DE3048711A1 - Verfahren zum kuehlen von straengen beim stranggiessen von stahl - Google Patents

Description

BLUMBACH . WESE% ""BEi^OEiN! ."KRÄMER ZWIRNER · HOFFMANN

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

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Hamburger Stahlwerke GmbH

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Verfahren zum Kühlen von Strängen beim Stranggießen von

- Stahl

München: £. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. net. · E. Hoffmann Dipl.-Ing. Wiesbaden: P.G. Blumbach Dipl.-Ing. ■ P. Bergen Prof.Dr. jur.Dipl.-Ing., Pnt.-Ass., Pat.-Anw.bis 1979 · G.Zwirner Dipl.-Ing. Dlpl.-W.-Iiig.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren 2um Kühlen von Strängen beim Stranggießen von Stahl gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einer Reihe von Stahlprodukten, z.B. hochkohlenstoffhaltigen Stahldrähten werden die technologischen Eigenschaften durch Seigerungen fühlbar verschlechtert. Diese Seigerungen können auch bei der heute allgemein angewandten Patentierung derartiger Drähte aus der Walzhitze zur Bildung spröder Phasen i\n den Seigerungüstellen führen - häufig als "Martensit" bezeichnet - die die Ziehfähigkeit des Drahtes sehr stark herabsetzen.

Während sich beim Blockguß die Seigerungen im oberen Drittel des Blockes befinden und durch entsprechendes Schöpfen entfernt werden können, verteilen sie sich beim Strangguß über die gesamte Stranglänge und können durch Abschneiden nicht entfernt werden. Ihre negativen Auswirkungen sind beim sogenannten kleinformatigen Strangguß ~ Abmessungen von 100 bis 140 mm Kantenlänge - größer als beim großformatigen Strangguß - d.h. Vorblockformaten von 200 - 300 mm Knntonlüngo —, da die Verformung bis zum fertigen Walzprodukt bei den kleinen Gußformaten geringer ist. Es sind seitens der Fachwelt bereits erhebliche Anstrengungen unternommen worden, die Seigerungen im Strangguß oder ihre negativen Auswirkungen auf das Walzprodukt zu vermindern. Hierbei hat sich allgemein die Auffassung herausgebildet, daß ein sogenanntes globulitisches Gefüge mit geringen Seigerungen, ein dendritisches Gefüge jedoch mit starken Seigerungen verbunden ist. Unter einem globulitischen Gefüge wird hierbei ein Gefüge verstanden, bei dem die Kristalle keine bevorzugte Wachsturnsrichtung haben, sondern regellos über den Querschnitt vorteilt sind. Fig» 1 stellt das Gefüge eines Strnncjgußknüppols mit einem großen Anteil eines

«J derartigen globulistischen Gefüges dar. Unter einem dendritischen Gefüge wird hingegen ein Gefüge verstanden, bei dem die überwiegende Wachstumsrichtung der Kristalle senkrecht zur Strangoberfläche in das Metall hinein verläuft.

Fig. 2 zeigt das Schliffbild eines Stranggußknüppels mit einem großen Anteil dendritischen Gefüges.

Wegen der Auffassung, dendritisches Gefüge würde die Seigerungen begünstigen und globulitisches Gefüge vermindern, haben sich die Bemühungen der Fachwelt darauf konzentriert, den Anteil des globulitischen Gefüges zu erhöhen. Zu diesem Zweck sind verschiedene Wege beschritten worden.

Eine Entwicklungsrichtung geht dahin, durch Rühren des flüssigen Stahles im erstarrenden Strang die Ausbildung einer dendritischen Struktur zu verhindern und damit Seigerungen zu vermindern (siehe beispielsweise DE-PS 17 83 060) . Die Rührwirkung wird im allgemeinen durch elektromagnetische Rührvorrichtungen erreicht. In jedem Fall sind aufwendige Vorrichtungen erforderlich-

Eine andere Entwicklungsrichtung, globulitischcs Gefüge zu erreichen, geht dahin, die Gießtemperatur sehr niedrig zu halten. Hierbei ergeben sich in der Praxis Schwierigkeiten dadurch, daß ,die Gießdüsen zum Verstopfen neigen.

