DE19903929A1 - Kokillenplatte einer Kokille mit trichterförmigem Eingießbereich zum Stranggießen von Metall - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kokillenplatte einer Kokille zum Stranggießen von Metall mit einem trichterförmig in Gießrichtung zum Format des gegossenen Stranges verjüngten Eingießbereich und einer mit Schlitzen versehenen Rückwand, in denen ein flüssiges Kühlmedium strömt. Zum Zwecke der Verringerung der Verformung der dem Strang zugewandten Arbeitsoberfläche und der Vermeidung von Rissen auf dieser Oberfläche weisen auf wenigstens einem Höhenabschnitt der Kokillenplatte die Schlitze (7) in ihrem Verlauf nicht mehr als 30 Grad von der Horizontalen ab.

Description

Die Erfindung betrifft die Ausgestaltung einer Kokillenplatte einer Kokille zum Stranggießen von Metall mit einem trichterförmig in Gießrichtung zum Format des gegossenen Stranges verjüngten Eingießbereich und einer mit Schlitzen versehe­ nen Rückwand, in denen ein flüssiges Kühlmedium strömt.

Aufgabe der Kokille ist es, den Strang zu formen und der Schmelze die für das Schalenwachstum erforderliche Wärme zu entziehen. Am Kokillenaustritt muß die Schale so dick sein, daß sie den thermischen und mechanischen Belastungen widerstehen kann und der Strang mit Sicherheit nicht aufreißt.

Die Wärme wird in der Kokille vom Stahl an das Kühlwasser abgeleitet, welches in gebohrten Kanälen strömt oder in Schlitzen, welche in die Rückwand der Platten eingefräst sind und mit der Oberfläche des Wasserkastens rechteckige Kanäle bilden.

Entsprechend dem Stand der Technik verlaufen die Kühlkanäle bzw. Schlitze senkrecht, d. h. in Gießrichtung, um eine möglichst gleichmäßige Wärmeabfuhr über die Plattenbreite zu erzielen. Die Anordnung der Bohrungen bzw. Schlitze und die Festlegung deren Abmessungen erfolgt so, daß über die Plattenoberflä­ che eine möglichst gleichmäßige Wärmeabfuhr gewährleistet ist.

Bei der Auslegung einer Kokillenplatte wird außerdem die Anordnung der Gewinde bzw. Gewindeeinsätze für die Schrauben berücksichtigt, mit denen die Platte am Wasserkasten befestigt ist. Die Anzahl der Befestigungspunkte muß ausreichend groß sein, damit sich die Platte aufgrund der thermischen Belastung während des Gießvorganges nicht über ein tolerierbares Maß verformt.

Platten mit senkrecht verlaufenden Schlitzen haben sich für das Vergießen von Brammen allgemein durchgesetzt.

Gebohrte Platten sind in der Fertigung vergleichsweise teuer und werden deshalb nur dort bevorzugt eingesetzt, wo es auf geringe Verformung des Kokillenhohl­ raumes ankommt, wie z. B. beim Stranggießen von Vorblöcken.

Trotz der großen thermischen Belastung beim Kontakt mit der Stahlschmelze ist es bei richtiger konstruktiver Auslegung und Wahl des Werkstoffes ohne weiteres möglich, die Bildung von Rissen auf der Arbeitsoberfläche der Kokillenplatten aus­ zuschließen. Dennoch führt der Gebrauch der Platten im Laufe der Zeit zu Schä­ digungen der Arbeitsoberfläche wie mechanischem Verschleiß, Kratzern, die z. B. beim Ein- und Ausfahren des Kaltstranges und bei der Schmalseitenverstellung während des Gießvorganges entstehen, und lokalen Verformungen, welche zur Bildung eines Spaltes mit den Schmalseiten führen.

Die Lebensdauer einer Kokillenplatte hängt im wesentlichen von der Häufigkeit, Lage und Tiefe der genannten Schädigungen ab und der Anzahl der möglichen Nachbearbeitungen, bei denen jeweils eine Schicht von der Arbeitsoberfläche me­ chanisch abgetragen wird.

