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Verfahren zum Gießen von Stahl, insbesondere Stahlblöcken
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Gießen von Stahl,
insbesondere Stahlblöcken für die Herstellung von Vorbrammen, Knüppeln, Blechen
usw. in einem anschliessenden Walzvorgang, bei dem eine flüssige Stahlmenge in eine
metallische Gießform gegossen wird, die von einem Mantel aus einem thermisch isolierenden
Material umhüllt ist und anschließend die so gegossenen Stahlblöcke vorzugsweise
ohne Zwischenerwärmung mit eigener Wärme ausgewalzt werden sowie auf eine, zur Durchführung
dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung.
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Beim normalen Blockguß werden Kokillen verwandt, deren Masse (Gewicht)
im wesentlichen der Masse in sie einzugießenden flüssigen Stahls entspricht. Der
eingegossene Stahlblock kühlt zunächst ab und muß, nach dem Strippen der Kokille,
im Wärmeofen aufgeheizt, gleichmäßig temperiert und auf Walztemperatur gebracht
werden. Dieses Wiederaufwärmen und Normalisieren erfordert Zeit, Energie und Arbeit.
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Aus der DE-OS 31 09 589 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art
bekannt, bei dem die flüssige Stahlmenge in eine der späteren Blockform entsprechende
und aus einem feuerfesten Isoliermaterial hergestellte Form gegossen wird. Vorzugsweise
ist in diese Form aus Isoliermaterial ein aus Stahlblechen hergestellter Kasten
eingelegt, der mit der eingegossenen Stahlmenge verschweißt und die spätere Blockoberfläche
bildet.
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Das feuerfeste Isoliermaterial bewirkt dabei eine thermische Abschirmung;
die die in der flüssigen Stahlmenge enthaltene Wärmemenge speichert und gewährleistet,
daß nur ein möglichst geringer Anteil dieser Wärme in der Zeiteinheit an die Außenwelt
abgegeben wird. Die in der flüssigen Stahlmenge enthaltene Wärmemenge setzt sich
im wesentlichen zusammen aus der Überhitzungswärme, der Erstarrungswärme und der
Abkühlungswärme des erstarrten Stahlblocks. Bei dem Verfahren nach der DE-OS 31
09 589 wird praktisch die gesamte, sich aus diesen drei Teilen zusammensetzende
Wärmemenge der flüssigen Stahlmenge in der Stahlmenge gehalten, da das Aufheizen
des isolierenden Mantels und gegebenenfalls des Stahlbechkastens in der Energiebilanz
nur eine geringe Wärmemenge verschluckt.
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Aufgrund der guten thermischen Isolierung kühlt der Stahlblock zudem
relativ langsam und damit homogen ab. Er kann somit nach Abstreifen der Form direkt
und energiesparend ausgewalzt werden, ein Wiederaufwärmen vor dem Walzen ist nicht
erforderlich.
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Bei Verwendung von Stahlblechkästen fallen jedoch umfangreiche Arbeiten,
die mit der Herstellung, Lagerhaltung, Vorbereitung für den Guß dieser Kästen verbunden
sind.
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Verwendet man dagegen keine, in die feuerfeste Gießform eingebrachten
Stahlkästen, so erfordert die Vorbereitung der Form für jeden Guß relativ viel Zeit,
da sich diese nach jedem Guß verändert und somit normalerweise ausgebessert werden
muß.
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Andererseits hat es sich herausgestellt, daß die in Gießformen mit
sehr geringer thermischer Masse entsprechend der DE-OS 31 09 589 hergestellten Stahlblöcke
für relativ
lange Zeit bei einer sehr hohen, oberhalb der Walztemperatur
liegenden Zeit verbleiben, weil die Wärmeabgabe an die Umgebung aufgrund des isolierenden
Mantels sehr gering ist. Deshalb wurde bereits vorgeschlagen, die Wärmeabgabe durch
Berieseln des isolierenden Mantels durch Wasser o. dgl. zu beschleunigen. Diese
Maßnahmen erfordern jedoch zusätzlichen Aufwand.
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Ausgehend von dem bekannten Verfahren der eingangs genannten Art ist
es Aufgabe der Erfindung, unter Beibehaltung der Speicherung der Gießwärme in einem
thermisch isolierenden Mantel das bekannte Gießverfahren dahingehend zu verbessern,
daB die Herstellung der Gießform für jeden einzelnen Guß möglichst einfach ist.
