DE19781990B4

DE19781990B4 - Verbesserte Kokillenwandfläche für den Strangguss und Fertigungsverfahren

Info

Publication number: DE19781990B4
Application number: DE19781990A
Authority: DE
Inventors: James B. Jun. Sears
Original assignee: AG Industries Inc Pennsylvania
Current assignee: AG Industries Inc Pennsylvania
Priority date: 1996-09-03
Filing date: 1997-08-22
Publication date: 2009-01-02
Anticipated expiration: 2017-08-23
Also published as: GB2332635B; AU4084497A; GB9904231D0; BR9711826A; WO1998009750A1; JP2000517246A; GB2332635A; DE19781990T1; CA2264890A1

Abstract

Kokillenauskleidung (12) für eine Stranggießmaschine mit:
einer Innenfläche (18), die zur Verbindung mit Konstruktionselementen (20) zum Ableiten von Wärme von der Auskleidung (12) im Betrieb aufgebaut und angeordnet ist, und
einer Außenfläche (14), die eine Formgebungsfläche der Kokille bildet, wobei die Außenfläche (14) über die gesamte Oberfläche eine Schicht aus einem unter Druckspannung stehenden Material umfaßt, so daß keine Wahrscheinlichkeit einer Rißbildung und -fortpflanzung an der Außenfläche besteht, sowie eine Beschichtung (30) aus einem korrosionsfesten Material, die auf die Schicht aus dem unter Druckspannung stehenden Material aufgebracht ist, wobei die Beschichtung ebenfalls unter Druckspannung steht.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Fertigung und Verfestigung sowie des Gusses von Metallwerkstoffen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine verbesserte Kokille für ein Stranggiesssystem, die eine längere Nutzungsdauer bietet, sicherer und zuverlässiger sowie abmessungsstabiler ist, eine gleichmäßigere Wärmeabfuhr bewirkt und ein besseres Produkt mit höherer Oberflächenqualität und niedrigeren Spannungen erbringt als herkömmliche Stranggiesskokillen.
2. Zugehörige Technologie
Metallwerkstoffe wie Stahl werden kontinuierlich zu Strängen vergossen, indem man die Schmelze in das obere Ende einer Kokille gießt und einen Metallstrang am unteren Kokillenende kontinuierlich abzieht. Beim Durchlaufen der Kokille werden die den Kokillenwänden nächstliegenden Metalloberflächen gekühlt, verfestigt und gehärtet, so daß um die Schmelze im Strang herum eine Randschicht aus erstarrtem Metall entsteht. Nach dem Verlassen des unteren Kokillenendes kühlt das Metall sich weiter ab und die Schicht aus erstarrtem Metall um den Schmelzekern herum wird immer dicker, bis der Strang über den gesamten Querschnitt fest ist.
Eine herkömmliche Stranggiesskokille weist eine Anzahl von Auskleidungs- bzw. Formgebungsplatten üblicherweise aus Kupfer oder Kupferlegierung sowie äußere Stützwände auf, die die Auskleidungsplatten umgeben. Die Formgebungsplatten umschließen dabei einen Teil der Kokille, der während des Giessens mit der Schmelze in Berührung steht. Parallele vertikale Wasserkanäle sind zwischen den Aussenwänden und den Formgebungsplatten vorgesehen, um letztere zu kühlen. Im Betrieb wird aus einem Wasseranschluss über eine Sammelkammer, die mit allen Kanälen in einer Formgebungsplatte in Strömungsverbindung steht, Wasser in diese Kanäle – gewöhnlich vom unteren Kokillenende her – eingeführt. Der so bewirkte Kühleffekt führt zum Erstarren einer Aussenschicht auf der durch die Kokille laufenden Schmelze. Nachdem der erstarrte Gussstrang die Kokille verlassen hat, wird die Verfestigung beendet, indem man ein weiteres Kühlmittel – typischerweise Wasser – direkt auf den Giessling aufsprüht.
Um eine gleichmäßige Produktqualität zu gewährleisten und vermeidbare Ausfälle der Giessmaschine zu verhindern, müssen die Stahlhersteller für eine in regelmässigen Abständen erfolgende Wartung der Kokille und insbesondere der Auskleidungsplatten sorgen, die beim Giessen verschleiss- und rissempfindlich sind. Die Anmelderin AG Industries, Inc. ist ein führender Anbieter von Kokillenwartungsdiensten in den Vereinigten Staaten von Amerika.
