DE19933026A1

DE19933026A1 - Stranggießkokille

Info

Publication number: DE19933026A1
Application number: DE1999133026
Authority: DE
Inventors: Horst Grothe
Original assignee: SMS Demag AG
Current assignee: SMS Siemag AG
Priority date: 1999-07-15
Filing date: 1999-07-15
Publication date: 2001-01-18
Also published as: EP1068913A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine aus Kupferplatten zusammensetzbare Stranggiesskokille zum Gießen von Rohren, Blöcken, Brammen oder dergleichen, insbesondere zum Stranggiessen von Dünnbrammen aus Stahl, deren Platten insbesondere im Meniskusbereich mit einer Beschichtung oder mit einem Einsatz eines Sonderwerkstoffes, enthaltend unterschiedliche Metalle, Metalloxide oder Keramikwerkstoff ausgerüstet sind. Zur Aufnahme der Beschichtung (1) bzw. eines Einsatzes (2) sind Flächenbereiche der Kokillenplatten vorgesehen, die in Form einer Zwischenschicht (3) zwischen der Beschichtung und dem Kokillenplattenmaterial (4) mit wenigstens einer gerauhten Oberfläche (5) oder aus porösem Material ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine aus Kupferplatten zusammensetzbare Stranggießkokille zum Gießen von Rohren, Blöcken, Brammen oder dergleichen, insbesondere zum Stranggießen von Dünnbrammen aus Stahl, deren Platten insbesondere im Me niskusbereich mit einer Beschichtung oder mit einem Einsatz eines Sonderwerk stoffs enthaltend unterschiedliche Metalle, Metalloxide oder Keramikwerkstoff ausgebildet sind.

Stranggießkokillen bestimmen das Format bspw. einer im Entstehen begriffenen Bramme aus Flüssigstahl, und sorgen durch intensive Wärmeabfuhr für die an fängliche Bildung einer Strangschale. Im Meniskusbereich, dem Kontaktbereich des Flüssigstahls mit dem Kupfer, erfolgt ein äußerst starker Wärmeübergang mit Erhöhung der Kupferwandtemperatur, teilweise bis über die zulässige Festigkeits grenze des Kupfers.

Dies ergibt im Laufe der Betriebszeit zunehmende Schädigungen der Kupferplatte, wobei es in Abhängigkeit von der Wärmestromdichte auch zu Schädigungen der im Entstehen begriffenen Strangschale kommen kann.

Defekte Kupferplatten führen dann im Laufe des Gießbetriebes meistens zu Feh lern in der Ausbildung bzw. auf der Oberfläche des Stranges.

In der Vergangenheit wurden immer wieder Versuche unternommen, den Wär mestrom bzw. den innigen Kontakt des Flüssigstahls zu den Kupferplatten der Ko kille zu mindern. Bekannt sind "Hot-top"-Kokillen, das heißt solche, welche die Wärmestromdichte im Meniskusbereich und darunter reduzieren. Diese bewirken, daß die Strangschale langsamer und dadurch gleichmäßiger wächst.

Bekannt sind hierfür:

- Ni-Einsätze oder Ni-Beschichtungen,
- extrem dicke Kupferplatten,
- Nuten in der Oberfläche der Arbeitsseite der Kupferplatte,
- gestrahlte Arbeitsflächen der Kupferplatte.

Alle diese Varianten haben Nachteile und führen nicht zum gewünschten Resultat, nämlich die Platten von Kokillen gegenüber Schädigungen durch Verschleiß wirk sam zu schützen.

Das Dokument DE 04 92 264 B1 offenbart eine Kokille zum Stranggießen von Dünnbrammen, deren Breitseitenwände mit einer Reinkupferschicht von 1 bis 8 mm als Arbeitsbeschichtung, oder mit einer Reinkupferschicht von 0,2 bis 0,4 mm als Grundlage für eine auf dieser befindliche verschleißfeste Arbeitsbeschichtung versehen sind. Diese Arbeitsbeschichtung kann im wesentlichen aus Nickel oder aus Chrom oder aus Molybdän, bzw. auch aus Metallkeramik bestehen.

