DE3406731C2 - Verfahren und Einrichtung zum Stranggießen von Metallen, insbesondere von Stahl - Google Patents

Abstract

Derartige Kühlverfahren bzw. Einrichtungen dienen der zwangsweisen Kühlung und Kristallbildung zur schnellen Erzeugung von Gußgefüge. Beim schnellen Kühlen von Metallschmelze, z. B. mit Wasser, innerhalb der Sekundärkühlung (2b) entsteht praktisch eine Unterkühlung der Werkstoffoberfläche, wodurch Spannungen im Werkstoff und damit innere und äußere Risse entstehen. Zur Vermeidung derartiger Temperaturwechselbeanspruchungen der Strangoberfläche bzw. überhaupt des Gußwerkstoffes und damit zur Vermeidung von Wechselspannungen wird vorgeschlagen, daß dem Gußstrang (1) in der Sekundärkühlung (2b) Überhitzungs- und Erstarrungsenergien in der Weise entzogen werden, indem zwischen Stranggießkokille (2) und Ende der Strangführung das Strangschalenwachstum verlangsamt wird, wobei die Übertragung der Überhitzungs- und der Erstarrungsenergien ausschließlich im Wege der Wärmestrahlung erfolgt, und daß am Ende der Strangführung der Gußstrang (1) 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.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Stranggießen von Metallen, insbesondere von Stahl, durch Primärkühlung der Schmelze in der Stranggießkokille und nachfolgender Sekundärkühlung außerhalb der Stranggießkokille.

Derartige Kühlverfahren 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 Stranggießkokille weist beim Vergießen von Stahl eine Temperatur von 1300° C (im Kern 1500⁰C) auf und am Ende der Stranggießmaschine eine Hauttemperatur von ca. 1200⁰C, wobei der Gußstrangkern gerade erstarrt ist.

Dieses Verfahren bedingt eine relativ lange Erstarrungsstrecke.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, die Temperaturwechselbeanspruchung der äußeren Strangquerschnittsbereiche zu vermeiden und damit die gefährlichen Wechselspannungen, die zu inneren und an der Oberfläche befindlichen Rissen im Gußwerkstoff führen, zu beseitigen.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch

ίο 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

;5 Überhitzungs- und Erstarrungsenergien — abgesehen von der Wärmeleitung durch die Stützorgane bzw. abgesehen von der Konvektion durch Luft — ausschließlich im Wege der Wärmestrahlung erfolgt, wobei die Abstände der Stützorgane bis auf einen Bewegungsspalt verkleinert sind, und daß dadurch der Gußstrang am Ende der Strangführung 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 Wärmestrahlüng. 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 Temperaturgradient über den Querschnitt des Gußstranges verringert. Damit geht die nachteilige Dcndritenbildung im Gußgefüge zurück und die Enistehung des für die Weiterverarbeitung vorteilhaften globulitischen Gefüges wird gefördert.

In Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Entziehung der Überhitzungs- und Erstarrungsenergien durch Änderung der Wärmeaufnahme in den Stützorganen der Sekundärkühlung 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. Diese Maßnahme kann im übrigen durch geeignete Wahl der Werkstoffe der Stützorgane, die meist aus Stützrollen bestehen, und durch die Kühlwasserbeaufschlagung im Inneren der Stützorgane praktisch ausgeführt werden.

Die Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ferner dahingehend gestaltet, daß die Strangführung Stützabstände der Stützorgane zwischen 80 und 120 mm aufweist 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 erfindungsgemäßen Verfahrensvorteile erzielt werden können.

In Ausgestaltung dieses Grundgedankens wird vorgeschlagen, daß die Isolationsschicht aus einem metallkeramischen Überzug 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.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Anhand des Ausführungsbeispiels wird ebenfalls das erfindungsgemäße Verfahren nachfolgend beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen senkrechten Teilschnitt durch Stranggießkokille und Gußstrang einer Bogenstranggießanla-

F i g. 2 einen Querschnitt durch Gußstrang und Stützorgane gemäß der Schnittlinie II-II in Fig. 1,

Fig.3 ein Diagramm über den Verlauf der Oberflächentemperaturen bei drei unterschiedlichen Abkühlungsverfahren und

F i g. 4 ein Diagramm der Enthalpie von Stahl in Abhängigkeit der Temperatur.