Umfangreiche Untersuchungen mit der Zielsetzung, Seigerungen durch Gießen bei niedrigen Temperaturen oder durch elektromagnetisches Rühren bei Stählen mit 0,4 bis 1,0 % Kohlenstoff zu vermindern, hatten zum Ergebnis, daß zwar eine leichte Verbesserung der Seigerung erreichbar ist, daß diese Verringerung aber nicht ausreicht, um bei der Produktion von Walzdraht aus solchen Stählen eine merkliehe Verbesserung der technologischen Eigenschaften zu

erzielen. Bei Anwendung des elektromagnetischen Rührens wurde sogar ein häufigeres Auftreten von "Martensit" beobachtet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Stahlstranggicßverfahren insbesondere für Stähle in.Lt einem Kohlenstoffgehalt von 0,4 bir. 1 % Knüppel mit verringerten Seigerungen zu orzouqen, au:: denen vorxufj;;we.i ;;i> Walzdraht mit verbesserten mechanischen und technologischen

'Ο Eigenschaften hergestellt werden kann. Insbesondere sollen die Verhältnisse beim kleinformatigen Strangguß, d.h. bei Abmessungen von 100 bis 140 mm Kantenlänge, verbessert werden. Es soll auch verhindert werden, daß beim Vergüten des aus einem Knüppel gewalzten Walzdrahtes an Seigerungsstellen "Martensit" entsteht.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Es hat sich herausgestellt, daß sich entgegen der herrschenden Meinung inabesondere bei einem Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,4 bis 1 % die Seigerungen erheblich vermindern lassen, wenn innerhalb der angegebenen Grenzen intensiv gekühlt wird. Dieser Effekt ist auch bei hohen Gießtemperaturen und Gleßgeschwindigkeiten zu beobachten. Das Ausmaß der Verminderung der Seigerungen reicht aus, um die technologischen Eigenschaften von Walzdraht, der aus einem so erhaltenen Stranggußknüppel hergestellt wird, wesentlich zu verbessern. Auch das Auftreten von "Martensit" an Seigerungsstellen nach dem Vergüten des Walzdrahtes aus der Walzhitze wird entscheidend vermindert.

Bei einer sehr intensiven Kühlung besteht die Gefahr, daß an der Oberfläche oder im Innern des Knüppels Risse

auftreten. Dieses Problem ist nicht nur von Bedeutung bei Stählen mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,4 bis 1 %, sondern auch bei Stählen mit geringerem Kohlenstoffgehalt/ wenn zur Erhöhung der Produktivität die Gießgeschwindigkeit und die Intensität der Abkühlung erhöht werden. Das Problem wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 4 gelöst.

Bei einer zweistufigen Kühlung innerhalb dor in don An-Sprüchen 4 bis 6 angegebenen Grunzen l.roton kciiKTlri Risse an der Oberfläche des Knüppels oder im Innern des Knüppels auf. An der Knüppeloberfläche wird eine sehr feinkörnige Schicht gebildet, die die Anfälligkeit des Knüppels gegen die Bildung von Rissen bei der Walzung herabsetzt. Die in Fig. 3 dargestellte Makroätzung einer geviertelten Knüppelscheibe zeigt diese feinkörnige Schicht, die bei starker Kühlung im Mittel etwa 4 bis 10 mm an den Seitenflächen des Knüppels und bis zu 25 mm an den Knüppelkanten beträgt.
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Dio Erfindung wird anhand von vier Fig. näher orliiutort. Es zeigen

Fig. 1 einen Schwefelabdruck vom Längsschnitt durch die Mittelachse eines Knüppels mit einem

großen Anteil an globulitischem Gefüge;

Fig. 2 einen Schwefelabdruck vom Längsschnitt durch die Mittelachse eines Knüppels mit einem großen Anteil an dentritischem Gefüge;

Fig. 3 eine Makroätzung einer geviertelten Knüppelscheibe aus verstärkt gekühltem Material mit feinkörniger globulitischer Randzone; 35

"δ

Fig. 4 in schematischer Darstellung eine Vorrichtung

zur Durchführung des Verfahrens.

Fig. 4 stellt schematisch eine Stahlstranggießvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Aus einer Verteilerrinne 1 wird flüssiger Stahl in eine oszillierende gekühlte Stranggießkokille 2 gegossen, in der die Außenhaut während der langsamen Abwärtsbewegung des Metallstrangs erstarrt. Hinter der Kokille sind zwei Kühlstufen 3 und 4 angeordnet, in denen der Strang an seinem gesamten Umfang gleichmäßig mit Wasser angespritzt wird. Der flüssige Sumpf des Metallstrangs ist mit 5, die erstarrte Strangschale mit 6 bezeichnet. Das gesamte ablaufende Spritzwasser wird in einer Sammelleitung 7 gesammelt und einem Wasserbehälter 8 zugeführt. Die Kühlstufen 3 und 4 werden mittels Pumpen 9 und 10 über Leitungen 11 und 12 mit Spritzwasser aus dem Sammelbehälter 8 versorgt. Der Spritzwasser-Sammelleitung 7 ist ein Gerät 13 zum Erfassen der Temperatur T_a und des Wasservolumenstromes V_A des Abwassers und den Stufen 1 uns 2 sind Geräte 14 bzw. 15 zum Erfassen der Wassertemperatur, des WasservolumensLromes und des Wasserdrucks T₁, V₁, P₁ bzw. T„, V„, P„ am Eingang der betreffenden Stufen zugeordnet. Es sind außerdem nicht dargestellte Steuer- und Regelorgane vorhanden, um die geannten Größen verändern zu können.

