ein wirtschaftliches und metallurgisch brauchbares Produkt wird dadurch erzielt, daß ein mit Wanddicken von 0,1 bis 1,4 mm ausgewähltes Metall-Langprodukt entsprechend der maximal zulässigen Kontaktzeit in der Metallschmelze ein Metallstrang mit einer etwa 6 bis 10-fachen Gesamtstrangdicke erzeugt wird. Der Strang besteht hier aus dem Metallprofil und an diesem phasengrenzfrei abgelagerten Kristallen und Schmelzenwerkstoff aus der Metallschmelze.
Die Erfindung hat sich das Ziel gesetzt, mit einfachen Mitteln einen Metallstrang aus Verbundwerkstoff herzustellen, der eine möglichst dünne, geschlossene und am Trägerprofil fest haftende Beschichtung aufweist.
Die Erfindung erreicht dieses Ziel durch die kennzeichnenden Merkmale des Verfahrensanspruchs 1 und des Vorrichtungsanspruchs 11.
Erfindungsgemäß wird je nach Werkstoff und Anwendung die Schichtdicke auf 20 bis 2% der Strangdicke eingestellt. Es werden Verbundbleche hergestellt, bei denen einer der verwendeten Werkstoffe ein rostfreier Stahl, ein austenitischer oder ferritischer Stahl, ist.
Bei der Verwendung in der Autoindustrie werden beispielsweise ein Metallband, das den Kern des Stranges darstellt, aus einer Tiefziehgüte hergestellt mit einer Dicke von 1 bis 10 mm. Dieses Metallband wird beidseitig mit einer Beschichtung aus austenitischem oder ferritischem Edelstahl mit einer Schichtdicke versehen, die mindestens so stark ist, daß ein sicherer Korrosionsschutz unter den Einsatzbedingungen der Automobilindustrie gegeben ist. Ein solches Verbundblech weist nicht nur eine gute Verschweißung beider Werkstoffe auf, es zeichnet sich auch durch gute Werkstoffeigenschaften sowie Tiefzieheigenschaften und eine hohe Korrosionsbeständigkeit aus.
Beim Einsatz in der Elektroindustrie wird ein Verbundband hergestellt, das einen ferromagnetischen siliziumhaltigen Stahl als Kern aufweist und mit einem paramagnetischen Werkstoff beschichtet wird oder einen paramagnetischen Kern mit einer Beschichtung aus einem ferromagnetischen siliziumhaltigen Stahl aufweist.
Zur Erzeugung des dünnen Metallstranges aus Verbundwerkstoff mit dünner Beschichtung wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Temperatur des Metall- Langprodukts, die Temperatur der Metallschmelze und die Verweilzeit des Metall- Langprodukts in der Metallschmelze entsprechend der gewünschten Schichtdicke einzustellen. Dabei kann das Metallprofil bei Raumtemperatur oder auch vorgewärmt dem Metallbad zugeführt werden.
Eine besonders wirtschaftliche Verfahrweise, insbesondere wegen der höheren Produktionsmenge ist beispielsweise ein Stahlband mit einer Dicke von 3 mm, das in einem Ofen mit inerter Schutzgas-Atmosphäre auf eine Temperatur von rund 870°C vorgewärmt, in ein Inversionsgefäß eingebracht und mit einer Schmelze aus rostfreiem Edelstahl etwa 2 sek. in Kontakt gebracht wird. Im Anschluß an die im Bad erfolgende Ankristallisierung der Schmelze an das Metallprofil wird der Strang, bestehend aus Kern, Blech und Beschichtung, in einer inerten Schutzgas-Atmosphäre mit Hilfe eines Glättstiches auf eine Gesamtdicke von 3,5 mm geglättet. Anschließend kann das Produkt entweder in inerter Schutzgas-Atmosphäre einem Warmwalzgerüst zur Erzeugung einer warmgewalzten Zwischendicke zugeführt werden, so daß das Warmband entweder direkt als Fertigwarmband benutzt werden kann oder aber direkt einem Kaltwalzwerk zugeführt wird.