Um die den Stahl berührende Aussenfläche der Auskleidungsplatte aufzuarbeiten und vorzubereiten, wird sie typischerweise maschinell abgearbeitet und dann glattgeschliffen oder -geschwabbelt. Auch wird die Aussenfläche zuweilen mit einer Schicht eines Werkstoff wie Nickel- oder Chromlegierung versehen, um zusätzlichen Schutz vor der extremen Hitze, die vom Giessling auf das Kupfer übergeht, sowie vor dem Korrosionseffekt der Flussmittel zu erzeugen, die beim Giessen eingesetzt werden. Eine Verchromung ist im mikroskopischen Massstab sehr porös und tendiert dazu, infolge der Korrosion im Einsatz ihre Eigenschaften zu verlieren und sich vom Kupfer zu lösen, und dies insbesondere im Meniskusbereich der Kokillenauskleidung. Eine Vernickelung ist korrosionsbeständiger, aber bei den hohen Temperaturen, denen die Kokillenwände im Betrieb ausgesetzt sind, rissempfindlich. Auch eine dünne Vernickelung tendiert im Meniskusbereich der Auskleidung, wo die Hitze am höchsten ist, zur Rissbildung. Diese Risse pflanzen sich über die Grenzfläche der Auflage in den darunterliegenden Kupferwerkstoff der Auskleidungsplatte hinein fort. Dadurch sinkt die Nutzungsdauer der Auskleidung, da beim Aufarbeiten das Kupfer zu einer Tiefe abgearbeitet werden muss, bei der alle Risse verschwinden. Darüberhinaus wirft die Rissbildung im Betrieb ein Sicherheitsproblem auf. Pflanzt ein Riss sich durch die Auskleidung bis in einen Kühlmittelkanal hinein fort, kann Wasser aus diesem in die Berührung mit der Schmelze aussickern und eine Katastrophe auslösen. Wie einzusehen ist, gibt es wichtige Gründe, aus denen eine Rissbildung in der Kokillenauskleidung und/oder in der Beschichtung auf dieser verhindert werden sollte. Die Industrie war bisher außerstande, die Bildung solcher Risse im Schnellbetrieb der Kokille zu unterdrücken. Sie sind für Kokillenbetreiber und Firmen, die Kokillen aufarbeiten und warten, nach wie vor ein Problem.
Es ist bekannt, die Kokillenwände durch Kugelstrahlen zu behandeln. Die DE-A-42 08 466 beschreibt die Bildung der gebogenen langen Stirnseite der Kokille zum Strangformen von Stahl aus Kupferblech. Dies erfolgt durch Kugelstrahlen. Das Kugelstrahlen hat offenbar den Zweck, das Blech in die gewünschte Form zu bringen. Die EP-A-0 498 296 beschreibt, dass die Oberfläche einer Kokillenwand durch Kugelstrahlen bearbeitet wird, nachdem sie gestreckt worden ist, um eine gebogene Form zu erzeugen. Das Kugelstrahlen wird als ein Verfahren zum Kaltverfestigen der Oberfläche beschrieben. Die US-A-4,911,225 beschreibt eine Kokillenwand mit einem aus Kupfer bestehenden Substrat, das mit einer Verstärkungsschicht aus Nickel oder Kobalt mit Verstärkungsfäden beschichtet ist. Zu Gleitzwecken ist eine obere Beschichtung aus Chrom vorgesehen. Die in diesem Patent beschriebene Verbesserung besteht darin, das Substrat elektrolytisch aufzubringen, gleichzeitig Verstärkungsfasern einzugliedern und die Nickel/Kobaltschicht elektrozuformen, sodass ein Gleitmittel enthalten ist. Die DE-A-26 34 633 beschreibt eine Kokille, wobei eine Nickelschicht mit Siliziumkarbidteilchen auf die Oberfläche aufgebracht wird, um für die Innenseite der Kokille eine strapazierfähige Oberfläche zu bilden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Kokillenauskleidung für eine Stranggiessmaschine und/oder eine auf eine Aussenfläche einer solchen Auskleidung aufzubringende Beschichtung anzugeben, die im Betrieb gegen Rissbildung beständiger ist.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer rissbeständigen Kokillenoberfläche der oben bezeichneten Art anzugeben.