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Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig dadurch gelöst, daß die Masse (das
Gewicht) der Gießform so auf die Erstarrungswärme der einzugießenden, flüssigen
Stahlmenge abgestimmt ist, daß sich die Gießform bei Aufnahme der Erstarrungswärme
der Stahlmenge stark, vorzugsweise oberhalb 1.100 °C, jedoch unterhalb ihrer Liquidustemperatur
erwärmt.
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Die Erfindung ermöglicht eine ideale Kombination von einerseits wiederverwendbaren
Gießformen und andererseits dennoch einer optimalen Ausnutzung der Gießwärme für
den anschließenden Walzvorgang. Entscheidend ist dabei die Erkenntnis, daß die Erstarrungswärme
aus der flüssigen Stahlmenge herausgezogen wird und von der Gießform aufgenommen
wird. Hierdurch erhält die aus Gießform (Kokille) und eingegossener Stahlmenge sich
zusammensetzende heiße Masse eine Gesamttemperatur in Nähe der Walztemperatur und
kann somit nach kürzerer Abkühlungszeit ausgewalzt werden als dies beim Verfahren
nach der schon
erwähnten DE-OS 31 09 589 der Fall ist, weil bei
diesem bekannten Verfahren die Erstarrungswärme nicht von der Gießform aufgenommen
wird, sondern vielmehr in die Umgebung abgegeben werden muß. Die Erfindung ermöglicht
somit eine deutliche Zeitersparnis.
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Im Vergleich zu dem Verfahren nach der DE-OS 31 09 589 wird für den
Fall der Verwendung von Stahlblechkästen die Herstellung, Vorbereitung für den Guß
und Lagerhaltung dieser Stahlblechkästen eingespart. Für den Fall einer Form aus
ff-Material ohne derartigen, mit dem eingegossenen Stahlblock verschmelzenden Stahlblechkasten
entfallen die Vorbereitungsarbeiten für die Form, der Umlauf von ff-Material usw.
Der Isoliermantel der Gießform nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird im Vergleich
zum Verfahren nach der DE-OS 31 09 589 weniger stark belastet und kann als dauerhafter
Mantel ausgeführt sein.
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Im Vergleich zum herkömmlichen Kokillenguß ( s. z. B. "The making,
shaping and treating of steel", USS, 1964, S. 465) ist das Gewicht der Gießform
wesentlich geringer, etwa nur ein Viertel einer herkömmlichen Kokille. Hierdurch
wird Material und Energie eingespart. Weiterhin treten wesentlich weniger Spannungsrisse
auf. Insgesamt ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren somit einerseits die Beibehaltung
der normalen Technologie des Kokillengusses, erleichtert aber andererseits die Arbeit
mit der Kokille aufgrund geringeren Gewichts und somit geringerer Anforderung an
die Stripperkräne, bessere Handhabbarkeit und verbesserter thermischer Belastung
der Kokillen, die aufgrund des thermisch isolierenden Mantels eine relativ homogene
Temperaturverteilung annehmen.
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Beim Guß kann die Pfannenauslauftemperatur recht niedrig gehalten
werden, da der Guß nicht viel Zeit in Anspruch nimmt und zudem relativ große Blöcke
gegossen werden können.
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Der wärmedämmende Mantel ist entweder mit der Kokille fest verbunden
oder ist ein eigenstabiler, eventuell durch eine äußere Metallform getragener Mantel,
der die erfindungsgemäße, als dünnwandige Kokille ausgebildete Gießform umschließt.
In beiden Fällen wird der wärmedämmende Mantel nach dem Guß erst kurz vor Beginn
des Walzvorgangs entfernt, um die thermische Isolierung und den Wärmeausgleich innerhalb
des Stahlblocks möglichst lange aufrechterhalten zu können.
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Die Gießform kann in bekannter Weise gestrippt werden. Dadurch läßt
sich thermische Energie einsparen, der erstarrte Stahlblock kann bei der höchstmöglichen
Walztemperatur ohne zusätzliche Erwärmungsschritte ausgewalzt werden.
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Wenn nach dem Guß die als Gießform verwendete Kokille oder dgl. die
Erstarrungswärme des eingegossenen Stahls aufgenommen hat, nimmt diese Gießform
relativ hohe Temperaturen an.
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Damit sind jedoch die statischen Festigkeitswerte der Gießform nicht
mehr gegeben, sie kann also den ferrostatischen Druck der eingegossenen Stahlschmelze,
die nur außen erstarrt ist, im Inneren aber noch flüssig ist, während des nun stattfindenden
Wärmeausgleichs nicht allein aufnehmen.
