DE2329953C3 - Verfahren zur Erhöhung der Gießgeschwindigkeit sowie zur Verfeinerung der Gefügestruktur des Gußstranges beim Stranggießen von Stahl - Google Patents

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Erhöhung der Gießgeschwindigkeit sowie zur Verfeinerung der Gefügestruktur, insbesondere des Kerngefüges, des Gußstranges beim Stranggießen von Stahl, bei dem dem Gießstrahl im Bereich der oder nur wenig oberhalb der Siahlbadoberfläche innerhalb der Stranggießkokille kontinuierlich eine dosierte Menge fester Eisenpartikel zugegeben wird.

Beim Stranggießen von Stahl ist es eine bekannte Erscheinung, daß insbesondere im Kernbereich des Gußstranges Fehler in Form von Lunkern und vom sogenannten »Kernlunker« ausgehende Risse auftreten, die im wesentlichen auf der Volumenkontraktion des Gußstranges beim Erstarren beruhen. Diese Fehler treten bevorzugt bei höheren Gießgeschwindigkeiten und größeren Formatabmessungen auf. Hierbei wird durch die große Sumpflänge und die dabei auftretende Abschnürung durch voreilende Dendriten die Volumenkontraktion durch nachfließende Schmelze nicht mehr kompensiert Außerdem führt die langsame und nach innen gerichtete Erstarrung zu einem grobkörnigen Dendritengefüge.

Sowohl die Lunker und Risse als auch die Gefügefehler sind deswegen äußerst nachteilig, weil sie sich bei der Weiterverarbeitung des Gußstranges durch Walzen od. dgl. nicht befriedigend beseitigen lassen und daher die Qualität des Walzerzeugnisses erheblich beeinträchtigen.

Aus diesem Grunde ist es häufig notwendig, die Gießgeschwindigkeit zu verringern. Auf diesem Wege ist eine bessere Kernverdichtung zu erreichen. Die auf diese Weise erzielbaren Qualitätsverbesserungen haben sich aber nicht als befriedigend erwiesen, zumal aus Wirtschaftlichkeitsgründen höhere Gießgeschwindigkeiten wünschenswert sind.

Um den vorbeschriebenen Mängeln abzuhelfen, ist es bereits bekannt, dem flüssigen Stahl festes Eisenpulver zuzugeben, und zwar bevorzugt in der Weise, daß das Eisenpulver bereits dem Gießstrahl im Bereich der oder nur wenig oberhalb der Stahlbadoberfläche innerhalb der Stranggießkokille zugeführt wird, derart, daß das Eisenpulver mittelbar über den Gießstrahl in das Stahlbad eingezogen wird. Durch diese Zugabe von Eisenpulver während des Gießens wird infolge der rascheren Erstarrung ein wesentlich kürzerer und damit stumpferer Sumpfkegel innerhalb des Gußstranges erzeugt, so daß der flüssige Stahl leichter von oben her bis zur Spitze hin vordringen und dort besser die Volumenkontraktion kompensieren kann. Eine weitere Folge dieser Maßnahme ist eine entscheidende Kornverfeinerung, insbesondere des Kerngefüges, und damit eine wesentlich gleichmäßigere Verteilung der Seigerungselemente mit der Wirkung, daß sich geringere Konzentrationsunterschiede an Begleitelementen, insbesondere von Schwefel, über den Querschnitt des Strangrr.aterials einstellen.

Abgesehen davon, daß sich auf diese Weise Gefügefehler sowie Lunker und Risse weitgehend vermeiden lassen, liegen weitere Vorzüge dieser »Impfung« mit festem Eisenpulver darin, daß gefahrlos mit höherer Gießgeschwindigkeit gearbeitet werden und der Gußstrang bereits in einem geringeren Abstand unterhalb der Stranggießkokille umgelenkt bzw. abgebogen werden kann, ohne daß die Gefahr von Biegerissen oder gar des Anschneidens des flüssigen Sumpfes beim Zerteilen besteht

