DE19651324C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von umhüllten Stranggießprodukten - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von umhüllten Stranggießprodukten

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DE19651324C2 DE19651324A DE19651324A DE19651324C2 DE 19651324 C2 DE19651324 C2 DE 19651324C2 DE 19651324 A DE19651324 A DE 19651324A DE 19651324 A DE19651324 A DE 19651324A DE 19651324 C2 DE19651324 C2 DE 19651324C2
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Metallstranggießen mit oszilierender oder mitlaufender Kokille, insbesondere zum Herstellen von umhülltem Material, bei dem eine Metallschmelze zwischen eine mit Gießgeschwindigkeit kontinuierlich mitlaufende metallische Umhüllung gegossen wird.
Heutzutage werden Flachprodukte in Dicken <2 mm hauptsächlich über das Walzen von Warmband erzeugt, die dann auch bis auf Dicken von 0,2 mm kaltgewalzt werden können. Hierbei müssen die an das Kaltband gestellten Anforderungen hinsichtlich Profil und Planheit schon im Warmwalzprozeß prozentual eingestellt sein, da eine Korrektur der Maßhaltigkeit im Kaltwalzprozeß prozentual nicht mehr möglich ist. Ab einem Breite-Dicken-Verhältnis von ca. 100/1 wird der Fließwider­ stand im Walzspalt in Breitenrichtung praktisch unendlich groß, so daß eine prozentuale Korrektur von Profil bzw. Planheit nicht mehr möglich ist. Deshalb sind Entwicklungen von Gießtechnologien, die z. B. Formate mit Breiten <1000 mm und Dicken <10 mm realisieren wollen, bis heute kaum über den Status einer Semi-Produktionsanlage hinausgekommen.
Hauptproblem beim Gießen dünner Formate mit einer oszillierenden Kokille unter systembedingter Schlackenfilmdicke und unter Voraus­ setzung gleicher Produktion, wie sie bei einer konventionellen Brammenanlage erreicht wird, ist, daß entsprechend der Absenkung der Gießdicke und Erhöhung der Gießgeschwindigkeit die pro Zeitein­ heit produzierte Oberfläche um ein Vielfaches steigt und gleichzei­ tig die Schlackenfilmdicke sinkt. Einhergehend steigt die pro Zeiteinheit freiwerdende Erstarrungswärme und damit der Wärmestrom in die Kokille.
Bild 1 stellt die resultierenden Wärmeströme in Abhängigkeit von Gießdicke und Gießgeschwindigkeit dar. Liegt beispielsweise der kritische Wärmestrom einer konventionell hergestellten 200 mm dicken und mit 1 m/min gegossenen Bramme bei ca. 1 MW/m2, so führt die Absenkung der Gießdicke auf z. B. 50 mm bei gleichzeitiger Erhöhung der Gießgeschwindigkeit auf 6 m/min zu einer Erhöhung des Wärmestro­ mes auf 2,8 MW/m2. Entsprechend dem Schrumpfindex steigt auch die Gefahr für Längsrisse von dem normierten Wert 1, im Falle der Standardbramme, auf 2,8, d. h. die Dünnbramme ist, bei gleicher Breite, 2,8 mal so anfällig für Längsrisse wie die Standardbramme.
Die Grenzbetrachtung der Teilbilder weist eine minimale relative Schlackenfilmdicke von 0,001 bzw. 0,02 mm auf und spiegelt quasi die Verhältnisse beim Gießen ohne Gießpulver wider. Der integrale Wärmestrom nimmt einen Wert von ca. 5 MW/m2 an und findet sich auch auf Knüppelanlagen wieder, auf welchen ohne Gießpulver bzw. Gieß­ schlacken gegossen wird.
Ähnliche Verhältnisse bezüglich des Wärmestroms liegen auch beim Bandgießen mit mitlaufenden Kokillen vor. Das Fehlen von Schlacke führt auch bei diesen Prozessen zu Wärmeströmen in Höhe der Grenzbe­ trachtung.