Auf das in das Inversionsgefäß eingeführte Metall-Langprodukt wird vor seinem Eintritt ein besonderes Augenmerk auf seine Temperatur gelegt. Zur exakten Einstellung der gewünschten Temperatur wird entweder ein Wärmeofen eingesetzt, beispielsweise ein Durchlaufglühofen, soweit ein Band mit niederer Temperatur zugeführt wird, oder es wird, falls der Inversionsgießeinrichtung eine Anlage vorgeschaltet ist, bei der das Metall-Langprodukt eine höhere als gewünschte Temperatur aufweist, eine Kühleinrichtung eingesetzt.
Weiterhin kann die Einstellung der gewünschten Temperatur durch induktiv oder konduktiv erzeugten Stromfluß im Metallband oder -profil erfolgen.
Die erfindungsgemäße Erzeugung dünner Metallstränge aus Verbundwerkstoffen zeichnen sich durch folgende Eigenschaften aus:
  • - gute Verschweißung des eingesetzten Oberflächenwerkstoffes mit dem Kernwerkstoff
  • - gute Zugfestigkeit, gutes Dehnungsverhalten des Gesamtstranges, die primär durch die mechanischen Eigenschaften des Kernwerkstoffes bestimmt werden
  • - gutes Streckgrenzenverhalten ohne Ausbildung einer Streckgrenzenehnung durch die Korsettwirkung des Rostfrei-Stahles auf die weiche Tiefziehgüte des Kerns
  • - gute Tiefzieheigenschaften bei hochanteiliger Verwendung eines Tiefziehstahles als Kernmaterial
  • - hohe Korrosionsfestigkeit bei einer Beschichtung mit austenitischem oder ferritischem Edelstahl
  • - gute Recyclierfähigkeit, da der Schrott unmittelbar zur Erzeugung von rostfreien Stählen eingesetzt werden kann. Die teuren Legierungselemente verbleiben somit unmittelbar im Werkstoffkreislauf. "Problemelemente" wie Zn oder Sn werden nicht eingebracht.
Mit den so erzeugten dünnen Metallsträngen lassen sich verzinkte Stahlbleche, Aluminium-Bleche und massive Bleche aus rostfreien Stählen substituieren. Außerdem werden die Umweltbedingungen für Karosseriewerkstoffe verbessert und die Ressourcen in Bezug auf Nickel, Chrom und Zink für die Herstellung von rostfreien Stählen geschont. Weiterhin wird die Lebensdauer von technischen Produkten, die bislang aus herkömmlichen Kohlenstoffstahl gefertigt werden, deutlich verlängert.
Die erzeugten Metallstränge aus hochschmelzenden Verbundwerkstoffen, rostfrei/unlegiert bzw. ferro-/paramagnetisch, stellen neue Werkstoffe dar mit bisher technisch nicht darstellbaren Eigenschaften. Über den beschriebenen Einsatz im Automobilbau hinaus, sind Anwendungen im Transformatorenbau, in der Bauindustrie, in der Haushaltsgeräteindustrie, im Maschinenbau etc. denkbar.
Der Transportschutz der beschichteten Bänder ist - relativ zur regulären - einfach.
Ein Beispiel der Erfindung ist in der beigefügten Zeichnung dargelegt. Dabei zeigen
Fig. 1 Das Schema der Einrichtung zum Erzeugen von dünnen Metallsträngen,
Fig. 2 Die Abhängigkeit der Auswirkung des Vorwärmens auf die Gesamtblechdicke bezogen auf die Tauchzeit des Metall-Langprodukts.
Die Fig. 1 zeigt das Schema einer Einrichtung zum Erzeugen von dünnen Metallsträngen mit dem Inversionsgießgefäß 11, in dessen Boden eine Öffnung 12 vorgesehen ist, durch die ein Metall-Langprodukt M geführt wird. Das Metall- Langprodukt M wird dabei von Rollen 31 gehalten, die an einem Antrieb 27 angeschlossen sind. Der das Inversionsgießgefäß verlassende Strang F wird über Rollen 32 abgezogen, die durch einen Antrieb 28 angetrieben werden.
Der die Schmelze S verlassende Strang F wird von einer Einhausung 13 umhüllt, an die eine Pumpe 14 angeschlossen ist, mit der Gas vorzugsweise Stickstoff in den Innenraum der Einhausung 13 gefördert wird.