Bei diesem bekannten Verfahren, das mit der Zugabe von festem Eisen arbeitet, wird das Eisen dem Gießstrahl in Pulverform zugeführt Dabei geht man davon aus, daß es auf eine möglichst feine Zerkleinerung der zugegebenen Eisenmenge ankommt, um dem flüssigen Stahl spontan die für das Aufheizen des Eisenpulvers von Raumtemperatur auf Schmelztemperatur benötigte Wärme zu sntzieVien und bei überhitzter Schmelze das Eisenpuher möglichst vollständig aufschmelzen zu lassen, um dem Stahl zusätzlich auch die dazu benötigte Schmelzwärme zu entziehen. Das zugegebene Eisenpulver umfaßt zwar auch gröberes Korn, weit überwiegend aber feinere Bestandteile bis herunter zur Kornfraktion 0. Dabei herrscht die Vorstellung vor, mit — bezogen auf den gleichen Gewichtsanteil an zugegebenem Eisenpulver — möglichst kleinen Teilchen zu arbeiten, um die Gesamtgröße

so sämtlicher Oberflächen der Teilchen zu vergrößern und den KUhleffekt dadurch wirksamer zu gestalten.

Dabei wurde festgestellt, daß sich vermeintlich optimale Verhältnisse dann ergeben, wenn das Eisenpulver dem Gießstrahl mit einem Gewichtsanteil von 1 bis 5%, bezogen auf den zu vergießenden, flüssigen Stahl, zugegeben wird.

Im Gegensatz zu dem vorstehend beschriebenen Verfahren ist es bei dem gattungsgemäßen Verfahren (DE-OS 15 08 967) auch bereits bekannt, die festen Eisenpartikel in Form von Granalien zuzugeben, bei denen es sich mithin nicht mehr um Pulver bis herunter zur Kornfraktion 0 handelt. Auch bei diesem gattungsgemäßen Verfahren geht es darum, unabhängig von der Kühlleistung der Stranggießkokille eine schnellere Abkühlung der Schmelze im Kokillenbereich zu bewirken und dadurch eine Erhöhung der Gießgeschwindigkeit zu ermöglichen. Zu diesem Zweck sollen die bevorzugt aus demselben Werkstoff wie die

Schmelze bestehenden Granalien, die auch aus Spänen oder ähnlichem kleinstückigem Material bestehen können, in einer verhältnismäßig großen Menge zugeführt werden, nämlich bevorzugt in solcher Menge, daß die von den Granalien aufgenommene Überhitzungs- bzw. Schmelzwärme nicht ausreicht, um sie zum Aufschmelzen in der Schmelze zu bringen. Dafür wurde ein etwa 6%iger Granalienzusatz für ausreichend gehalten.

Zwar hat dies zur Folge, daß eine raschere Abkühlung der Schmelze eintritt und die Gießgeschwindigkeit entsprechend erhöht werden kann, der Nachteil dieses Verfahrens besteht jedoch darin, daß keine Verfeinerung der Gefügestniktur, insbesondere des Kerngefüges, eintritt, sondern die infolge der verhältnismäßig grobkörnigen Granalien entstehende Inhomogenität des Kerngefüges mit der Folge der sich daraus ergebenden Qualitätseinbußen erst im Zuge des sich daran anschließenden Verformungsvorgangs beseitigt werden kann.

Auch bei diesem gattungsgemäßen Verfahren verteuert die verhältnismäßig große Menge der laufend zugegebenen Granalien das Stranggießen beträchtlich, zumal auch dabei eine relativ genaue Dosierung eingehalten werden muß.

Ausgehend von dem gattungsgemäßen Verfahren liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, sowohl einerseits die verhältnismäßig kostspielige Menge der dem Gießstrahl kontinuierlich zugegebenen Eisenpartikel zu reduzieren, als auch andererseits eine wesentlich feinere Gefügestruktur, insbesondere des Kerngefüges, zu erzielen und dabei dennoch die Gießgeschwindigkeit durch rascheres Abkühlen und Erstarren des flüssigen Stahls innerhalb des Gießstranges weiter zu erhöhen.

