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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum
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Stranggießen von Metallen, insbesondere von Stahl, durch Primärkühlung
der Schmelze in der Stranggießkokille und nachfolgender Sekundärkühlung außerhalb
der Stranggießkokille.
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Derartige Kühl verfahren dienen der zwangsweisen Kühlung und Kristallbildung
zur schnellen Erzeugung von Gußgefüge. Beim Kühlen mit Wasser (Sekundärkühlung)
entsteht praktisch eine Unterkühlung der Werkstoffoberfläche, wodurch Spannungen
im Gußwerkstoff und damit Risse im Gußstrang entstehen. Im praktischen Betrieb wurde
versucht, durch die sog. Zweistoff-Kühlung eine Milderung der Abschreckwirkung von
Wasser herbeizuführen. In allen Fällen entsteht jedoch nach wie vor ein an- und
abschwellender Temperaturverlauf, der zu den gefährlichen Ausbauchungen des im Inneren
flüssigen Gußstranges führt. Außerdem ist der Temperatursprung vom flüssigen Stranginneren
zur erstarrten Strangoberfläche äußerst ungünstig hoch. Der Gußstrang am Ende der
Stranggleßkokllle weist beim Vergießen von Stahl eine Temperatur von 13000C (im
Kern 1500"C) auf und am Ende der Stranggießmaschine eine Hauttemperatur von ca.
1200"C, wobei der Gußstrangkern gerade erstarrt ist.
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Dieses Verfahren bedingt eine relativ lange Erstarrungsstrecke.
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Der Erfindung liegt demgegenübr die Aufgabe zugrunde, die Temperaturwechselbeanspruchung
der äußeren Strangquerschnittsbereiche zu vermeiden und damit die gefährlichen Wechsel
spannungen, die zu inneren und an der Oberfläche befindlichen Rissen im Gußwerkstoff
führen, zu beseitigen.
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Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem
Gußstrang im Sekundärkühlbereich Überhitzungs- und Erstarrungsenergien in der Weise
entzogen werden, indem zwischen Stranggießkokille und Ende der Strangführung das
Strangschalenwachstum verlangsamt wird, wobei die Übertragung der Überhitzungs-
und Erstarrungsenergien ausschließlich im Wege der Wärmestrahlung
erfolgt,
und daß am Ende der Strangführung der Gußstrang auf eine Temperatur entsprechend
demjenigen Wärmeinhalt gebracht wird, der für den nachfolgenden Walzvorgang erforderlich
ist unter Berücksichtigung eines Energiezuschlags, der dem Verlust während der Verweilzeit
zwischen Ende Stranggießvorrichtung und Einlauf in das Walzwerk entspricht. Diese
Art der Kühlung ist nicht schroff im Sinn einer Spritzwasserkühlung, sondern weich
durch die Abfuhr der Wärme über die natürliche Wärmestrahlung. Außerdem steigt durch
diese Kühlung die absolute Endtemperatur am Ende der Stranggießanlage, wodurch eine
erneute Erwärmung für einen unmittelbar folgenden Walzvorgang erspart werden kann.
Ferner wird der Temperaturgradlent über den Querschnitt des Gußstranges verringert.
Damit geht die nachteilige Dendritenbildung im Gußgefüge zurück und die Entstehung
des für die Weiterverarbeitung vorteilhaften globolitischen Gefüges wird gefördert.
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In Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Entziehung der
Überhitzungs- und Erstarrungsenergie durch Reflektieren der Wärmestrahlen gesteuert
wird. Dadurch entsteht eine zwar langsamere Abkühlung, die jedoch über den Strangquerschnitt
gleichmäßiger erfolgt, so daß nachteilige Temperatursprünge und somit die Rißbildung
vermieden werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, daß das Reflektieren der Wärmestrahlen
durch Änderung der Wärmeaufnahme in den Stützorganen der Sekundärkühlung gesteuert
wird. Diese Maßnahme kann durch Werkstoffe der Stützorgane, die meist aus Stützrollen
bestehen und durch die Kühlwasserbeaufschlagung im Inneren der Stützorgane praktisch
ausgeführt werden.
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Die Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist ferner dahingehend gestaltet, daß die Strangführung Stützabstände der Stützorgane
zwischen 80 und 120 mm bildet, daß die Abstände der Stützorgane bis auf einen Bewegungsspalt
verkleinert
sind und daß die Stützorgane jeweils mit einer Isolationsschicht
überzogen sind. Geringste Ausbauchungen des Gußstrangs entstehen bei geringstmöglichen
Stützabständen bei höherer Durchschnittstemperatur des Gußstranges, wodurch die
erff ndungsgemäßen Verfahrensvorteile erzielt werden können.
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In Ausgestaltung dieses Grundgedankens wird vorgeschlagen, daß die
Isolationsschicht aus einem metallkeramischen Uberzug besteht. Die angestrebte langsame
Wärmeabfuhr wird durch die temperaturbeständige Außenschicht der Stützorgane gesteuert,
so daß die angestrebte Vergleichmäßigung des Temperaturgradienten über den Gußstrangquerschnitt
und damit eine gleichmäßigere rißfreie Abkühlung des zu gießenden Metallstranges
erreicht werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung ist in der
Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
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Anhand des Ausführungsbeispiels wird ebenfalls das erfindungsgemäße
Verfahren nachfolgend beschrieben. Es zeigen Fig. 1 einen senkrechten Teilschnitt
durch Stranggießkokille und Gußstrang einer Bogenstranggießanlage, Fig. 2 einen
Querschnitt durch Gußstrang und Stützorgane gemäß der Schnittlinie II - II in Fig.
1.