Die Idee des trichterförmigen Eingießbereiches ist auf die Bestrebung zurückzu­ führen, einen möglichst dünnen Strang zu vergießen, welcher nach dem Verlas­ sen der Gießmaschine in Brammen zerteilt und über einen Ofen direkt dem Walz­ prozeß zugeführt werden kann.

Die Abmessungen des Eingießbereiches werden im wesentlichen durch den Querschnitt des zu vergießenden Stranges, die Abmessungen des Gießrohres und dessen Eintauchtiefe in die Schmelze bestimmt.

Beim Betreiben mehrerer Stranggießanlagen mit gebohrten und geschlitzten Ko­ killenplatten aus unterschiedlichen Kupferlegierungen, welche einen trichterförmi­ gen Eingießbereich mit unterschiedlichen Abmessungen bilden, wurde festgestellt, daß nach einer vergleichsweise geringen Anzahl von wenigen hundert Güssen in Höhe des Badspiegels Risse in den Kokillenplatten entstehen. Bei durchschnitt­ lich 3-4 Nachbearbeitungen ergibt sich deshalb im Vergleich zu Kokillenplatten mit ebenen Arbeitsoberflächen eine um ein Vielfaches geringere Gesamtlebens­ dauer von etwa 1000 Schmelzen.

Diese Risse sind das Ergebnis der Ermüdung des Kokillenwerkstoffs infolge der plastischen Wechseldehnung. Messungen mit Thermoelementen in den Kokillen­ platten und statistische Auswertungen zum Rißbefall haben gezeigt, daß sich die Risse immer im Übergangsbereich Trichter-Parallelteil befinden und nicht durch eine überdurchschnittliche lokale thermische Belastung verursacht werden.

Die Verteilung der Spannungen und Dehnungen über die Breite einer Kokillen­ platte, egal ob mit ebenen oder gewölbten Arbeitswänden, wird neben dem Quer­ schnitt von der Anzahl der Festhaltepunkte, deren Lage und der Federkonstante der Festhalteschrauben bestimmt. Je geringer die Anzahl der Festhaltepunkte, um so ungleichmäßiger verteilen sich die Spannungen und Dehnungen über die Kokillenplatte. Sie konzentrieren sich, je nach Anordnung der Festhaltepunkte, zunehmend im Bereich einer der äußeren Reihen der Festhaltepunkte auf jeder Seite. Grundvoraussetzung für eine gleichmäßige Verteilung der Spannungen und Dehnungen über die Breite einer Kokillenplatte im Hinblick auf die Rißvermeidung ist deshalb eine ausreichend große Anzahl der Festhaltepunkte.

Durch weitergehende Untersuchungen und mit Hilfe der Berechnung von Span­ nungen und Dehnungen wurde festgestellt, daß Entstehung der Risse in den Ko­ killenplatten durch zusätzliche Dehnungen im Übergangsbereich Trichter- Parallelteil begünstigt wird, welche auf das Vorhandensein der für die Bildung des trichterförmigen Eingießbereiches dienenden Wölbung zurückzuführen sind.

Der Mechanismus der Entstehung dieser zusätzlichen Dehnungen kann anhand des in Fig. 1 schematisch dargestellten halben Querschnitts des oberen Bereiches einer gebohrten Kokillenplatte 1 verständlich gemacht werden. Die Kokillenplatte ist mit den Festhalteschrauben S₁, S₂, S₃, S₄, S₅ und S₅ am Wasserkasten 2 befe­ stigt. Die Breite des Stranges wird durch die Position der Schmalseite 3 bestimmt. Die Lage der Kühlbohrungen wird durch die Arbeitsdicke d₁ d. h. den Abstand zur Arbeitsoberfläche, und die Entfernung d2 zur Rückwand bestimmt.