Die DE-OS 15 08 975 offenbart eine Metallgußform, insbesondere eine Durchlauf kokille für das Stranggießen von Stahl, die aus einem Hohlräume aufweisenden Körper aus einem Metall von hoher Festigkeit besteht, in dessen Hohlräume ein diese ausfüllendes anderes Metall hoher Wärmeleitfähigkeit eingebracht ist. Das in den Körper eingebrachte Metall kann einen wesentlich niedrigeren Siedepunkt als das für den Körper verwendete Metall haben und einen großen Temperaturbe reich zwischen Schmelz- und Siedepunkt aufweisen. Der aus hochfestem Metall bestehende Körper ist entweder skelettartig ausgebildet, oder er weist eine poröse Struktur auf. Der Körper kann aus Wolfram, Molybdän oder einem ähnlichen Me tall bestehen, in dessen Hohlräume Silber oder Kupfer eingebracht ist. Weiterhin können in den Hohlräume aufweisenden Körper Aluminium, Titan, Beryllium oder Silizium eingebracht sein.

Die DE 40 39 230 A1 beschreibt ein Verfahren zum Beschichten einer in einer Stranggießanlage eingesetzten Durchlaufkokille mit oberflächenhartem Material, insbesondere zum Beschichten einer Kokille für eine Brammen-Stranggießanlage, deren Konstruktionswerkstoff aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht. Die die Metallschmelze führenden Innenflächen der Kokille werden vom Eingießbe reich bis zum Austrittsbereich und gegebenenfalls quer dazu in Flächenbereichen bzw. in Flächensegmenten nach Maßgabe der schleißenden Beanspruchung und/oder nach Maßgabe der Wärmeleitfähigkeit und/oder nach Maßgabe des thermischen Ausdehnungskoeffizienten beschichtet. Als oberflächenhartes Mate rial kann Platin mittels Sprengplatieren aufgetragen werden. Es kann aber auch ein Metallkarbit, ein Metalloxid, ein Cermet oder eine Legierung aus diesen Mate rialien sein, wobei pulverisierte Materialpartikel mittels eines thermischen Spritz verfahrens, vorzugsweise mittels Detonationskanone in die Innenflächen der Ko kille eingeschossen werden oder mittels eines Plasmabrenners im Plasmastrahl auf die Innenflächen der Kokille geschleudert werden.

Die DE-OS 19 57 332 offenbart eine Stranggießkokille zum Gießen von Metall, insbesondere Stahl, bei der zumindest der den Badspiegelbereich umfassende Teil der den Formhohlraum bildenden Wände des Kokillengrundkörpers aus einem Einsatz eines Materials mit einer gegenüber dem Material des Kokillengrundkör pers geringeren Wärmeleitfähigkeit besteht. Der Einsatz kann formschlüssig in die den Formhohlraum bildenden Wände eingefügt sein. Er kann aber auch aus ei nem massiven Metallkörper hergestellt sein. Und schließlich kann der massive Metallkörper auch aus einem gesinterten Material bestehen. Weiterhin sind als Material für den Metallkörper Kupfer-Molybdän oder eine Kupfer-Chrom-Legierung oder eine Kupfer-Kobalt-Beryllium-Legierung vorgesehen.

Aus dem Dokument "HANDBOOK ON CONTINUOUS CASTING, Aluminium- Verlag, Seite 316, Kennziffern 1873 bis 1885 sind Auszüge aus Veröffentlichungen bzw. Patenten entnehmbar, welche im Stand der Technik bekannt gewordene Vorschläge zur Verbesserung der Standfähigkeit von Kokillenplatten enthalten.

Kennziffer 1873, Ascast offenbart eine Gießform für Stranggießen, bestehenden aus Graphit von geringer Dichte, mit einem Überzug einer dünnen Lage von Kup fer und Silber.

Referenzziffer 1875 beschreibt eine Kokille mit einem Metall-Spritzüberzug zur Ausbildung einer Formoberfläche einer dünnen Lage miteinander mit engen Zwi schenräumen verschweißter Partikel, welche bevorzugt aus dem gleichen Metall wie die Wände der Kokille bestehen, mit einer Dicke zwischen 0,13 und 1,00 mm.

Referenzziffer 1876 beschreibt eine Kokille mit einem Überzug einer Kobalt- Legierung, beispielsweise mit 50% Kobalt und 30% Chrom. Der Überzug wird elektrolytisch oder mittels Plasma-Spray auf die Kupferplatten aufgetragen. Das Material der Wände kann ebenfalls aus einer 50% Kobalt-Legierung bestehen.

Referenzziffer 1877 offenbart eine Kokille mit einem umlaufenden Metall-Einsatz mit einer Wärmeleitfähigkeit geringer als Kupfer, beispielsweise aus einer Kupfer- Chrom-Legierung.