Bei der üblichen Herstellungsweise von Strangguß im Kohlenstoff bereich von 0,4 - 1,0 % beispielsweise bei einem. quadratischen Format von 120 mm Kantenlänge und einer Gießgeschwindigkeit von 2,4 m/min wird der Strang unterhalb der Kokille mit Wasser besprüht bei einem Wasservordruck von üblicherweise 3 bar, maximal jedoch 8 bar, bei einer Wn;;.<;onnc;nqo von etwa 20 - 30 in /h xind Strang.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird durch Erhöhung des Wärmcübargangskoeffi'/.Jonten an dar Oberfläche der Knüppel die Kühlung intensiviert. Hierdurch wird eine Verringerung der Seigerunyen erreicht.

Eine sehr intensive Kühlung führt bekanntlich zur Gefahr von Rissen an der Strangoberfläche. Diese Risse werden dadurch vermieden, daß die sehr intensive Kühlung bei dem genannten Knüppelformat und der genannten Gießgeschwindigkeit von 2,4 m/min auf eine Länge von etwa 2 m unter der Kokille, d.h. auf eine Verweilzeit des Stranges von etwa 40 bis 60 see. begrenzt wird. Es stellt sich dann eine Oberflächentemperatur des Stranges von etwa 650 C bis 950 C ein. In diesem - im folgenden als Stufe 1 bezeichneten - Bereich werden dem Strang etwa 50 Wh/kg - 80 Wh/kg, entsprechend einer Abkühlgeschwindigkeit von etwa 60 Wh/(kg-min) - 100 Wh/(kg*min) entzogen. Im Anschluß an diese sehr intensive Kühlung wird über eine Verweilzeit des Stranges von etwa 30 bis 50 see. (beim angegebenen Format) mit verringerter Intensität gekühlt. Die entzogene Wärmemenge in diesem - im folgenden als Stufe 2 bezeichneten - Bereich liegt unter den angegebenen Bedingungen bei 20 Wh/kg - 40 Wh/kg, entsprechend einer Abkühlgeschwindigkeit von 30 Wh/(kg-min) - 60 Wh/ (kg'min).

Die entzogene Wärmemenge (Wh) ist feststellbar aus der aufgesprühten Wassermenge und ihrer Temperaturerhöhung vom Zu- zum Ablauf, d.h. V..C . (T₁-T ) für Stufe 1 und

^ ^V2*^Cw* *^T2~^TA^ ^{für stufG 2}' wobei C die spezifische

Wärme des Wassers (1,163 Wh/°Okg Wasser) bedeutet. Dieser Wärmemenge ist eine Wärmemenge hinzuzufügen, die durch die Verdampfung von Kühlwasser entzogen wird. Der Rechnung wird zugrunde gelegt, daß 3,5 % dec aufgesprühten Wassers verdampfen, wobei zum Aufheizen des

verdampften Wassers von 20°C auf 100⁰C 93 Wh/kg Wasser erforderlich sind und die Verdampfungswärme 627 Wh/kg Wasser beträgt.

Geht man auf andere Gießgeschwindigkeiten oder auf andere Stranggußformate über, so muß die Kühlung so angepaßt werden, daß die Abkühlgeschwindigkeit in Wh/(kg*min) und die in den beiden Kühlstufen abgeführten Wärmemengen etwa konstant bleiben.
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Findet ein Richten des Stranges nicht statt, so kann die üLuici 2 ν (..τ Ki η Cj or L wordon.

Die hohen, in der Sekundärkühlzone entzogenen Wärmemengen werden erreicht, indem gegenüber.der üblichen Arbeitsweise der Druck und/oder die Menge des Kühlwassers heraufgesetzt wird. Wirtschaftlich vorteilhaft erscheint ein Vordruck des Kühlwassers von 15-25 bar.

Das Gefüge des in dieser Art erzeugten Stranggußmaterials hat einen hohen Anteil dendritischer Struktur, etwa entsprechend Fig. 2.