Die Übertragung dieser Ergebnisse auf Bandanlagen verdeutlicht, daß
  • 1. das schlackenfreie Gießen zu einem erheblich höheren Wärmestrom in die Kokille während der Erstarrung führt und damit
  • 2. einen erheblich höheren Schrumpf beim Gießprozeß sowie
  • 3. eine entsprechend höhere thermische Belastung der Kokille verursacht, die zu der Gefahr von Längsrissen in der Bandober­ fläche sowie geringeren Standzeiten der Kokille führt.
Diese dargestellten Probleme führen zur Zeit zu nicht beherrschbaren Oberflächenfehlern beim Gießen dünner Stränge in Dicken <30 mm auf Anlagen mit mitlaufender Kokille, beispielsweise nach dem 2-Rollen- Verfahren (Bessemer Prinzip), dem Hazelett-Verfahren oder den "Belt"-Anlagen und dem 1-Rollen-Verfahren.
Die größten Erfolge konnten bisher mit dem Twin-Roller erzielt werden. Bei diesem Verfahren wird symmetrisch zwischen zwei gegen­ läufig rotierende Rollen flüssiger Stahl gegossen, erstarrt im engsten Spalt zwischen den Rollen (Kissing Point) und wird über eine Auszugsvorrichtung ausgefördert.
Die erzielte Oberflächenqualität und insbesondere die Maßhaltigkeit in Dicken- und Breitenrichtung (Planheit und Profil) sind nicht reproduzierbar bzw. nicht in den vom Markt geforderten prozentualen Toleranzen für Kaltband darstellbar. Dies gilt im besonderen für die Erzeugung von C-Stahl.
Die Erklärung liegt in dem Erstarrungsverhalten des Stahls. Bei den beim Twin Roller vorliegenden Gießbedingungen erstarrt der Stahl auf einer "kalten" Rollenoberfläche in sehr kurzer Zeit. Der Wärme­ strom von ca. 5 MW/m2 fließt radial in die Rollenoberfläche und wird über die Rollenkühlung abgebaut.
Hierbei treten folgende Effekte auf:
  • - Die thermisch hochbelastete Rollenkokille z. B. mit einem zylindrischen Kaltmaß, dehnt sich im Kontaktbereich durch thermisches Wachsen mit dem erstarrenden Strang aus und prägt dem Band eine negative Crown auf. Jedoch ist eine Korrektur des Profils in der Weiterverarbeitung im Walzwerk praktisch durch den fehlenden Querfluß im Walzspalt bei den vorliegenden Breite-/Dickenverhältnissen von <=100/1 nicht mehr möglich.
  • - Die Strangoberfläche schrumpft während der Erstarrung parallel zur Rollenoberfläche sowohl in Gieß- als auch in Breitenrich­ tung, hierdurch wird eine Zugspannung in der Strangschale und eine Druckspannung in der Kokillenoberfläche ausgeübt. Gleich­ zeitig dehnt sich die Kokillenoberfläche während eines Rota­ tionszyklus infolge des Wärmestromes in radialer sowie axialer Richtung aus und baut in beide Richtungen eine Zugspannung in der Strangoberfläche auf.
Die Überlagerung dieser Spannungen mit den über den Schrumpf der Strangschale verursachten Spannungen führt zu einem Festschrumpfen der Strangschale auf der Kokillenoberfläche. Dies führt zur Bildung von Längsrissen infolge der axial (quer zur Gießrichtung) wirkenden Spannungen und zu Querrissen infolge der radial (längs zur Gießrich­ tung) wirkenden Spannungen. Je breiter die abgegossenen Formate sind, desto größer wird der absolute Wert und dadurch der Einfluß des axialen Schrumpfes auf die Gefahr der Längsrißbildung und auf die Einstellung einer prozentual akzeptablen Planheit sowie Riß­ freiheit im gegossenen Band.