Die Erwärmung der Kokillenplatte 1 durch den Wärmestrom , z. B. während der Angießphase oder infolge der Verschiebung des Badspiegels, führt infolge der Ausdehnung des Plattenwerkstoffes zu einer Längenänderung in Richtung zu den Schmalseiten 3 hin, die im Falle einer ebenen Arbeitsoberfläche nicht behindert wird und demzufolge keine zusätzlichen Spannungen oder Dehnungen in der Platte verursacht. Bei einer Kokille mit trichterförmigem Eingießbereich mit der Breite B dagegen wird die Arbeitsoberfläche der Platte zusätzlich gestaucht, weil sich dieser Bereich aufgrund der Befestigung der Platte mit den Festhalteschrau­ ben S₁, S₂, S₃, S₄, S₅ und S₆ an den Festhaltepunkten mit der Lage X₁, X₂, X₃, X₄, X₅ und X₆ nicht frei ausdehnen kann. Bei der Abkühlung der Platte, z. B. nach Be­ endigung des Gießvorganges, findet aufgrund der Schrumpfung eine entgegenge­ setzte Längenänderung statt, und der zuvor gestauchte Bereich der Arbeitsober­ fläche wird zusätzlich gedehnt.

Die Verteilung dieser zusätzlichen Wechseldehnung über die Plattenbreite wird maßgeblich von der Kontur des gewölbten Bereiches, welche im vorliegenden Fall durch die Radien R₁ und R₂ sowie die Trichteröffnung T vorgegeben wird, der La­ ge X₁ X₂, X₃, X₄, X₅ und X₆ der Festhalteschrauben S₁, S₂, S₅, S₄, S₅ und S₆ in Bezug auf den Verlauf dieser Kontur und von der elastischen Nachgiebigkeit der Festhalteschrauben S₁, S₂, S3_, S₄, S₅ und S₆ bestimmt.

Die Intensität dieser zusätzlichen Wechseldehnung bestimmen neben der thermi­ schen Belastung der Kokillenplatte durch den Wärmestrom und den Materialei­ genschaften des Plattenwerkstoffs zusätzlich folgende Parameter: die Arbeitsdicke d₁ zwischen der Arbeitsoberfläche und den Kühlbohrungen, die Plattendicke d₂ zwischen den Kühlkanälen und der Rückseite und die Breite B des gewölbten Be­ reiches.

Berechnungen für in der Gießpraxis eingesetzte gebohrte und geschlitzte Kokil­ lenplatten von Kokillen mit trichterförmigem Eingießbereich zeigen, daß die zu­ sätzlichen Wechseldehnungen zusammen mit den Dehnungen, die aus der allge­ meinen thermischen Belastung resultieren, einen Wert erreichen, der zu einer sehr schnellen Ermüdung des Plattenwerkstoffs infolge der plastischen Wechselver­ formung führt.

Will man die Belastung von gewölbten Kokillenplatten durch konstruktive Maß­ nahmen auf ein unkritisches Maß hinsichtlich der Rißanfälligkeit reduzieren, so ist es erforderlich, die Steifigkeit des Plattenquerschnitts zu vergrößern, im einfach­ sten Falle durch die Erhöhung der Dicke zwischen den Kühlkanälen und der Rückwand der Kokillenplatte von d₂ auf ein erforderliches Maß.

Da hinter den Kühlkanälen kein Temperaturgradient vorhanden ist, führt die Erhö­ hung der Plattensteifigkeit durch Vergrößerung der Plattendicke zwischen Rück­ wand und Kühlkanälen bei ein und derselben thermischen Belastung zu einer gleichmäßigeren Verteilung der Spannungen und Dehnungen über die Platten­ breite.

Die Ausdehnung der Kokillenplatte in horizontaler Richtung, welche die Entste­ hung von Rissen auf der Arbeitsoberfläche begünstigt, wird verringert, weil sich die Platte hinter den Kühlbohrungen im Vergleich zum Bereich zwischen der Ar­ beitsoberfläche und den Kühlbohrungen nicht so stark erwärmt und die über den Kokillenquerschnitt gemittelte Temperatur insgesamt niedriger ausfällt.

In diesem Sinne erfüllt eine gebohrte Platte mit ausreichend großer Dicke d₂ zwi­ schen den Kühlbohrungen und der Rückseite, welche mit einer erforderlich großen Anzahl von Festhalteschrauben S₁, S₂, S₃, ---, S_n am Wasserkasten befestigt ist, die konstruktiven Voraussetzungen, bei denen die Arbeitsoberfläche bis zu einer bestimmten thermischen Belastung _max rißfrei bleibt und bei Überschreitung die­ ser thermischen Belastung gleichmäßig über die Plattenbreite verteilte Risse auf­ weist.