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Der ferrostatische Druck wird jedoch vom wärmedämmenden Mantel aufgenommen,
der ein Ausbeulen der Gießform verhindert.
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Der wärmedämmende Mantel muß somit so ausgebildet sein, daß er den
ferrostatischen Druck aufnehmen kann, vorzugsweise wird er durch eine Außenform,
die beispielsweise als Metallmantel ausgebildet ist, abgestützt. Der Isoliermantel
hat somit neben seiner Funktion als thermischer Isolator die zusätzliche Aufgabe,
die Gießform nach außen hin abzustützen.
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Die Schichtdicke des isolierenden Mantels ist so gewählt, daß ein
guter Temperaturausgleich innerhalb des gegossenen Stahlblocks erzielt wird. Sie
ist weiterhin entsprechend den Möglichkeiten des Werks so dick ausgebildet, daß
die höchstmögliche Walztemperatur so lange gehalten wird, wie es die Gegebenheiten
des Werks erfordern. Muß der Walzvorgang beispielsweise auf einer entfernten Walzstraße
durchgeführt werden, wird der Isoliermantel relativ dickwandig ausgeführt, um die
Gießhitze auch während des Transports aufrechterhalten zu können. Hierin liegt ein
besonderer Vorzug der Erfindung, der insbesondere für kleinere Werke von Bedeutung
ist, die nicht über Walzkapazität für großformatige Stahlblöcke verfügen.
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Der Fußbereich und der Kopfbereich der Gießform wird so, insbesondere
wannenförmig oder prismatisch ausgebildet, daß die Verluste beim nachfolgenden Walzvorgang
möglichst gering sind.
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Der sich bildende Kopflunker wird durch eine oben auf den flüssigen
Spiegel des Stahlblocks aufgelegte Platte oxidationsdicht abgeschlossen und läßt
sich beim anschließenden Walzvorgang schließen.
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Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der zur Durchführung
dieses Verfahrens geeigneten Vorrichtungen werden im folgenden zwei Ausführungsbeispiele
erläutert und unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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In dieser zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine mit einem Isoliermantel
fest verbundene Kokille einschließlich Greifteil des Stripperkrans, und
Fig.
2 einen Längsschnitt durch eine Kokille mit separatem Mantel.
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In Fig. 1 ist eine relativ dünnwandige Gießform 1, die als Kokille
mit einer Wandstärke von etwa 8 cm ausgebildet ist, gezeigt. Sie erweitert sich
zu ihrem unteren Ende hin mit einem Konuswinkel von 40 und hat damit etwa die doppelte
Konizität der üblicherweise verwendeten, wesentlich dickeren (etwa viermal schwereren)
Normalkokillen. Sie ist auf eine gleich starke Basisplatte 2 aufgesetzt, die jedoch,
wie das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 zeigt, nicht erforderlich ist. Die Basisplatte
wiederum ist auf eine wesentlich grössere Bodenplatte 3 aufgesetzt, die ein Teil
des isolierenden Mantels nach der Erfindung darstellt und die Wärmeabgabe nach unten
verhindert. Diese Bodenplatte 3 wiederum befindet sich auf einem Wagen 4, der auf
einem Gleis 5 rechtwinklig zur Zeichenebene verschoben werden kann, letztere Teile
sind an sich bekannt.
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Mit der als Kokille ausgebildeten Gießform 1 ist ein relativ dickwandiger
Seitenmantel 6 fest verbunden. Er hat in seinem oberen Bereich eine Aussparung 7
für die Bodenplatte 3 und von oben her zugängliche Öffnungen 8, in die jeweils ein
Zangenarm 9 einer Zange 10 eines (hier nicht dargestellten) Stripperkranes eingreifen
kann. Die Öffnungen 8 bleiben bis zum Strippvorgang frei von Material, da der obere,
verstärkte Kragen der Gießform 1 eine genügende statische Abstützung gegen den ferrostatischen
Druck liefert.
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Vor dem Strippvorgang, der in Fig. 1 dargestellt ist, wurde bereits
eine obere Abdeckung 11 entfernt, s. Fig. 1. Die Bodenplatte 3, der Seitenmantel
6 und diese Abdeckung 11 bilden zusammen den isolierenden Mantel. Dabei ist die
Wandstärke der oberen Abdeckung 11 etwas größer als die Wandstärke
der
beiden anderen Teile 3, 6 des isolierenden Mantels, um den Wärmeverlust nach oben
hin kleiner zu halten als zur Seite und nach unten.