Die Randzone dor auf diese Art hergestellten Knüppel hat - wie Fig. 3 zeigt - ein außerordentlich feinkörniges "globulitisches" Gefüge. Die Dicke der Randzone beträgt mindestens 4 mm gegenüber üblicherweise 1 mm. Hierdurch wird erreicht, daß die Knüppel wesentlich widerstandsfähiger gegen die Bildung von Rissen bei hohen Beanspruchungen bei der Walzung sind, da das dendritische Gefüge, das empfindlich gegen Aufreissungen an der Korngrenze ist, nicht so weit an die Oberfläche reicht.

Walzt man die auf diese Weise hergestellten Stranggußknüppel mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,4-1 % bei-

spielsweise zu Walzdraht aus, so stellt man fest, daß die Seigerungen wesentlich verringert wurden gegenüber der anfangs beschriebenen bekannten Arbeitsweise. Bei Drähten mit den genannten Kohlenstoffgehalten werden die Seigerungen im Walzdraht üblicherweise nach einer Richtzahl der Firma Bekaert beurteilt. Der durchschnittliche Wert der Richtzahl bei 5,5 mm Draht im genannten Kohlenstoffbereich kann durch die beschriebene Arbeitsweise von etwa 1,1 auf 0,6 hcrabyersotzt werden. Bei cU?r VercjüLun<j aus der Walzhitze entsteht bei üblichem Mangangehalt dos Stahles bis zu 0,8 % und üblicher Abkühlgeschwindigkeit bis zu 15 C/sec auch an den verbliebenen Seigerungsstellen des auf diese Art hergestellten Drahtes kein "Martensit" mehr.

Der technische Fortschritt liegt darin, daß auf diese Art aus kleinformatigem Strangguß ein Walzdraht erzeugt werden kann mit geringen Seigerungen, der mit hohen Ziehgeschwindigkeiten verformt werden kann und der nach dem Ziehen bei der sogenannten Biegeprüfung und bei der sogenannten Torsionsprüfung hohe Worte aufweist, d,h. ein gutes plastisches und oUu-iLisehe.s Verhallen hai . Dieser Walzdraht kann mit hohen Abkühlgeschwindigkeiten aus der Walzhitze vergütet werden, ohne daß sich die "Martensit" genannte spröde Phase an den Seigerungsstellen bildet.

Das Material neigt ferner bei hohen Beanspruchungen bei der Walzung weniger zur Bildung von Rissen an der Oberfläche als normales Stranggußmaterial, wegen der verstärkten globulitischen Randzone.

Ausführungsbeispiel:

Ein Stahl mit 0,65% C, 0,27% Si, 0,68% Mn, 0,12% P, 0,013% S₇ 0,05% Cu, 0,02% Cr und 0,01% Mo wurde im Strangguß vergossen. Die Gioßteinperntur im Verteiler 1 der Sl

ORIGINAL INSPECTED

gioßanlage In.¹ trug 1^r»?.0⁽C und ]ag damit 50 C über dem Liquidurspunkt. Dor Stahl wurde in einer Strangcfießanlage mit tj(>b(Hjoru>r Sl imikj ITtIn u.nj zu quadratischen Strängen mit einer Kantenlänge von 120 mm vergossen. Ein Strang dieser Anlage wurde in einer Sekundärkühlzone mit zwei Stufen 3 und 4 verstärkt gekühlt. Die Gießgeschwindigkeit betrug 2,5 m/min. Die erste Stufe 3 verstärkter Kühlung erstreckte sich von der Kokille 2 in Gießrichtung des Stranges über eine Länge von 1,9 m, entsprechend einer Verweilzeit des Stranges von. 4 6 see. Hier wurde der Strang bei einem Vordruck P₁ von 22 bar vor den Sprühdüsen mit

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einer Wassermenge von 31 m /h gekühlt. Dabei stellt sich an der Strangoberfläche ein Wärmeübergangskoeffizient (durch Konvektion und Strahlung) von 1500 Wh/(m ·Κ) bis 1700 Wh/(m -K) ein. Dies entspricht einer Abkühlgeschwindigkeit von 91 Wh/(kg·min) und einer entzogenen Wärmemenge von 70 Wh/kg. Darauf folgte eine zweite Stufe 4 mit reduzierter Wasserkühlung einer Länge von 1,6 m entsprechend einer Verweilzeit von 38 see. Hier lag der Vordruck P_ vor der Düse bei 7 bar und die Wassermenge bei 12 m /h.