In verschiedenen Patentschriften, z. B. DE 34 40 234, DE 34 40 235, DE 34 40 237, wird über mitlaufende Kokillen in Form von Bändern und/oder Rollen berichtet. Hierbei wird versucht, die Oberflächen­ qualität dadurch zu verbessern, daß die Reibung zwischen erstarren­ der Oberfläche der Metallschmelze und dem Kokillenwerkstoff mini­ miert und damit Risse vermieden und eine gleichförmige Oberflächen­ qualität erreicht werden. Eine Verbindung bzw. Verschweißung zwi­ schen den gekühlten Flächen und dem kristallisierten Werkstoff wird bewußt vermieden. Ein anderer Verfahrensvorschlag, DE 34 06 730, beschreibt die kontinuierliche Zuführung einer Metallfolie in die Kokille einer Horizontalstranggießanlage zum Zwecke der Schmierung der Kokillenwand.
Bei einem durch die DE-OS 15 08 876 bekanntgewordenen Verfahren der eingangs genannten Art soll die aus Metall bestehende Ummantelung bzw. Hülle mit der metallischen Gießmasse verschmelzen und deren oberflächliche Haut bilden. Es wird damit vorgeschlagen, daß eine sich verbrauchende Hülle aus sich unter dem Einfluß von Wärme auflösendem bzw. zersetzendem Material oder Metallbändern als Gießform dient und sich vollständig in der Metallschmelze auflöst. Aus der DE 33 40 844 C1 ist es, vergleichbar mit der schon genannten DE 34 06 730 C1 für eine Horizontalstranggießanlage, bekannt, bei einer Vertikalstranggießanlage das Ausfördern des Stranges durch zugeführte Schmiermittel, z. B. inerte Gase, Kohlenstoff, Gießpulver und dergleichen oder durch eine zwischen der Kokille und dem Guß­ strang zugeführte Folie zu unterstützen, indem die Schmiereigen­ schaft dieser zugeführten Mittel ausgenutzt wird.
Ungelöst nach dem Stand der Technik für das Gießen von Bändern, vorzugsweise aus Stahl, in Breiten zwischen 400-1600 mm und Dicken <10 mm sind bis heute die Probleme des hohen Wärmestromes sowie die Profil- und Planheitstoleranz.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Stranggießver­ fahren und eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens auf der Basis einer oszillierenden oder mitlaufenden Kokille vorzuschlagen, bei denen der Wärmestrom aus der erstarrenden Schmelze so gesteuert wird, daß der Schrumpf eine unterkritische Größe darstellt, gleich­ zeitig eine Verschweißung zwischen der erstarrenden Schmelze und dem Flachprodukt (beispielsweise ein Warmband) stattfindet sowie eine optimale Bandgeometrie (Profil und Planheit) gewährleistet ist.
Diese Aufgaben werden mit einem Verfahren bzw. einer Vorrichtung, wie sie in den Patentansprüchen beschrieben werden, unerwartet gelöst.
Die unerwartete Lösung und Erfindung besteht darin, daß der kriti­ sche Schrumpf der erstarrenden Strangoberfläche, die eine Zugs­ spannung erfährt durch die Überlagerung einer entgegengesetzt wirkenden Druckspannung, ausgelöst durch die Ausdehnung der Umhül­ lung, welche sich zwischen Kokille und flüssigem Metall befindet, kompensiert wird.
Die Umhüllung selber nimmt zunächst den Wärmestrom kapazitiv auf und bleibt damit an der der Kokillenwand zugewandten Seite relativ kalt und kann dort mehr Spannung ohne Rißbildung aufnehmen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Bilder 2 und 3 beispiel­ haft erklärt.
Fig. 2 stellt eine 2-Rollen-Gießmaschine mit den erfindungsgemäßen Merkmalen beispielhaft dar.