Vor seinem Eintritt in das Inversionsgießgefäß 11 wird das Metall-Langprodukt, im vorliegenden Beispiel ist dies ein Metallband, durch eine Vorrichtung 20 zur Einflußnahme auf die Bandtemperatur geführt.
Über eine Einführweiche 36 kann ein Metall-Langprodukt M zugeführt werden, das in einer vorgeschalteten Bevorratungsstation 50 gelagert ist. Dieses kalte Metall- Langprodukt wird durch die Temperaturvorrichtung 20 geführt und kann hier, soweit ein Glühofen 21 im Einsatz ist, vor seinem Eintritt in das Inversionsgießgefäß erwärmt werden. Je nach Vorgabe können somit die Temperaturen zwischen Beraumtemperatur und etwa 870°C liegen.
Die aktuelle Temperatur des Metall-Langprodukts M wird durch Temperaturfühler 22 und 23, die am Eingang und Ausgang der Temperaturvorrichtung angeordnet sind, einem Meß- und Regelbauteil 25 zugeführt. Dieses Bauteil 25 ist darüber hinaus mit einem Temperaturfühler 24 verbunden, der die Temperatur der Schmelze S mißt. An das Meß- und Regelbauteil ist ein Steuergerät 26 verbunden, das mit den Antrieben 27 und 28 der Rollen 31 und 32 steuerungstechnisch in Verbindung steht.
Zum Einsatz kann auch ein Metall-Langprodukt kommen, das in einer vorgeschalteten Inversionsgießeinrichtung 40 hergestellt wurde. Dieses Metall-Langprodukt M wird, soweit seine Temperatur höher als gewünscht ist, der Temperaturvorrichtung 20 zugeführt, die hier als Kühleinrichtung 29 ausgestaltet ist.
Der fertige Strang F wird über eine Weiche 35 entweder einer Fertigverarbeitungsanlage 70 direkt zugeführt. Es besteht dabei auch die Möglichkeit, über die Weiche 36 in den Strang einem Walzwerk 60 in einem Schritt zuzuführen und dort in einem Walzgerüst 61, beispielsweise zu glätten und erst danach einer Fertigverarbeitungsanlage 70 zuzuführen.
In der Fig. 2 ist schematisch die Auswirkung des Vorwärmens des Metall- Langprodukts aufgeführt. Es zeigt sich, daß die Tauchzeit bei einer Vorwärmung des Metall-Langprodukts deutlich kürzer ist. Eine kürzere Tauchzeit bedeutet aber auch eine größere Produktionsmenge.
Bezugszeichenliste
10 Metallurgisches Gefäß
11 Inversionsgießgefäß
12 Bodenöffnung
13 Einhausung
14 Pumpe für Gas
Temperaturvorrichtung
21 Glühofen
22, 23, 24 Temperaturfühler
25 Meß- und Regelbauteil
26 Steuergerät
27, 28 Rollenantrieb
29 Kühleinrichtung
Transporteinrichtung
31 Rollenzufuhr
32 Rollenabfuhr
35 Weiche Abfuhr
36 Weiche Zufuhr
40 Vorgeschaltetes Inversionsgießgefäß
50 Vorgeschaltete Bevorratungsstation
60 Walzwerk
61 Walzgerüst
70 Fertigverarbeitungsanlage

Claims (18)

1. Verfahren zum Erzeugen von dünnen Metallsträngen, insbesondere aus Stahl, bei dem ein Metall-Langprodukt in Berührung mit einer Metallschmelze und diese zum Ankristallisieren gebracht wird, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
  • - es wird ein Metall-Langprodukt eingesetzt, das einen von der Metallschmelze unterschiedlichen Werkstoff aufweist, wobei einer ein rostfreier Stahl ist
  • - es wird die Temperatur des Metall-Langprodukts, die Temperatur der Metallschmelze und die Verweilzeit des Metall-Langprodukts in der Metallschmelze in der Weise eingestellt, daß die Metallschmelze in einer Schichtdicke von D = 20% bis 2% des Metall-Langprodukts auf dieses aufkristallisiert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall-Langprodukt die Form eines Bandes oder eines Profiles besitzt mit einer Banddicke zwischen 1 bis 10 mm.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff des Metall-Langprodukts ein rostfreier Stahl,ein austenitischer oder ferritischer Stahl ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff des Metall-Langprodukts ein siliziumhalter Kohlenstoff-Stahl ist mit einem Siliziumgehalt kleiner 10%.