Referenzziffer 1878 offenbart eine Metall-Gießkokille mit einer inneren Überzugs schicht mit geringerer Leitfähigkeit und Reibung als das Grundmaterial, wobei ein Abschnitt der Schicht zum Beispiel 50 mm oberhalb und 300 bis 500 mm unter halb vom Meniskus in Form eines Bandes rings umlaufend aus einer Vielzahl so wohl Metall- als auch Nichtmetall-Schichten aufgebaut ist. Durch diese Schicht wird der Wärmeentzug von der Oberfläche des Gießmaterials verringert.

Referenzziffer 1879 beschreibt eine Kokille mit verbesserter Wärmeleitfähigkeit, Wärmebelastung und Verschleißbeständigkeit, hergestellt durch eine innere Nic kel-Platierung und Aufheizen in oxidierender Atmosphäre unter Bildung einer Nic kel-Kuper-Deformationsschicht.

Referenzziffer 1880 beschreibt eine Kokille, enthaltend eine Schicht einer gehär teten Kupfer-Legierung mit mehr als 85% Kupfer und bis zu 3% eines Legie rungselementes mit Eignung zur Härtung, beispielsweise Chrom, Silizium, Silber, Beryllium, wobei die Wärmeleitfähigkeit der Legierung nicht geringer als die von Reinkupfer sein darf.

Referenzziffer 1881 beschreibt eine Kokille mit verbessertem Verschleißwider stand. Dieser wird erreicht durch einen elektrolytischen Überzug von Silber oder Chrom mit höchster Oberflächenglätte, oder durch einen Spray-Auftrag einer 0,2 bis 0,5 mm dicken Molybdän-Schicht mit leichter Glättung.

Referenzziffer 1882 beschreibt eine Kokille, hergestellt mit einer Metall-Keramik- Mischung, beispielsweise mit einer 85 bis 20 volumenprozentigen Metall-Phase aus Molybdän und Wolfram, und 15 bis 80 Volumen-Prozent einer Keramik-Phase aus Zirkonoxid, oder Calciumoxid, oder einer Mischung beider Oxide. Bis zu 50 Gewichtsprozent des Zirkonoxids können ersetzt sein durch Rhodium-Oxid, Hafni um-Oxid, oder Titanoxid, bzw. deren Mischungen. Die damit hergestellten Kokillen sollen eine extrem lange Verfügungsdauer haben.

Die Referenzziffer 1883 beschreibt eine Kokille mit einem Formteil eines Materials mit 15 bis 80 Volumen-Prozent fein verteilter, hoch schmelzender Oxid-Keramik- Phase und 85 bis 20 Volumen-Prozent Metall-Phase. Geeignete Materialien be stehen zum Beispiel aus Zirkonoxide als Keramik-Komponente und aus Molybdän oder Wolfram als Metallkomponente.

Referenzziffer 1884 beschreibt eine besonders abrasionsresistente Kokille beste hend am Einfüllende vollständig aus Keramik-Material wie Zirkonoxid, Talliumoxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid oder deren Mischungen. Die Keramik-Zone kann mindestens 3 mm dick sein.

Die Referenzziffer 1885 beschreibt eine Stranggießkokille bestehend aus einem Kupfer-Gußstück mit einer inneren Elektro-Ablagerung unter Verwendung einer Lösung von Kupfer-Zyanid.

Der vergleichsweise breite Stand der Technik umfaßt im wesentlichen die Ausbil dung der unmittelbar mit flüssiger Stahlschmelze im Kontakt befindlichen Kokillen flächen, die höchsten thermischen, metallurgischen und mechanischen Belastun gen ausgesetzt sind, mit resistenten Beschichtungen oder mit Einsätzen aus Son derwerkstoffen.

Ziel solcher Optimierungsversuche sind:

- Reduzierung der Wärmestromdichte für den Übergangsbereich Kokillen wand/Stahlschmelze.
- Erhöhung der Haltbarkeit der Kupferplatten und Vermeidung von Auswa schungen und Erosion von deren Oberflächen, die unweigerlich Schäden am Gießprodukt verursachen würden.
- Eine wesentliche Schwierigkeit ergibt sich hierbei zum Beispiel aus gravie renden Unterschieden der Wärmeleitfähigkeit der für die Schutzüberzüge verwendeten Metalle, die sich auch mit steigender Temperatur weiter ver schieben (siehe Tabellen I., II., III.).

Die schlechtere Wärmeleitfähigkeit von Nickel und Chrom gegenüber Kupfer führt zu einer höheren Erwärmung und somit zu größerem Volumenwachstum bei Nic kel und Chrom gegenüber Kupfer. Beispielsweise erhöht eine poröse Beschich tung auf der Arbeitsseite die Wärmestromdichte infolge Hohlraumbildung und er höht die Dehnfähigkeit der Schicht durch Volumenwachstum des Kupfers in die Hohlräume hinein.