Zur Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren durch die Zugabe eines auf den zu vergießenden flüssigen Stahl bezogenen Gewichtsanteils von 1% bis 3% chemisch reinen oder doch weitgehend von Sauerstoff und Kohlenstoff freien körnigen cisens mit einheitlicher Korngröße, die sich bei einer niedrigen Angießtemperatur und/oder höherem Reinheitsgrad des Eisens einer unteren Korngrößengrenze von 0,2 mm und bei einer höheren Angießtemperatur und/oder höherem Verunreinigungsgrad des Eisens einer oberen Korngrößengrenze von 0,8 mm nähert. Dabei soll die Menge der dem Gießstrahl innerhalb der angegebenen Gewichtsanteile laufend zugeführten Eisenkörner und deren Größe bevorzugt derart aufeinander abgestimmt sein, daß die Eisenkörner im Zeitpunkt der Erreichung der Liquidustemperatur des Stahls innerhalb des Gießstranges noch kleinste feste Kristallisationskeime mit einem Radius von mindestens angenähert 10~⁶ mm bilden.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß trotz einer prozentual kleineren Menge zugegebenen körnigen Eisens die Abkühlungs- bzw. Erstarrungsgeschwindigkeit dadurch erheblich erhöht und zugleich ein noch gleichmäßigeres, feinkörniges Gefüge, auch in der Kernzone, des Gießstranges erreicht werden kann, wenn das Eisen in körniger Form mit einer möglichst einheitlichen Korngröße zugegeben wird, die mindestens 0,2 mm, höchstens jedoch O₁S mm, beträgt, je nachdem mit welcher Angießtemperatur und mit welchem Reinheitsgrad des zugegebenen festen Eisens gearbeitet wird.

Was die Abhängigkeit zwischen der Korngröße des zugegebenen Eisens und dessen Reinheitsgrad anlangt.

so besteht generell die Beziehung, daß ein höherer Grad an Verunreinigungen des zugegebenen Eisens, insbesondere in Form von Kohlenstoff, durch Verwendung eines gröberen Korns kompensiert werden muß. Handelt es sich bei der Eisenzugabe um chemisch reines Eisen, so kann die Körnung im Bereich der unteren Korngrößengrenzen zwischen etwa 0,2 bis 0,5 mm liegen. Ist das dem Gießstrahl zugegebene kömige Eisen dagegen nicht ganz, sondern nur weitgehend sauerstoff- und kohlenstoff frei, so ist es zweckmäßig, eine Körnung zu wählen, die mehr im Bereich der oberen Grenzen zwischen etwa 0,4 und 0,8 mm liegen.

Was schließlich die Abhängigkeit zwischen der Korngröße und der Höhe der Angießtemperatur anlangt, so gilt die Beziehung, daß die Korngröße des zugegebenen Eisens um so größer sein muß, je höher die Angieß- bzw. Anfangstemperatur liegt Bei höheren Angießtemperaturen muß die Korngröße deswegen größer gewählt werden, weil dabei in höherem Maße die

Gefahr besteht, daß die zugegebenen Eisenkörner im Zuge des Wärmetausches mit <'.;~.m schmelzflüssigen Stahl ganz aufschmelzen, statt ais Krr-Talüsaiionskeime

erhalten zu bleiben.

Bei einer Angießtemperatur zwischen etwa 1500° C

bis 1550" C sollte sich die Korngröße daher mehr dem unte~sn Grenzwert von etwa 0,2 mm nähern, wohingegen bei höheren Aigießtemperaturen über 1550" C Korngrößen gewählt werden, die sich mehr dem oberen Grenzwert von 0,8 mm nähern.

Es wurde überraschend festgestellt, daß die Einhaltung der angegebenen Korngrößengrenzen für das zugegebene Eisen unter den angegebenen Bedingungen hinsichtlich des Reinheitsgrades und der Höhe der Angießtemperatur gewährleistet, daß die Eisenkömer zwar unter Ausübung eines optimalen Kühleffektes abschmelzen, aber gerade nicht vollständig aufschmelzen, sondern im Zeitpunkt des Erreichens der Liquidustemperatur des Stahls im Gußstrang noch kleine feste Einheiten mit einer Korngröße bilden, die unter der Annahme kugelförmiger Teilchen mindestens etwa 1000 Atomen entsprechen.