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Fig. 3 ein Diagramm über den Verlauf der Oberflächentemperaturen bei
drei unterschiedlichen Abkühlungsverfahren und Fig. 4 ein Diagramm der Enthalpie
von Stahl in Abhängigkeit der Temperatur.
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Der Gußstrang 1 wird in der Stranggießkokille 2, d.h. durch Primärkühlung
2a in Form eines Kühlwasserkreislaufs hinter Kupferwänden so weit gekühlt, daß sich
eine Strangschale la bildet, die den noch flüssigen oder teigigen Kern des Gußstranges
1 umschließt. Die Stranggleßkokille 2 bildet daher die Primärkühlung 2a und die
außerhalb der Stranggießkokllle 2 befindlichen Stützorgane 3, die meist aus Stützrollen
3a bestehen, liegen in der Sekundärkühlung 2b. Da der Gußstrang 1 am Ausgang 4 der
Stranggießkokille
2 eine Temperatur von ca. 130000 an seiner Oberfläche
und im Kern von ca. 150000 besitzt, ist die Wärmeabfuhr durch Strahlung, so wurde
durch praktische Versuche ermittelt, eine ausreichende Kühlung.
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Die Strangschale la (Fig. 2) wächst nunmehr langsam von außen nach
innen, so daß der Gußstrang 1 auf seiner Bahn 5 entsprechend durcherstarrt. Am Ende
der Bahn 5 (nicht gezeigt) weist der Gußstrang 1 dann noch einen solchen Wärmeinhalt
auf, der für den nachfolgenden Walzvorgang erforderlich ist, wobei ein Energiezuschlag
gemacht wird, der den Wärmeverlust während der Verweilzeit zwischen Ende der Stranggießvorrichtung
und Einlauf in das Walzwerk berücksichtigt, wobei der Gußstrang 1 entsprechend den
Walzgutlängen unterteilt wird.
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Die Steuerung des Wärmeentzugs in der Sekundärkühlung 2b erfolgt nun
vorteilhafterweise derart, daß der Kühlmittel durchfluß durch die Stützorgane 3
entsprechend der Temperatursteigerung durch Wärmeaufnahme in den Stützorganen 3
reguliert wird. Die Regulierung der abzuführenden Wärmemenge richtet sich zunächst
durch die im voraus bekannte Überhitzungs- bzw. Erstarrungsenergie und kann daher
in ihrer Größe berechnet werden, so daß auf ein Stützorgan entfallende Energiemengen
durch den Durchmesser "D", den Stützabstand Y und den Bewegungsspalt "X" zwischen
jeweils zwei Stüzorganen 3 bekannt sind.
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Die Strangführung weist Stützabstände "Y" der Stützorgane 3 zwischen
80 und 120 mm auf, und die Abstände zwischen den Oberflächen der Stützrollen 3a
sind bis auf den Bewegungsspalt "X" verkleinert. Die Stützorgane 3 besitzen zusätzlich
eine Isolationsschicht 6, die im Ausführungsbeispiel aus einem metallkeramischen
Überzug 6a besteht. Dieser Überzug 6a wird so weit durch den heißen Gußstrang 1
erwärmt als Sicherheit gegen Verschleiß und/oder Bruch gewährleistet ist. Darüber
hinaus wird
Wärmeenergie durch das Kühlmedium 7, z.B. Kühlwasser,
abgeführt.
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Der Gußstrang 1 wird daher so heiß gefahren, daß der Temperaturgradient
von der Strangmitte 8 gegenüber der Strangaußenzone 9 niedrig ist. Die Lager 10
sind ebenfalls kühlmlttelbeaufschlagt und damit vor der Strahlungshitze geschützt.
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Es handelt sich somit bei der beschriebenen Stranggießanlage um eine
sog. trocken betriebene Stranggießanlage, wodurch die gesamte Wasserwirtschaft mit
Ausnahme der Kühlung der Stützorgane bzw. der Lager zwischen geteilten Stützorganen
3 entfällt. Eine solche trockene Stranggießanlage ist deshalb von besonderer Bedeutung,
weil einesteils das Betreiben der Stranggießanlage weniger Aufwand erfordert und
andererseits erheblich an Energie gespart wird, da die zum Walzen von abgelängten
Stranggußstücken erforderliche Wärmeenergie nicht mehr durch Aufheizen In besonderen
Vorwärmöfen zugeführt werden muß.
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Die Temperatur-Wechselbeanspruchungen ergeben sich aus Fig. 3, wobei
der Kurve 1 eine Spritzwasserkühlung mit entsprechend hoher Wechselbeanspruchung
des Gußwerkstoffes an der Oberfläche zugrundeliegt. Eine wesentlich kleinere Temperaturwechselbeanspruchung
ergibt sich durch eine mildere Kühlung gemäß Kurve 2, wodurch in der Praxis auch
noch in Sonderfällen Oberflächenrisse nicht ganz ausgeschlossen werden können. Demgegenüber
zeigt Kurve 3 eine vernachlässigbar kleine Temperaturwechselbeanspruchung, wobei
die absoluten Temperaturen höher liegen im Sinn der beschriebenen Erfindung. Am
Ende der Strangführungen (1',2',3') weisen die einzelnen Abkühlungsverfahren dann
die Energieinhalte El, E2 und E3 auf.
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Die Erfindung wird nunmehr noch anhand des Enthalple-Dlagramms gemäß
Fig. 4 verdeutlicht. Der Energieinhalt der Metallschmelze in der Stranggleßkokllle
2 wird durch T-Kokllle bzw. E-Kokille bezeichnet. Nach Primärkühlung 2a und im Bereich
der Sekundärkühlung 2b ist dem Gußstrang die Energie E-Kokille bis E-Walzanstich
entzogen, wodurch die Temperatur T-Walzanstich erzielt wird.