Der Nachteil solcher gebohrten Platten besteht darin, daß ihre Fertigung im Ver­ gleich zu geschlitzten Platten sehr teuer ist.

Deshalb liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine weitere Ausgestaltung einer Kokillenplatte einer Kokille mit trichterförmigem Eingießbereich anzugeben, welche auf der Rückseite wassergekühlte Schlitze aufweist und auf der Arbeits­ oberfläche bis zu einer bestimmten thermischen Belastung qmax rißfrei bleibt und bei Überschreitung dieser thermischen Belastung gleichmäßig über die Platten­ breite verteilte Risse aufweist, so daß eine mit Kokillenplatten mit ebenen Wänden vergleichbare Lebensdauer erreicht wird.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß zur Vermeidung der Rißbildung auf der Arbeitsoberfläche bei einer vorgegebenen Arbeitsdicke der Querschnitt der Kokillenplatte möglichst groß sein muß, weil die damit verbundene größere Stei­ figkeit und geringere horizontale Ausdehnung der Platte zu einer gleichmäßigeren Verteilung der Spannungen und Dehnungen über die Breite dieser Platte führt. Die Lösung der Aufgabe gelingt mit der Erfindung dadurch, daß auf mindestens einem Höhenabschnitt des gewölbten Bereiches der Kokillenplatte die Schlitze auf der Rückseite, in denen das Kühlwasser fließt, so verlaufen, daß deren Neigung in ihrem Verlauf nicht mehr als 30 Grad von der Horizontalen abweicht.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachste­ henden Erläuterungen und Darstellungen. Es zeigen:

Fig. 1 den schematisch dargestellten halben Querschnitt des oberen Berei­ ches einer gebohrten Kokillenplatte,

Fig. 2 die Ansicht a.) von oben und die Ansicht b.) der Rückseite einer ge­ schlitzten Kokillenplatte einer Kokille mit trichterförmigem Eingießbe­ reich gemäß der Erfindung,

Fig. 3 den Querschnitt C-C der in Fig. 2b dargestellten Kokillenplatte mit Füllstücken und Bohrungen für die Festhalteschrauben.

Fig. 1 zeigt die zuvor auf Seite 4 und folgende beschriebene gebohrte Kokillen­ platte 1. Gemäß Fig. 2 weist eine Kokillenplatte 4 einer Stranggießkokille mit trichterförmigem Eingießbereich weist gemäß Fig. 2 einen an der Kokillenober­ kante 6 beginnenden gewölbten Eingießbereich 5 auf, der zu den Schmalseiten 3 und in Gießrichtung auf das Format des gegossenen Stranges reduziert ist.

Die Schlitze 7 verlaufen in mindestens einem Höhenabschnitt der Kokillenplatte 4 auf der Rückseite, in denen das Kühlwasser fließt, so, daß sie in ihrem Verlauf nicht mehr als 30 Grad von der Waagerechten abweichen.

Eine vorzugsmäßige Ausgestaltung sieht vor, daß die Schlitze über die Platten­ breite durchgehend waagerecht verlaufen, wie in Fig. 2 dargestellt ist.

Die Tiefe und/oder die Breite der Schlitze 7 und der Abstand zwischen ihnen kann über die Höhe und/oder die Breite der Kokillenplatte sowohl veränderlich als auch unveränderlich sein.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, daß zur Erhöhung der Strömungsgeschwin­ digkeit und zur Verringerung des Kühlwasserdurchsatzes Füllstücke 9 aus einem beliebigen Material in die Schlitze 7 eingesetzt sind.