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 Stranggießkokille 2 bildet daher die Primä-kühlung 2a und die außerhalb der Stranggießkokille 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. 1300⁰C an seiner Oberfläche und im Kern ca. 1500° C besitzt, ist die Wärmeabfuhr durch Strahlung, so wurde durch praktische Versuche ermittelt, eine ausreichende Kühlung.

Die Strangschale 3a (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 Gußsuang 1 entsprechend den Walzgutlängen unterteilt wird.

Die Steuerung des Wärmeentzugs in dpr Sekundärkühlung 2b erfolgt nun vorteilhafterweise derart, daß der Kühlmitteldurchfluß 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 da3 auf ein Stützorgan entfallende Energiemengen durch den Durchmesser »D«, den Stüt/.abstand »Y« und aen Bewegungsspalt »X« zwischen jeweils zwei Stützorganen 3 bekannt sind.

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 Stülzorgane 3 besitzen zusätzlich eine isolationsschicht 6, die im Ausführungsbeispiel aus einem metallkeramischen Überzug 6a besteht. Dieser Überzug 6a wird so weil 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. Der Gußstrang 1 wird daher so heiß gefahren, daß der Temperaturgradient von der Strangmitte 8 gegenüber der Strangaußenzone 9 niedrig ist. C. ie Lager 10 sind ebenfalls kühlmittelbeaufschlagt und damit vor der Strahlungshitze geschützt.

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 dsr 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.

Die Temperatur-Wechselbeanspruchungen ergeben sich aus F i g. 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 Prax·« 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 Ei, E2 und E3 auf.

Die Erfindung wird nunmehr noch anhand des Enthalpie-Diagramms gemäß Fig.4 verdeutlicht Der Energieinhalt der Metallschmelze in der Stranggießkokille 2 wird durch T-Kokille bzw. Ε-Kokille bezeichnet. Nach Primärkühlung 2a und im Bereich der Sekundärkühlung 2b ist dem Gußstrang die Energie £-Kokille bis E-WaIzanstich entzogen, wodurch die Temperatur 7"-Walzanstich erzielt wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnunger

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Stranggießen von Metallen, insbesondere von Stahl, durch Primärkühlung der Schmelze in der Stranggießkokille und nachfolgender Sekundärkühlung außerhalb der Stranggießkokille, dadurch gekennzeichnet,

daß dem Gußstrang im Sekundärbereich Oberhitzungs- und Erstarrungsenergien in der Weise entzogen werden, indem zwischen Stranggießkokille und Ende der Strangführung das Strangschalenwachstum verlangsamt wird, wobei die Übertragung der Oberhitzungs- und Erstarrungsenergien — abgesehen von der Wärmeleitung durch die Stützorgane bzw. abgesehen von der Konvektion durch Luft — ausschließlich im Wege der Wärmestrahlung erfolgt, wobei die Abstände der Stützorgane bis auf einen Bewegungsspalt verkleinert sind, und
daß dadcuch der Gußstrang am Ende der Strangführung auf eine Temperatur entsprechend demjenigen Wärmeinhalt abgekühlt wird, der für den nachfolgenden Walzvorgang erforderlich ist unter Berücksichtigung eines Energiezuschlags, der dem Verlust während der Verweilzeil zwischen Ende Stranggießvorrichtung und Einlauf in das Walzwerk entspricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entziehung der Überhitzungs- und Erstarrungsenergien durch Änderung der Wärmeaufnahme in den Stützorganen der Sekundärkühlung gesteuert wird.

3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sirangführung Stützabstände (Y) der Stützorgane (3) zwischen 80 und 120 mm bildet und daß die Stützorgane (3) jeweils mit einer Isolationsschicht (6) überzogen sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht (6) aus einem metallkeramischen Oberzug (6a,) besteht.