Dadurch, daß die Korngröße erfindungsgemäß bewußt so gewählt wird, daß ein vollständiges Aufschmelzen der Eisenkömer gerade nicht eintritt, wird zunächst erreicht, daß die dafür eingesparte Schmelzwärme nicht in Form latenter Wärme im Zuge der weiteren Abkühlung des Stranges wieder abgeführt werden muß. Bedeutender ist demgegenüber der weitere wichtige Vorteil, daß alle oder doch nahezu alle

so Eisenkömer über ihre Kühlwirkung hinaus auch als Kristallisationskeime erhalten bleiben, die den Erstarrungsvorgang im Sinne der Ausbildung eines besonders feinkörnigen Gußgefflges weiterhin beträchtlich beschleunigen.

Selbst eine vergleichsweise geringe Menge von nur angenähert etwa 2% kömigem Eisen, bezogen auf das Gewicht des zu vergießenden Stahls, bewirkt ein so enormes Angebot an Kristallisationskeimen, daß allein der darauf zurückgehende Beschleunigungseffekt der Erstarrung den auf den reinen Kühleffekt zurückgehenden Anteil wesentlich verstärkt, zumal der reine KUhleffekt bei konstanter Menge zugegebenen körnigen Eisens von der Korngröße unabhängig ist, während der kristallisationsbeschleunigende Effekt allein von der Anzahl der zur Verfügung stehenden Keime abhängt Als Kristallisationskeime können die zugegebenen Eisenkörner aber nur dann dienen, wenn sie in den angegebenen Grenzen eine solche, möglichst einheitli-

ehe Größe aufweisen, daß sie im Zuge ihres Wärmetausches mit dem schmelzflüssigen Stahl gerade nicht vollständig aufschmelzen, sondern oberflächlich nur so weit abschmelzen, daß sie in dem Augenblick, in dem der Stahl im Strang seine Liquidustemperatur erreicht, noch kleinste feste Einheiten bilden, die immerhin noch einen Radius von etwa 10-⁶mm aufweisen und mithin aus angenähert 1000 Atomen bestehen.

Es hat sich bei Versuchen gezeigt, daß Eisenkörner der angegebenen einheitlichen Korngröße aufgrund des vorbeschriebenen Effektes nicht nur zu einer ungewöhnlich raschen Erstarrung des schmelzflüssigen Stahls innerhalb des Gußstranges führen, die eine gefahrlose Erhöhung der Gießgeschwindigkeit bis zu etwa 50% zuläßt, sondern darüber hinaus auch ein besonders gleichmäßiges, fehlerfreies und feinkörniges Gefüge ergeben, was offenbar darauf beruht, daß die sämtlich als Kristallisationskeime ausgenutzten Körner das Grcißenwarhstiim Her Kristalle im ?<>"? der Erstarrung auf natürliche Weise begrenzen. Alternativ kann bei Verzicht auf eine Erhöhung der Gießgeschwindigkeit unter Anwendung der vorgeschlagenen Technik eine Reduzierung der Sprühwassermenge im Bereich der Sekundärkühlung um bis zu 40% vorgenommen werden.

Wird die Ausgangskorngröße des zugegebenen Eisenkorns kleiner gewählt, als es den angegebenen Grenzen entspricht, schmilzt das Korn vollständig auf, so daß nur der reine Kühleffekt erstarrungsbeschleunigend wirkt. Der die Erstarrung ebenfalls vorantreibende Effekt der Keimbildung und insbesondere der kornverfeinernde Einfluß der Impfung entfallen hierbei. Die Folge ist eine deutlich schlechtere Gefügestruktur sowie der Verzicht auf eine spürbare Erhöhung der Gießgeschwindigkeit.