Die Füllstücke 9 können entlang der Schlitze 7 in geeigneter Weise mit den Ste­ gen, welche diese Schlitze abgrenzen, verbunden werden, um die Steifigkeit des Plattenquerschnitts zusätzlich zu erhöhen. Dadurch kann die für die nötige Stei­ figkeit des Kokillenquerschnitts erforderliche Dicke der Platte verringert werden, und die Abmessungen der Kokille können dementsprechend verkleinert werden. Ein weiterer Vorteil ist die Verringerung der Materialkosten, wenn man den ver­ gleichsweise hohen Preis des Kokillenwerkstoffs, bei dem es sich üblicherweise um eine Kupferlegierung handelt, dem der Füllstücke, welche aus Stahl gefertigt sein können, gegenüberstellt.

Wesentlich ist die Möglichkeit der getrennten Zufuhr des Kühlmediums für ver­ schiedene Höhenbereiche. Durch gezielte Beeinflussung des Wärmeübergangs in der Kokille auf verschiedenen Höhenabschnitten kann auf diese Weise die Quali­ tät des vergossenen Stranges verbessert werden.

Entsprechend der Erfindung kann das Kühlmedium an einer Seite der Kokillen­ platte zugeführt und an der anderen abgeführt werden. Vorteilhaft ist es, das Kühlmedium an beiden Seiten zuzuführen und in der Mitte abzuführen oder in der Mitte zuzuführen und an den beiden Seiten abzuführen. Da in diesem Fall der Anstieg der Temperatur des Kühlmediums beim Durchströmen der Kühlschlitze halbiert wird, verringert sich dementsprechend die Ungleichmäßigkeit des Wärme­ übergangs über die Plattenbreite.

Auch ist es möglich, daß das Kühlmedium in verschiedenen Schlitzen in entge­ gengesetzter Richtung strömt. Auf diese Weise wird die Ungleichmäßigkeit des Wärmeübergangs über die Plattenbreite, welche auf den Anstieg der Temperatur des Kühlmediums beim Durchströmen der Kühlschlitze zurückzuführen ist, zusätz­ lich verringert.

Claims (11)

1. Kokillenplatte einer Kokille zum Stranggießen von Metall mit einem trichter­ förmig in Gießrichtung zum Format des gegossenen Stranges verjüngten Eingießbereich und einer mit Schlitzen versehenen Rückwand, in denen ein flüssiges Kühlmedium strömt, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke der Verringerung der Verformung der dem Strang zuge­ wandten Arbeitsoberfläche und der Vermeidung von Rissen auf dieser Ober­ fläche auf wenigstens einem Höhenabschnitt der Kokillenplatte die Schlitze (7) in ihrem Verlauf nicht mehr als 30 Grad von der Horizontalen abweichen.

2. Kokillenplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schütze (7) über die gesamte Plattenbreite horizontal verlaufen.

3. Kokille nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe und/oder die Breite der Schlitze (7) und der Stege zwischen den Schlitzen (7) über die Höhe und/oder die Breite der Kokillenplatte (4) sowohl veränderlich als auch unveränderlich sein kann.

4. Kokille nach Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen Kühlmedi­ ums in die Schlitze (7) Füllstücke (9) aus einem beliebigen Material einge­ setzt sind.

5. Kokille nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Steifigkeit des Plattenquerschnitts die Füllstücke (9) entlang der Schlitze (7) in geeigneter Weise mit den Stegen, welche die Schlitze abgrenzen, verbunden sind.

6. Kokille nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung des Kühlmediums für mindestens zwei Höhenbereiche getrennt angeordnet ist.

7. Kokille nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung für das flüssige Kühlmedium an einer Seite der Kokillen­ platte (4) und die Abführung an der anderen Seite angeordnet ist.

8. Kokille nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung für das flüssige Kühlmedium an den Seiten der Kokillen­ platte (4) und die Abführung in der Mitte angeordnet ist.

9. Kokille nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung für das flüssige Kühlmedium in der Mitte der Kokillenplatte (4) und die Abführung an den Seiten angeordnet ist.

10. Kokille nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsrichtung für das Kühlmedium in wenigstens zwei Schlitzen (7) entgegengesetzt gerichtet ist.

11. Kokille nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Temperatur der Kokillenplatte und/oder des Kühlme­ diums an einem oder mehreren Punkten Temperaturfühler angeordnet sind.