2 Der Wärmeübergangskoeffizient betrug hier 800 W/m -K bis

ο
900 W/m ·Κ, die Abkühlgeschwindigkeit 47 Wh/(kg*min) und

die entzogene Wärmemenge 30 Wh/kg.

in den parallel laufenden Strängen wurde z.um Vergleich in üblicher Weise gekühlt mit einem Wasserdruck von 3 bar

3
und einer Wassormenge von 14m /min und Strang. Diese Wasscrmongo wurde in einer Sekundärkühlzone bei einer Verweilzeil., von ebenfalls 46 see aufgebracht. Dies entspricht einer Abkühlgeschwindigkeit von 50 Wh/(kg'min) bzw. einer abgeführten Wärmemenge von 38 Wh/kg. Der Wärmeübergangskoeffizient betrug ca. 500 Wh/(m²-K) - 700 Wh/(m²-K).

Das Material wurde in einer zweiadrigen Drahtstraße zu 5,5 mm Walzdraht ausgewalzt. Eine Untersuchung des WaIz-

BADOttiüiNAL

drahtes im Schliffbild und Bewertung des Schliffes nach der Richtreihe der Firma Bekaert ergab für das gemäß der Erfindung verstärkt gekühlte Material einen Wert von 0,6 und für das in üblicher Weise gekühlte Material einen Wert von 1,4 im Durchschnitt. Während der Draht aus verstärkt gekühlten Knüppeln frei von "Martensit" war, wurden an 12 % der Drähte aus normal gekühlten Knüppeln "Martensit" gefunden. Das erfindungsgemäß hergestellte

2 Material hatte eine Zugfestigkeit von 1050 N/mm und wurde in einer Drahtzieherei mittels einer 6-stufigen Zugmaschine auf einen Durchmesser von 2,3 mm gezogen.

2 Es hatte danach eine Zugfestigkeit'von 174 3 N/mm und konnte über einen Radius von 7,5 mm 23 mal gebogen werden, während das Vergleichsmaterial nur auf 17 Biegungen kam.

Anschließend wurde das Material auf eine Dicke von 1,7 mm in einem Druck kaltgewalzt ohne Zwischenglühung. Bei dem verstärkt gekühlten Material ergaben sich keine Ausfälle, während das normal gekühlte Material nach der Kaltwalzung auf 1,7 mm keine ausreichenden technologischen Eigenschaften mehr aufwies. Der Qualitätsunterschxed drückt sich auch darin aus, daß die Gleichmaßdehnung des Bandes aus erfindungsgemäß hergestelltem Material 2,9 % betrug/ während sie bei dem Vergleichsmaterial nur 1,8 % betrug.

Die Seigcrungskennzahlon und inechanisch-toclmoloyis^hon Werte der aus diesen Chargen erzeugten Drähte sind sowohl für das stark gekühlte als auch für das Vergleichsmaterial den obenbeschriebenen Werten direkt vergleichbar.

JNSPECTED

Claims (5)

Verfahren zum Kühlen von Strängen beim Stranggießen von Stahl Patentansprüche: 5

1. Verfahren zum Kühlen von Strängen beim Stranggießen von Stahl, insbesondere für Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,4 bis 1 %, bei dem der aus der Stranggießkokille austretende Strang in einer Sekundärkühlzone mittels einer aufgesprühten Flüssigkeit gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß einer ersten Stufe (3) in der Sekundärkühlzono eine Wärmemenge von 50 Wh/kcj bis ' 90 Wh/kg entzogen wird, wobei die Kühlung intensiv mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 65 Wh/(kg*min) bis 100 Wh/(kg-min) erfolgt.

2. Stranggießverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Stufe (3) der Sekundärkühlzone eine Wärmemenge von 50 Wh/kg bis 80 Wh/kg entzogen wird.

3. Stranggießverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Stufe (3) die Abkühlgeschwindigkeit 75 Wh/(kg*min) bis 90 Wh/(kg'min) beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einer sich anschließenden zweiten Stufe (4) eine Wärmemenge von 30 Wh/kg bis 80 Wh/kg mit einer verringerten Abkühlgeschwindigkeit von 30 Wh/(kg-min) bis 55 Wh/(kg*min) entzogen wird.

5. Stranggießverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Stufe (4) der Sekundärkühlzone eine Wärmemenge von 30 Wh/kg bis 60 Wh/kg entzogen wird.

Stranggießverfahren nach Anspruch 4 oder 5/ dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Stufe (4) die Abkühlgeschwindigkeit 35 Wh/(kg*min) bis 45 Wh/(kg«min) beträgt.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserdruck vor den Spritzdüsen wenigstens 15 bar beträgt.