Liegt die Größe der zugegebenen Eisenkörner dagegen oberhalb der angegebenen Grenzen, bleibt zwar die kristallisationsfördernde Wirkung des Einzelkornes grundsätzlich erhalten; in diesem Falle beträgt aber die Anzahl der Körner und mithin der Kristallisationskeime bei gleicher Zusatzmenge nur einen Bruchteil, nämlich bei doppelt so großem Korn nur ein Achtel, so daß der sich einerseits aus der Kühlwirkung und andererseits aus der kristallisationsbeschleunigten Wirkung zusammensetzende Gesamteffekt entscheidend schlechter ist Dies gilt insbesondere für die Gleichmäßigkeit und Feinkörnigkeit des Gefüges. Außerdem besteht bei Zugabe zu großer Eisenkörner wiederum die Gefahr einer Inhomogenität des Gußmaterials, die im Interesse der angestrebten Qualitätsverbesserung gerade vermieden werden soll.

Um die doppelte Funktion des Kühleffektes einerseits und des kristallisationsbeschleunigenden Effektes andererseits optimal zu erfüllen, gilt schließlich die Beziehung, daß die Menge des zuzugebenden Eisens innerhalb der angegebenen Grenzen um so niedriger sein kann, je höher die Angieß- bzw. Überhitzungstemperatur des schmelzflüssigen Stahls ist und je gröber damit einhergehend die Körnung des zugegebenen Eisens gewählt wird.

In der Zeichnung ist die Erfindung schematisch veranschaulicht Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch die Stranggießkokille sowie den Gußstrang und

F i g. 2 den Kurvenverlauf der Radiusveränderung des einzelnen Eisenkorns als Funktion der Zeit

In F i g. 1 sind der Gußstrang mit 1, die Stranggießko

kille mit 2 und die an ihrem unteren Ende angeordneten Führungsrollen mit 3 bezeichnet

Der aus der über der Kokille 2 angeordneten, in der Zeichnung nicht dargestellten Gießpfanne ausfließende Gießstrahl ist mit 4 bezeichnet und die Oberfläche des Stahlbades innerhalb der Kokille 2 mit 5.

Der Pfeil X deutet schematisch die Zugabe des körnigen reinen Eisens zum Gießstrahl 4 an, über welchen die zugegebenen Eisenkörner in das Stahlbad

ίο innerhalb der Stranggießkokille 2 tief hineingezogen und möglichst gleichmäßig verteilt werden.

Der prozentuale Gewichtsanteil des auf diese Weise zum Gießstrahl 4 zugegebenen körnigen Eisens beträgt, bezogen auf die zu vergießende flüssige Stahlmenge, zwischen etwa 1 bis 3%, bevorzugt nur angenähert etwa 2%.

In F i g. I ist die sich üblicherweise bildende Strangschale mit la bezeichnet, und es ist erkennbar, daß auf diese Weise ein sehr langer und verhältnismäßig cnit7winkliger Sumnfkegel 6 aus schmelzflüssigem .Stahl innerhalb des Gußstrangs 1 entsteht Der mit \b bezeichnete, sich an die feste Strangschale nach innen anschließende Bereich deutet denjenigen Bereich an, in dem normalerweise das sehr grobkörnige, nach innen gerichtete Dendritengefüge entsteht bzw. anwächst, das bei sehr spitzwinkligem Sumpfkegel das Nachfließen des schmelzflüssigen Stahls zur Sumpfkegelspitze hin erschwert und dadurch die Kompensation der Volumenkontra'ltion verhindert, wie sie für die Ausbildung eines einwandfreien Kerngefüges Voraussetzung bildet.

Mit ausgezogenen Linien ist in Fi g. 1 der wesentlich kürzere und entsprechend stumpfwinklige Sumpfkegel 7 eingezeichnet, der sich bei Zugabe von körnigem Eisen mit einer im wesentlichen einheitlichen Korngröße zwischen etwa 0,2 und 0,6 mm einstellt. Auf diese Weise wird im Zuge einer beschleunigten Erstarrung des Gußstranginneren nicht nur sichergestellt, daß der noch schmelzflüssige Stahl einwandfrei zur Spitze des Sumpfkegels hin vordringen kann und dadurch die Volumenkontraktion einwandfrei kompensiert wird, sondern außerdem die Ausbildung eines besonders feinkörnigen und zudem gleichmäßigen Kerngefüges begünstigt, da die zugegebenen Eisenkörner der angegebenen Größe nicht völlig aufschmelzen, sondern nur bis zu einer kleinsten Größe von etwa 1000 Atomen abschmelzen und dann Kristallisationskeime bilden, die im Zuge ihres weiteren Anwachsens aufgrund ihrer Anzahl und Verteilung das GröBenwachstum gegenseitig begrenzen.