Infolge dessen muß durch eine geeignete Kontaktfläche zwischen der metalli schen Kupferplatte und einer Beschichtung oder einem Einsatz aus unterschiedli chen Material und gegebenenfalls mehreren Schichten unterschiedlichen Materi als dafür gesorgt werden, daß die unterschiedlichen Wärmeleitung und Dehnung zwischen Grundmaterial und Verschleißschicht kompensiert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zur Aufnahme der für den unmit telbaren Kontakt mit Stahlschmelze geeigneten Arbeitsbeschichtung auf dem Grundmaterial der Kokillenplatten, zum Beispiel Kupfer oder Kupferlegierung, ge eignete Ausbildung einer Zwischenschicht anzugeben, welche die Wärmestrom dichte, insbesondere beim Gießen von peritektischen Stählen und von austeniti schen Rostfreistählen reduziert, die relativ zum Plattengrundmaterial erhöhte Dehnfähigkeit der Arbeitsbeschichtung sowie deren Festigkeitsunterschiede aus gleicht und den aus ständig wiederholtem Temperaturwechsel sich ergebenden extremen Beanspruchungen widersteht.

Die Lösung der Aufgabe gelingt bei einer Stranggießkokille der im Oberbegriff von Anspruch 1 bezeichneten Art mit der Erfindung dadurch, daß die zur Aufnahme der Beschichtung bzw. eines Einsatzes vorgesehenen Flächenbereiche der Kokil lenplatten in Form einer Zwischenschicht zwischen der Beschichtung und dem Kokillenplattenmaterial mit wenigstens einer gerauten Oberfläche, oder aus porö sen Material ausgebildet sind.

Mit großem Vorteil wird durch diese rauhe Zwischenschicht insbesondere bei de ren Porosität die Wärmestromdichte zwischen der Stahlschmelze einerseits und dem Grundmaterial der Kokillenplatten andererseits wesentlich reduziert, darüber hinaus die thermisch bedingten Dehnungsunterschiede zwischen der Arbeitsbe schichtung einerseits und dem Kokillenplattengrundmaterial andererseits sowie die Unterschiede der Festigkeit zwischen diesen ausgeglichen und damit die aus ständig wiederholten Temperaturwechseln hervorgerufenen extremen Beanspru chungen relativiert.

Sehr vorteilhaft kann auch die Zwischenschicht eine auf das Grundmaterial der Kokille unter hohem Druck und hoher Temperatur aufbringbare Schicht aus Sin termetall mit einer entsprechend ihrer Porosität rauhen Oberfläche sein.

Und schließlich kann die geraute Fläche eine durch Wärmebehandlung gezielt herstellbare Zunderhaut sein.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Erläuterung eines in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles. Es zeigen:

Fig. 1 im Schnitt einen Teil einer Kokillen-Kupferplatte, welche insbeson dere im Meniskusbereich mit einer Arbeitsbeschichtung korrosi ons- bzw. abrasionsresistent ausgerüstet ist,

Fig. 2 einen Teil einer Kokillen-Kupferplatte im Schnitt mit Einsatz eines Sonderwerkstoffs im Meniskusbereich der Schmelze.

Fig. 1 zeigt einen Teil einer aus Kupferplatten zusammensetzbaren Stranggieß kokille, insbesondere zum Stranggießen von Dünnbrammen aus Stahl, deren Platten insbesondere im Meniskusbereich 6 mit einer Arbeitsbeschichtung 1, ent haltend unterschiedliche Metalle, Metalloxide oder Keramikwerkstoff korrosions- bzw. abrasionsresistent ausgerüstet sind, wobei nach Maßgabe der Erfindung die zur Aufnahme der Beschichtung 1 vorgesehenen Flächenbereiche in Form einer Zwischenschicht 3 zwischen der Arbeitsbeschichtung 1 und dem Kokillenplatten material 4 mit wenigstens einer gerauten Oberfläche 5 bzw. aus porösen Material ausgebildet sind.

Davon unterscheidet sich das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 dadurch, daß anstelle der Beschichtung 1 ein Einsatz 2 in der Kokillenwand 4 vorgesehen ist. Zwischen diesem Einsatz 2 und dem Kokillenplattenmaterial 4 ist eine Zwischenschicht 3 mit wenigstens einer gerauten Oberfläche 5 bzw. aus po rösen Material ausgebildet.