Über einen Verteiler 1 gelangt flüssiger Stahl über ein Stahlzu­ führungssystem 2 in die Umhüllung 4, die zwischen der Schmelze 3 und einer mitlaufenden Kokille 5 kontinuierlich mindestens auf einer Seite nachgeführt und mit der erstarrenden Schmelze ausgefördert wird. In der Erstarrungszone, die gleichzeitig die Verschweißungs­ zone 6 bildet, verschweißt die erstarrende Schmelze 7 oder Strang­ schale mit der Umhüllung 4. Die Durcherstarrung des Metallbandes 13 ist am Kissing Point, Rollenzenit 8 oder im Bereich der Strang­ führung 10 beendet. Die Strangführung kann aus Rollen oder aus Platten bestehen und zur Reduktion der Strangdicke genutzt werden. Hierdurch ist eine Erhöhung der Gießgeschwindigkeit und somit der Kapazität durch Herausführen der Enderstarrung 9 aus dem Rollenzenit 8 (Kissing Point) möglich. Ein Kühlsystem 14 ist unmittelbar der mitlaufenden Kokille 5 nachgeschaltet. Der Bereich der Strangführung ist eingehaust 15 und kann gas- und/oder temperaturkontrolliert betrieben werden.
Verfahrenstechnisch stellt sich die Erfindung am Beispiel des Twin- Rollers wie folgt dar:
Die während der Erstarrung der Stahlschmelze 3 freiwerdende Energie heizt die zwischen mitlaufender Kokille 5 und Stahlschmelze 3 bzw. Strangschale 7 befindliche Umhüllung 4 bis schmelzseitig über TSol Umhüllung auf, was zu einer Verschweißung der Strangschale mit der Umhüllung 4 im Wirkfeld der Kokille, Verschweißzone 6, führt. Zusätzlich können schmelzpunkterniedrigende Substanzen 18 auf die der flüssigen Schmelze zugewandten Seite der Umhüllung aufgebracht werden, die die Verschweißung unterstützen. Durch den Materialver­ bund von Umhüllung und erstarrter Schmelze 7, Strangschale, kommt die in der Strangschale 7 auftretende Zugspannung 12 mit der in der Umhüllung 4 auftretenden Druckspannung 11 zur Überlagerung und zum Ausgleich.
Damit lassen sich Planheit und Profil des zu erzeugenden Bandes kontrollieren und Längsrisse vermeiden. Die thermische Belastung der beispielsweise Rollen-Kokille wird durch die kapazitive Auf­ heizung der Umhüllung stark gesenkt, wodurch sich gleichzeitig die Standzeit der Kokille erhöht.
Bei Verwendung von Umhüllungen aus z. B. Edelstahl, Aluminium, Cu oder sonstigen Nicht-Eisen-Metallen, lassen sich mit der Erfindung auch Verbundmaterialien herstellen, insbesondere beschichtete Materialien wie z. B. rostfrei beschichteter Kohlenstoffstahl als Flach- sowie auch Langprodukt.
Bild 3 stellt die Grundvoraussetzungen für einen Materialverbund zwischen erstarrender Schmelze und Umhüllung dar.
Die Solidustemperatur des als Umhüllung dienenden Materiales muß immer kleiner oder gleich der Solidustemperatur der eingesetzten Schmelze, d. h. TSSch <= TSUm sein.
Bei der Erstarrung von Schmelze an der Umhüllung wird selbst noch bei Abkühlung der Strangschale von TSSch bis auf TSUm Energie abgege­ ben, die einer Verschweißung förderlich ist.
Beispiel sei eine Baustahlschmelze mit einer Solidustemperatur von z. B. 1520°C, die in eine Umhüllung aus Edelstahl mit einer Soli­ dustemperatur von z. B. 1460°C gegossen wird. Die freiwerdende Erstarrungswärme des Baustahles heizt die Umhüllung bis 1460°C auf und verschweißt mit ihr. Infolge des Solidustemperaturunterschiedes von 60°C wird die Edelstahlschicht partiell aufschmelzen und bei nachfolgender gemeinsamer Abkühlung die Verschweißungszone bilden.
Die Erfindung läßt sich auch auf Hazelett-Anlagen sowie Gießrädern (Bild 4) anwenden.