5. Verfahren nach einem der o.g. Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall-Langprodukt in Abhängigkeit von seiner Profildicke auf eine Temperatur zwischen Raumtemperatur und maximalen 900°C vorgewärmt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Metall-Langprodukts in der Weise eingestellt wird, daß Einfluß auf die Strangtemperatur eines eine vorgeschaltete Inversionsgießanlage verlassendes Metall-Langprodukt genommen wird.
7. Verfahren nach einem der o.g. Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des ankristallisierten Metalls, insbesondere unmittelbar oberhalb des Bades geglättet wird.
8. Verfahren nach einem der o.g. Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des ankristallisierten Metalls nach Verlassen des Schmelzbades gegen Oxidation so lange geschützt wird, bis die Strangtemperatur kleiner 400°C beträgt.
9. Verfahren nach einem der o.g. Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall-Langprodukt mit dem ankristallisierten Metall auf eine geringere Dicke gewalzt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall-Langprodukt in einem Warmstich auf 20% bis 50% seiner Ausgangsdicke gewalzt wird.
11. Einrichtung zum Erzeugen von dünnen Metallsträngen insbesondere aus Stahl, mit einem eine Bodenöffnung aufweisenden Inversionsgießgefäß, in dem eine Metallschmelze sich befindet, durch die ein Metall-Langprodukt führbar ist, und mit Rollen zum Zuführen des Metall-Langprodukts sowie zum Abführen des ankristallisierten Metallstranges, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Vorrichtung (20) vorgesehen ist, die dem Inversionsgießgefäß (11) vorgeschaltet ist, mit der Einfluß auf die Temperatur des Metall-Langprodukts (M) genommen wird,
daß in Förderrichtung des Metall-Langprodukts (M) vor und hinter der Temperaturvorrichtung (20) sowie im Inversionsgießgefäß (11) Temperaturfühler (22, 23, 24) vorgesehen sind, die über ein Meß- und Regelbauteil (35) über ein Steuergerät (26) mit Antrieben (27, 28) der Rollen (31, 32) steuerungstechnisch verbunden sind.
12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturvorrichtung (20) ein Wärmeofen ist, z. B. ein Durchlaufglühofen (21), der das eine vorgeschaltete Bevorratungsstation (50) verlassende Metall-Langprodukt (M) umhüllt.
13. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung der Temperaturvorrichtung (20) durch induktiv oder konduktiv erzeugte Elektrowärme erfolgt.
14. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturvorrichtung (20) eine Kühleinrichtung (29) ist mit Bauteilen, die den eine vorgeschaltete Inversionsgießanlage (40) verlassende Metall- Langprodukt (M) umhüllt.
15. Einrichtung nach den Ansprüchen 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Strang (F) umhüllende Einhausung (13) vorgesehen ist, die dem Inversionsgießgefäß (11) nachgeschaltet ist und in deren Innenraum durch eine Pumpe (14) ein inertes Gas leitbar ist, z. B. Stickstoff.
16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein Walzgerüst (61) zum Glätten und/oder Walzen des Stranges (F) vorgesehen ist, das dem Inversionsgießgefäß (11) nachgeschaltet ist.
17. Einrichtung nach einem der o.g. Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Weiche (35) vorgesehen ist, die wahlweise den Strang (F) direkt oder über das Walzgerüst (61) einer Fertigverarbeitungsanlage (70) zuleitet.
18. Metallstrang, insbesondere aus Stahl, erzeugt in einer Einrichtung nach Anspruch 11 und einem Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Strangkern eine Beschichtung aufkristallisiert ist, deren Schichtdicke zwischen 20 bis 2% der Strangkerndicke ist, und daß der Strangkern und die Beschichtung unterschiedlichen Werkstoff aufweisen, wobei ein Werkstoff ein rostfreier Stahl, Ferrit oder Austenit, ist.
DE19545259A 1995-11-24 1995-11-24 Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von dünnen Metallsträngen Withdrawn DE19545259A1 (de)

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