Die Zwischenschicht 3 kann eine Dicke zwischen 100 und 1000 Mikronen aufwei sen, wobei die Rautiefe der aufgerauten Oberfläche 5 zwischen 25 und 250 Mi kronen beträgt.

Die Zwischenschicht 3 enthält einerseits eine dem Kokillen-Grundmaterial 4 ent sprechenden Materialkomponente, zum Beispiel Kupfer oder Kupfer-Legierung, und andererseits eine der Arbeitsbeschichtung 1 entsprechender Materialkompo nente wie Metalloxid, Keramik oder metallische Sonderwerkstoffe, z. B. Cr, Si, Co, Ni, Ag, Al oder andere Mischungen.

Die aufgeraute Oberfläche 5 ist durch Sandstrahlen oder Kugelstrahlen herge stellt. Sie kann aber auch in Form von feinen scharfen Kerben durch mechanische Bearbeitung wie Fräsen, Plandrehen, Grobschleifen, Ritzen oder Strählen herge stellt sein.

Eine weitere Möglichkeit der Herstellung der aufgerauten Oberfläche 5 besteht darin, daß die Zwischenschicht 3 eine auf das Grundmaterial 4 der Kokille unter hohem Druck und hoher Temperatur aufbringbare Schicht aus Sintermetall mit einer entsprechend ihrer Porosität rauhen Oberfläche 5 ist.

Und schließlich kann die aufgeraute Oberfläche 5 eine durch Wärmebehandlung herstellbare Zunderhaut sein.

Tabelle I

Werkstoff-Vergleichszahlen

Da die Werte für die Wärmeleitfähigkeit immer nur für 20°C angegeben werden, wird die elektrische Leitfähigkeit (hier elektrischer Widerstand) mit erwähnt. Es ist zu sehen, daß sich der elektrische Widerstand mit der Temperatur stark erhöht. Dies gilt analog auch für den Wärme-Widerstand, d. h., mit steigender Temperatur fällt die Wärmeleit fähigkeit ab.

Da Kupfer hier schlecht aussieht, müssen die Wärmeleitwerte bei Betriebstempera turen < 550°C ermittelt werden.

Tabelle II

Verhältnis Cu zu Ni und Cr

Tabelle III

Claims

1. Aus Kupferplatten zusammensetzbare Stranggießkokille zum Gießen von Rohren, Blöcken, Brammen oder dergleichen, insbesondere zum Stranggie ßen von Dünnbrammen aus Stahl, deren Platten insbesondere im Menis kusbereich mit einer Beschichtung oder mit einem Einsatz eines Sonder werkstoffes, enthaltend unterschiedliche Metalle, Metalloxide oder Keramik werkstoff ausgerüstet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Aufnahme der Beschichtung (1) bzw. eines Einsatzes (2) vorge sehenen Flächenbereiche der Kokillenplatten in Form einer Zwischenschicht (3) zwischen der Beschichtung und dem Kokillenplattenmaterial (4) mit we nigstens einer gerauhten Oberfläche (5) oder aus porösem Material ausge bildet sind.

2. Stranggießkokille nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (3) eine Dicke zwischen 100 µm und 1000 µm aufweist, und dass die Rauhtiefe der aufgerauhten Oberfläche (5) zwischen 25 und 250 µm beträgt.

3. Stranggießkokille nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (3) einerseits eine dem Kokillen-Plattenmaterial (4) entsprechende Materialkomponente, z. B. Kupfer oder Kupferlegierung, und andererseits eine der Beschichtung (1) entsprechende Materialkomponente wie Metalloxid, Keramik oder metallische Sonderwerkstoffe, z. B. Cr, Si, Co, Ni, Ag, Al, oder deren Mischungen enthält.

4. Stranggießkokille nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gerauhte Oberfläche (5) durch Sandstrahlen oder Kugelstrahlen hergestellt ist.

5. Stranggießkokille nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gerauhte Fläche (5) in Form von feinen scharfen Kerben durch me chanische Bearbeitung wie Fräsen, Plandrehen, Grobschleifen, Ritzen oder Strählen hergestellt ist.

6. Stranggießkokille nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gerauhte Fläche (5) durch Ätzen mittels korrodierender Einwirkung von Säure oder Lauge hergestellt ist.

7. Stranggießkokille nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (3) eine auf das Plattenmaterial (4) der Kokille un ter hohem Druck und hoher Temperatur aufbringbare Schicht aus Sinterme tall mit einer entsprechend ihrer Porosität rauhen Oberfläche (5) ist.

8. Stranggießkokille nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gerauhte Fläche (5) eine durch Wärmebehandlung herstellbare Zunderhaut ist.