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Der Seitenmantel 6 ist unter Berücksichtigung zweier Kriterien aufgebaut
worden: erstens muß er ein thermischer Isolator mit ausreichender Feuerfestigkeit
und ausreichenden Isolationseigenschaften sein, zweitens aber hat er auch einen
Teil des ferrostatischen Drucks aufzunehmen. Nach dem Eingießen eines Stahlblocks
in die Gießform 1 wird die Gießform 1 relativ hoch aufgeheizt. Der Stahlblock erstarrt
in seinen, an der Gießform 1 anliegenden Randbereichen, bleibt jedoch im Kernbereich
flüssig. Dieser flüssige Kernbereich gibt im anschließenden Wärmeausgleichsprozeß
seine Erstarrungswärme nach außen hin, auch an die Gießform 1, ab.
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Diese wird, weil sie durch den Seitenmantel 6 thermisch isoliert ist,
weiter aufgeheizt und kann Temperaturen annehmen, bei denen sie nicht mehr den ferrostatischen
Druck ohne eigene Deformation aufnehmen kann. Deshalb ist der Mantel 6 so ausgeführt,
daß er den anfallenden ferrostatischen Druck seinerseits aufnimmt. Der Außenmantel
des Beitenmantels 6 ist beispielsweise aus mehreren Lagen Asbestschnur gefertigt,
die schraubenlinienförmig in dicht aneinanderliegenden Wicklungen aufgebracht sind
und dadurch ein Ausbeulen der Gießform 1 nach außen hin verhindern.
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Beim Strippvorgang wird der Stahlblock 12 in bekannter Weise mittels
eines PreBstempels 13 in Richtung der Basisplatte 2 gedrückt, während die Zangenarme
9 die Gießform 1 zusammen mit dem Seitenmantel 6 nach oben heben.
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Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist der Seitenmantel
6 im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 nicht mit
der Gießform 1 fest
verbunden, vielmehr befindet sich zwischen der Gießform 1 und dem formsteifen Seitenmantel
6 ein weiterer Teil des Seitenmantels 6 in Form einer dünnen Schicht 14 aus einem
rieselfähigen ff-Material, z. B. Sand.
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Weiterhin ist die Basisplatte 2 entfallen. Schließlich ist der Seitenmantel
6 nicht mehr so ausgebildet, daß er selbst den anfallenden ferrostatischen Druck
aufnehmen kann, sondern diese Aufgabe wird durch einen Metallmantel 15 übernommen,
der den Seitenmantel 6 außen umgibt und mit ihm zusammen eine transportfähige, wiederverwendbare
Einheit bildet. Zugleich schützt er das Material des Seitenmantels 6 gegen mechanische
Beschädigungen. Er ist, um das Material des Seitenmantels 6 besser halten zu können,
unten L-förmig umgebogen. Schließlich hat er oben Ösen 16, die zum Heben des Metallmantels
15 samt daran befestigtem Seitenmantel 6 dienen.
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Die Bodenplatte 3 ist von einer Metallwanne 18 umschlossen, die einen
nach oben vorstehenden Kragen 19 hat, welcher den Metallmantel 15 außen übergreift.
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In Fig. 2 ist der Zeitpunkt nach Beendigung des Gießens und kurz vor
dem Aufsetzen der Abdeckung 11 gezeigt. In der Gießform befindet sich der noch flüssige
Stahlblock 12, auf den oben eine Platte von ca. 2 bis 5 mm Stahlblech aufgelegt
ist. Dieser verschweißt mit dem Material des Stahlblocks in bekannter Weise (5.
DE-OS 31 09 589, deren Offenbarung ausdrücklicher Bestandteil der Offenbarung dieser
Anmeldung ist).
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Nach dem Wärmeausgleich usw. wird, kurz vor Beginn des Walzvorgangs,
zunächst unter Zuhilfenahme der Ösen 16 der Metallmantel 15 mit dem an ihm befestigten
Seitenmantel 6 nach oben abgezogen, die Schicht 14 rieselt dabei nach unten und
wird von der Wanne 18, insbesondere dem Kragen 19
aufgefangen.
Zurück bleibt die Gießform 1, die nun nach herkömmlichen bekannten Methoden gestrippt
werden kann.