Um diese und andere Ziele der Erfindung zu erreichen, weist eine Kokillenauskleidung für eine Stranggiessmaschine – nach einem ersten Aspekt der Erfindung – eine Innenwandfläche, die zur Verbindung mit Konstruktionselementen zum Ableiten von Wärme von der Auskleidung im Betrieb aufgebaut und angeordnet ist, sowie eine Außenfläche auf, die eine Formgebungsfläche der Kokille bildet, wobei die Außenfläche im wesentlichen über die gesamte Oberfläche eine Schicht aus einem unter Druckspannung stehenden Material umfaßt, so daß keine Wahrscheinlichkeit einer Rißbildung und -fortpflanzung an der Außenfläche besteht, sowie eine Beschichtung aus einem rostbeständigen Material, die auf die Schicht aus dem unter Druckspannung stehenden Material aufgebracht ist, wobei die Beschichtung ebenfalls unter Druckspannung steht. Daher zeigt die Kokillenauskleidung gegenüber bekannten Lösungen eine verlängerte Nutzungsdauer und erhöhte Sicherheit.
Nach einem Verfahren zum Vorbereiten einer Kokillenoberfläche für den Einsatz in einer Stranggiessmaschine wird nach einem zweiten Aspekt der Erfindung die Kokillenoberfläche im wesentlichen glatt abgearbeitet und die abgearbeitete Oberfläche dann im wesentlichen durchgehend kaltverfestigt, um ihr eine Druckrestspannung zu erteilen. Danach wird auf die Formoberfläche eine Beschichtung aus einem Metall aufgebracht, das Nickel oder Chrom ist, und die Metallbeschichtung wird nach dem Auftragen kaltverfestigt, so daß sowohl die Beschichtung als auch der darunterliegende Werkstoff kaltverfestigt ist.
Diese sowie verschiedene andere Vorteile und neuartigen Besonderheiten, die die Erfindung kennzeichnen, sind in den beigefügten Ansprüchen ausgeführt, die Teil der Anmeldung sind. Zum besseren Verständnis der Erfindung, ihrer Vorteile und der durch ihren Einsatz erreichten Ziele sei auf die Zeichnungen, die ebenfalls Teil der Anmeldung sind, sowie auf die beigefügte Beschreibung verwiesen, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellt und erläutert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schaubildliche Darstellung eines Schnitts durch eine Stranggiesskokille, die nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aufgebaut ist;
2 ist eine schaubildliche Schnittdarstellung durch einen Teil der in 1 gezeigten Kokille;
3 ist ein der 2 entsprechender schaubildlicher Schnitt durch eine Kokille;
4 ist ein schaubildlicher Schnitt entsprechend den 2 und 3 und zeigt eine Kokille nach einer Ausführungsform der Erfindung;
5 zeigt als Graph die Druck-/Zugspannungen in einem kugelgestrahlten Metallwerkstoff; und
6A–6E zeigen schaubildlich ein Verfahren nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM(EN)
Wie nun die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnen, und insbesondere deren 1 darstellen, weist eine Kokillenanordnung 10 für eine Stranggiessmaschine typischerweise eine Vielzahl von Auskleidungsplatten 12 auf, von denen hier vier gezeigt sind und die jeweils eine Aussenfläche 14 aufweisen, die gemeinsam die Formgebungs- bzw. Giessfläche 16 der Kokille bilden. Jede der Auskleidungsplatten 12 hat weiterhin eine Innenfläche 18, mit der sie auf eine Außenwand 20 der Stranggiesskokille 10 aufgesetzt ist, um im Betrieb Wärme von der Auskleidungsplatte 12 abzuleiten. Um diese Wärmeabfuhr von der Schmelze bzw. dem Strang im Betrieb weiter zu unterstützen, sind in jeder Auskleidungsplatte 12 innen Kühlmittelkanäle 22 ausgebildet, denen ein Kühlmittel – üblicherweise Wasser – aus einer Speiseleitung 24 (vergl. ebenfalls die 1) zugeführt wird.