In Fig.2 ist der Verlauf der Radiusänderung des Eisenkorns als Funktion der Zeit, bezogen auf den Fall dargestellt, daß die Angießtemperatur 1570"C 'id die kontinuierlich zugegebene Menge an körnigem Eisen 2%, bezogen auf das Gewicht des zu vergießenden schmelzflüssigen Stahls, beträgt Der von der Erfindung umfaßte Bereich der Korngröße von 0,2 bis 0,8 mm, entsprechend einem Kornradius von 0,1 bis 0,4 mm, ist in der Kurve schraffiert veranschaulicht und mit dem Ausgangsradius r₀ bezeichnet

Von der Zugabe im Zeitpunkt to bis zur Zeit fi schmilzt das einzelne Eisenkorn im Bereich A oberflächlich ab, wobei sein Radius bis auf 10~⁶ mm abnimmt Bei ft hat der Stahl zumindest seine Litjuidustemperatur erreicht ist jedoch wahrscheinlich bereits unterkühlt so daß das Eisenkorn im weiteren zeitlichen Verlauf innerhalb des Bereiches B bis zum Zeitpunkt T₂, gespeist durch die umgebende Schmelze, gröBcr wird, bis es im Bereich C ab fc auf die gleichfalls wachsenden Nachbarkörner

7 8

stößt und in seiner Größe festliegt. gestrichelte Linie der Kurve II. Wie ersichtlich, bleibt

Mit I ist in Fig. 2 in strichpunktierten Linien der die kristallisationsfördernde Wirkung des Einzelkorns

Kurvenverlauf für ein Eisenkorn veranschaulicht, dabei zwar voll erhalten, in diesem Falle ist aber bei

dessen Ausgangsgröße nur etwa halb so groß ist. Wie gleicher Menge zugegebenen körnigen Eisens d/e

ersichtlich, schmilzt das Korn bis zum Zeitpunkt U 5 Anzahl der Körner nur noch gleich dem achten Teil, so

vollständig auf, so daß eine keimbildende, kristallisa- daß die kristallisationsfördernde Wirkung entsprechend

tionsfördernde Wirkung entfällt. begrenzt ist und außerdem eine erheblich gröbere

•Jen Fall des gegenüber dem erfindungsgemäßen Gefügestruktur mit den daraus folgenden Qualitätsver-

Korn doppelt so großen Korns veranschaulicht die schlechterungen entsteht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erhöhung der Gießgeschwindigkeit sowie zur Verfeinerung der Gefügestruktur, insbesondere des Kerngefüges, des Gußstranges beim Stranggießen von Stahl, bei dem dem Gießstrahl im Bereich der oder nur wenig oberhalb der Stahlbadoberfläche innerhalb der Stranggießkokille kontinuierlich eine dosierte Menge fester Eisenpartikel zugegeben wird, gekennzeichnet durch die Zugabe eines auf den zu vergießenden flüssigen Stahl bezogenen Gewichtsanteils von 1% bis 3% chemisch reinen oder doch weitgehend von Sauerstoff und Kohlenstoff freien körnigen Eisens mit einheitlicher Korngröße, die sich bei einer niedrigen Angießtemperatur und/oder höherem Reinheitsgrad des Eisens einer unteren Konigrößengrenze von 0,2 mm und bei einer höheren Angießtemperatur und/oder höherem Verunreinigungsgrad des Eisens einer oberen Korngrößengrenze von 0,8 mm nähert

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der dem Gießstrahl innerhalb der angegebenen Gewichtsanteile laufend zugeführten Eisenkörner und deren Größe derart aufeinander abgestimmt sind, daß die Eisenkörner im Zeitpunkt der Erreichung der Liquidustemperatur des Stahls innerhalb des Gießstranges noch kleinste feste Kristallisationskeime mit einem Radius von 10~⁶ mm bilden.