Die oben an den Beispielen beschriebene Erfindung führt zu folgenden Vorteilen:
  • - kontrollierte Erzeugung eines 100%igen Materialverbundes durch eine sichergestellte Verschweißung zwischen der Schmelze und der Umhüllung aus Edelstahl, Nicht-Eisen-Metall oder anderen Stahlgüten,
  • - definierte Oberfläche in Profil und Planheit,
  • - Gießen heißrißempfindlicher Güten mit hohen Gießgeschwindigkei­ ten,
  • - wesentliche Kosteneinsparung durch Substitution von z. B. massiven Rostfreiprodukten durch Verbundmaterial mit mindestens einer rostfreien Oberfläche,
  • - frei wählbare End- und Beschichtungsdicke,
  • - neue Werkstoffkombinationen,
  • - Verknüpfung des Gießprozesses mit dem Walzprozeß in-line ist möglich
  • - durch gezielte Kühlung keine Verzunderung,
  • - geringe thermische Belastung der Kokille durch kapazitive Aufwärmung der Umhüllung,
  • - Möglichkeit der Erhöhung der Gießgeschwindigkeit (Kapazität) durch Herausführen der Enderstarrung aus dem Rollenzenit (Kissing Point)
  • - Erhöhung der Kokillenhaltbarkeit.
Bezugszeichenliste
1
Verteiler
2
Stahlzuführungssystem
3
Schmelze
4
Umhüllung
5
Mitlaufende Kokille
6
Verschweißungszone, Erstarrungszone
7
Erstarrende Schmelze, Strangschale
8
Rollenzenit (Kissing Point)
9
Enderstarrung
10
Strangführung
11
Druckspannungen
12
Zugspannungen
13
Durcherstarrtes Metallband
14
Kühlsystem
15
Einhausung, gaskontrolliert
16
Tliq
Schmelze
17
TSol
Schmelze
18
Schmelzpunkterniedrigende Substanzen

Claims (14)

1. Verfahren zum Metallstranggießen mit oszillierender oder mitlaufender Kokille, insbesondere zum Herstellen von umhülltem Material, bei dem eine Metallschmelze zwischen eine mit Gießge­ schwindigkeit kontinuierlich mitlaufende metallische Umhüllung gegossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Solidustemperatur der metallischen Umhüllung immer kleiner oder gleich der Solidustemperatur der Metallschmelze ist, derart, daß eine Verschweißung der Umhüllung mit der erstarrenden Schmelze stattfindet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschmelze vorzugsweise aus flüssigem Stahl be­ steht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze und die Umhüllung aus Stahl sind.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung aus rostfreiem Stahl besteht.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung aus einem Nicht-Eisen-Metall besteht.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung <50% der Gesamtdicke ausmacht.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Umhüllungsmaterial vor dem Einsatz bis zu maximal TSol aufgeheizt wird.
8. Vorrichtung zum Metallstranggießen mit oszillierender oder mit­ laufender Kokille, insbs. zum Herstellen von umhülltem Materi­ al. bei dem eine Metallschmelze zwischen eine mit Gießgeschwin­ digkeit kontinurlich mitlaufende metallische Umhüllung gegossen wird, gekennzeichnet durch eine Zuführung des Umhüllungsmaterials (4) mindestens entlang einer Kokillenfläche.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kokillen temperaturkontrolliert sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine 2-Rollen-Kokille (5) zum Einsatz kommt.
11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kokillen aus einem metallischen und/oder keramischen Werkstoff bestehen.
12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das umhüllte Metallband (13) eine gaskontrollierte Ein­ hausung (15) durchläuft.
13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß durch schmelzpunkterniedrigende Substanzen (18) auf der schmelzenzugewandten Oberfläche der Umhüllung der Materialver­ bund zwischen Umhüllung (4) und erstarrender Schmelze bzw. Strangschale (7) unterstützt wird.
14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das umhüllte Metallband (13) durch eine gaskontrollierte Einhausung (15) geführt wird.
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