Eine besonders vorteilhafte Besonderheit der Erfindung ist, daß die Aussenfläche 14 der Auskleidungsplatte 12 im wesentlichen durchgehend unter Druckspannung steht, so daß keine Wahrscheinlichkeit einer Rissbildung oder -fortpflanzung in der Aussenfläche 14 besteht. Wie die 2 zeigt, weist die Aussenfläche 14 eine Schicht 26 eines solchen auf Druck gespannten Werkstoffs auf. Gewöhnlich ist eine Auskleidungsplatte 12 aus einem wärmeleitfähigen Werkstoff – meistens Kupfer oder eine Kupferlegierung – gefertigt, das mit einem korrosionsfesten Werkstoff wie Nickel oder Chrom, deren Legierungen oder mit einem anderen Werkstoff wie Diamant oder einem Feuerfestmaterial beschichtet sein kann. Bei einer Auskleidungsplatte 32 ist eine solche Beschichtung 30 auf die Schicht 26 aus druckgespanntem Werkstoff aufgebracht. Bei einer Ausführungsform der Erfindung (vergl. 4) ist die Beschichtung 30 wiederum auf die Schicht 26 aus druckgespannten Material aufgebracht und die Aussenlage der Schicht 30 selbst ist ebenfalls unter Druckspannung gesetzt, um die Bildung von Rissen in der Beschichtung 30 selbst oder dann, wenn sie dennoch auftreten, ihre Ausbreitung zu unterdrücken.
Der in 2 gezeigten Schicht 26 und der in 4 gezeigten Schicht 36 jeweils aus druckgespanntem Werkstoff wird die Druckrestspannung vorzugsweise durch eine Kaltverfestigungsbehandlung erteilt, bei der es vorzugsweise um ein kontrolliertes Kugelstrahlen handelt, der die Aussenfläche 14 der Auskleidungsplatte 34 bzw. die Aussenfläche der Schicht 30 unterzogen wird. Die 5 zeigt als Graph die Druckspannung, die in einer Oberfläche infolge der Kugelstrahlbehandlung entsteht – bspw. an der Aussenfläche 14 der Auskleidungsplatte 12. Wie ersichtlich, erzeugt das Kugelstrahlen unmittelbar unter der Oberfläche eine Druckrestspannung signifikanter Höhe, die mit zunehmender Tiefe unter der Oberfläche abnimmt und schließlich in eine Zugspannung übergeht.
Das Kugelstrahlen ist ein Kaltverfestigungsprozess, bei dem die Oberfläche eines Werkstücks mit kleinen Kugeln, dem Schrot, beschossen wird. Jede Schrotkugel, die auf das Material aufschlägt, wirkt wie ein winziger Kugelhammer und läßt in ihm ein Grübchen zurück. Damit das Grübchen entstehen kann, müssen die Oberflächenfasern des Werkstoffs auf Zug nachgeben. Unter der Oberfläche wollen die Fasern diese zu ihrer ursprünglichen Gestalt zurückführen, so daß unter dem Grübchen ein halbkugelförmiger Bereich aus kaltverfestigtem Werkstoff entsteht, der unter hoher Druckspannung steht. Überlappende Grübchen führen zu einer gleichmäßigen Werkstofflage, in der eine Druckrestspannung herrscht. Aus anderen Industriezweigen (bspw. dem Luftfahrzeugbau) ist bekannt, dass sich Risse in einer kugelgestrahlten Zone weder bilden noch fortpflanzen. Soweit dem Erfinder bekannt, ist diese Technik jedoch nie auf die Herstellung bzw. Aufbereitung von Teilen von Stranggiesskokillen angewandt worden.
Unter Bezug auf die 6A bis 6E soll nun ein Verfahren zum Aufbereiten einer Formgebungsfläche einer Stranggiesskokille diskutiert werden. Nach längerem Einsatz finden sich in dieser Formgebungsfläche typischerweise Risse 38 bzw. Fehlerstellen. Die Fläche muss auf eine Tiefe abgearbeitet werden, die ausreicht, um diese Risse und Fehlerstellen zu beseitigen und eine verhältnismäßig glatte frische Kupferfläche 40 freizulegen; vergl. 6B. In der in bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nach 6C wird diese Oberfläche 40 eines Körpers 28 dann durch Beschuss mit kleinen kugelförmigen Teilchen mit kontrollierter Geschwindigkeit kaltverfestigt, wie oben anhand der Kugelstrahlbehandlung beschrieben; dabei entsteht die in 6C gezeigte und oben diskutierte druckgespannte Schicht 26. Einige Kokillen können an diesem Punkt geschwabbelt und poliert werden, um die Aussenfläche der druckgespannten Schicht 26 zu glätten, und lassen sich dann der Verwendung zuführen. Andere Kokillen, für die eine zusätzliche Beschichtung erwünscht ist, werden mit einer Schicht 30 eines Werkstoffs wie Nickel oder Chrom oder einem nichtmetallischen Werkstoff wie einem Feuerfeststoff oder Diamant versehen. In einigen Kokillen wird dieses Material poliert und die Kokille dann wieder eingesetzt. Bei anderen Kokillen, wo die Beschichtung 30 metallisch ist, kann es wünschenswert sein, erneut kugelzustrahlen, um auf der Aussenfläche der Metallschicht 30 eine kaltverfestigte druckgespannte Lage auszubilden, wie in 6E gezeigt. Wie oben diskutiert, wirkt diese weitere Schicht 36 aus druckgespanntem Werkstoff als zusätzliche Sperre gegen die Ausbildung und Fortpflanzung von Rissen, die ansonsten in der Metallschicht 30 entstehen könnten.
Es wurden in der vorgehenden Beschreibung zusammen mit dem Aufbau und der Funktion der Erfindung zahlreiche Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung dargelegt. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß diese Offenbarung nur beispielhaft gelten soll. Vielmehr lassen sich an Einzelheiten – insbesondere an der Gestalt, Größe und Anordnung von einzelnen Elementen – innerhalb der Prinzipien der Erfindung Änderungen durchführen, ohne die allgemeine breite Bedeutung der Begriffe zu verlassen, mit denen die beigefügten Ansprüche ausgedrückt sind.

Claims

Kokillenauskleidung (12) für eine Stranggießmaschine mit: einer Innenfläche (18), die zur Verbindung mit Konstruktionselementen (20) zum Ableiten von Wärme von der Auskleidung (12) im Betrieb aufgebaut und angeordnet ist, und einer Außenfläche (14), die eine Formgebungsfläche der Kokille bildet, wobei die Außenfläche (14) über die gesamte Oberfläche eine Schicht aus einem unter Druckspannung stehenden Material umfaßt, so daß keine Wahrscheinlichkeit einer Rißbildung und -fortpflanzung an der Außenfläche besteht, sowie eine Beschichtung (30) aus einem korrosionsfesten Material, die auf die Schicht aus dem unter Druckspannung stehenden Material aufgebracht ist, wobei die Beschichtung ebenfalls unter Druckspannung steht.
Kokillenauskleidung nach Anspruch 1, bei der die Schicht einen kupferhaltigen Werkstoff aufweist.
Kokillenauskleidung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Beschichtung Nickel aufweist.
Kokillenauskleidung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Beschichtung Chrom aufweist.
Kokillenauskleidung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der die Schicht durch Kaltverfestigung auf Druck gespannt ist.
Kokillenauskleidung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Beschichtung durch Kaltverfestigung auf Druck gespannt ist.
Kokillenauskleidung nach Anspruch 5 oder 6, bei der das Kaltverfestigen durch kontrolliertes Kugelstrahlen erfolgt.
Kokille für eine Stranggießmaschine mit einer Vielzahl von Kokillenauskleidungen, die einen Kanal zum Führen und Kühlen eines Schmelzstranges bilden, während dieser sich verfestigt und als Gießling aus der Kokille austritt, wobei die Kokillenauskleidungen jeweils gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet sind.
Verfahren zum Vorbereiten einer Formoberfläche zum Einsatz in eine Stranggießmaschine, indem man: (a) die Formoberfläche (40) glatt abarbeitet, (b) die abgearbeitete Oberfläche (40) kaltverfestigt, um ihr eine Druckrestspannung (26) zu erteilen, (c) auf die Formoberfläche eine Beschichtung (30) aus einem Metall aufbringt, das aus der aus Nickel und Chrom bestehenden Werkstoffgruppe gewählt ist, und (d) die Metallbeschichtung nach dem Auftragen kaltverfestigt, so daß sowohl die Beschichtung als auch der darunterliegende Werkstoff kaltverfestigt sind.
Verfahren nach Anspruch 9, bei der die Oberfläche über die gesamte Ausdehnung in Schritt (b) kaltverfestigt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem der Schritt (b) durch kontrolliertes Kugelstrahlen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9, 10 oder 11, bei dem der Schritt (d) durch kontrolliertes Kugelstrahlen erfolgt.