DE3440317C2 - Verfahren zur Herstellung einer Stranggießkokille mit verschleißfesten Formstücken - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel­ lung einer Kokille für Stranggießanlagen mit als Formstücke ausgebildeten verschleißfesten Schichten im Bereich der in einem Rahmen gehaltenen, miteinander verspannten und den Form­ hohlraum bildenden Wandplatten aus Kupferwerkstoffen, wobei die Formstücke an diese Wandplatten angebracht und/oder in diese eingepaßt sind.

Zum Stranggießen hochschmelzender Metalle, wie beispielsweise Eisen und Stahl, finden bekanntlich Stranggieß-Durchlaufkokillen Anwendung, die aus Kupferwerkstoffen wegen der hohen Wärmeleit­ fähigkeit dieser Materialien hergestellt sind. Je nach dem Verwendungszweck sind einteilige oder auch mehrteilige Kokillen zu unterscheiden, die, handelt es sich um einteilige, aus nahtlos geschmiedeten Blöcken, aus nahtlos gepreßten oder gegossenen Rohren oder auch aus verschweißten Blechen oder Bändern hergestellt sind, oder auch, wenn mehrteilige Kokillen verlangt werden, aus miteinander in einem Rahmen verspannten, den Formhohlraum bildenden Wandplatten bestehen, die während der Fertigung Wärmebehandlungen und Verformungsoperationen unterzogen werden. Solche Stranggieß-Kokilleneinsätze aus Kupfer­ werkstoffen, die niedrig oder hochlegierte Kupferlegierungen sein können, unterliegen im Formhohlraum durch die Reibung der erstarrten Strangschale und durch die zwischen Strang und Kokillenformraum einfließenden Schlacketeilchen einem erheb­ lichen Verschleiß. Die hierdurch bewirkte Formänderung der Kokilleninnenmaße verkürzt die mögliche Einsatzdauer der Kokillen entscheidend. Es ist deshalb erforderlich, daß nach einer gewissen Betriebszeit eine Nachbearbeitung der Platten vorgenommen werden muß, um dem durch den Einfluß der auf­ tretenden Beanspruchung sowohl mechanischer als auch thermischer Art bewirkten Verschleiß der den Formhohlraum bildenden Kokillenwände Einhalt zu gebieten. Durch diese Nachbearbeitung wird der ursprüngliche Querschnitt des Formhohlraums verändert, d. h. der Querschnitt des gegossenen Stranges ändert sich ebenfalls. Zur Erzielung eines gesunden Stranges und zur Ver­ meidung von gefürchteten Durchbrüchen ist es jedoch unbedingt erforderlich, die der Stranggießkokille folgende Strangführung genau auf den Querschnitt des Formhohlraums bzw. des Stranges auszurichten.

Zur Vermeidung von Kantenrissen ist es ferner notwendig, die Kantenpartien des Formhohlraums entsprechend abzurunden. Ins­ besondere bei Plattenkokillen zum Gießen von Strängen mit größeren Querschnitten, z. B. von Brammen, werden deshalb die Abrundungen in die Platten eingearbeitet. Bei Verschleiß­ erscheinungen an den Platten, z. B. einer Längsplatte einer Brammenkokille, muß demnach sowohl die Platte als auch die Rundung nachgearbeitet werden. Wie eingangs beschrieben, er­ gibt sich dadurch zwangsläufig ein größerer Querschnitt des nach dem Zusammenbau der Stranggießkokille gegossenen Stranges, und der beschriebene Nachteil tritt auf. Eine Nachjustierung des Kokillenmaßes macht andererseits wegen des erheblichen Zeitaufwandes einer solchen Maßnahme einen bestimmten Kokillen­ park erforderlich, wenn keine Produktionsverminderung in Kauf genommen werden soll.

Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, ist bereits vorge­ sehen (DE-PS 19 39 777), in den Ecken zwischen den Wandplatten (Längs- und Querplatten) der Kokille Übergangsstücke aus gegenüber dem Material der Kokillenplatten unterschiedlichem Material anzuordnen. Dabei sind diese Übergangsstücke bei der bekannten Ausführung in Ausnehmungen jeweils einer der beiden Wandplatten mechanisch befestigt, wobei deren Anlagefläche in Längsrichtung dieser Platte schmaler ist als die Dicke der angrenzenden zweiten Wandplatte. Den an die heute verwendeten Stranggießkokillen aufgrund der höheren Leistungsfähigkeit der installierten Stranggußanlagen gestellten Forderungen genügen diese bekannten Ausführungsformen jedoch nicht immer.

Das gilt für die sog. Festkokillen mit von außen unveränder­ lichem Querschnitt des Formhohlraumes: insbesondere aber auch für die als Verstellkokillen bekannten Ausführungen, bei denen während des Gießens der Strangquerschnitt durch Verschieben der Schmalseiten- oder Querplatten geändert wird. Hier tritt nämlich durch Reibung an den Berührungsflächen zwischen den Längsplatten und den Schmalseitenkanten ein starker Verschleiß, beispielsweise durch Fressen ein sog. Furchenverschleiß, auf, der die betroffene Kokille in kurzer Zeit infolge Ausbildung unregelmäßiger Spalte unbrauchbar macht bzw. eine mechanische Nacharbeit erfordert.

Zur Vermeidung der starken Reibung und damit zur Reduzierung des Verschleißes hat man bereits versucht, die Kupferlängs­ platten mit höher festen Werkstoffen, wie Nickel, Chrom, Molybdän u. a. zu beschichten und die unbeschichteten Quer­ platten an den Berührungskanten ggf. über zusätzliche Schmier­ nuten mit hoch hitzebeständigem Fett zu schmieren. Der Nach­ teil dieser Lösung sind die hohen Kosten, die durch die zu­ sätzliche Beschichtung entstehen, der weitere Nachteil liegt darin begründet, daß durch die mechanische Einwirkung des Guß­ strangs die Beschichtung frühzeitig verschlissen wird. Auch Versuche, die relativ kleine Fläche der Schmalseitenkanten (Querplattenkanten) mit einem gegenüber dem Kupferwerkstoff der Kokillenplatte härteren Werkstoff zu beschichten, etwa durch galvanische oder chemische Vernickelung dieser Fläche oder durch Aufbringen von Hartmetallen mittels Flamm- oder Plasmaspritzen, haben nicht zum Erfolg geführt. Die Haft­ festigkeit solcher Schichten auf den schmalen Flächen reicht nicht aus, beim Verstellvorgang platzen diese Schichten viel­ mehr relativ schnell und undefiniert wieder ab. Neben den Kosten für die Reparatur und Neubeschichtung entstehen häu­ fig sehr hohe Kosten als Folge von Durchbrüchen, die durch plötzliche undefinierte Spaltbildungen hervorgerufen werden.

Unabhängig von der Art der Kokille, Fest- oder Verstellkokil­ le, befindet sich ein weiterer Bereich hohen Verschleißes am Austrittsende der Kokille. Hier führt die starke Reibung zwi­ schen dem an der Oberfläche bereits erstarrten Gußstrang und der Kokillenwandung zu einem vorzeitigen Ende der Gebrauchs­ eignung der Kokille. Ein bekannter Vorschlag (DE-PS 31 42 196), in diesem gefährdeten Bereich eine Verschleißschutz­ schicht mit gegenüber der auf der restlichen Kokillenfläche größerer Wanddicke galvanisch niederzuschlagen, aufzusprühen oder durch Explosionsplattieren aufzubringen, hat sich offen­ bar aus den dargelegten Gründen bisher ebenfalls nicht durch­ setzen können.

Probleme durch erhöhten Verschleiß gibt es auch im bzw. un­ terhalb des Badspiegelbereichs. In diesem Zusammenhang hat man bereits (DE-OS 19 57 332) zumindest in dem den Badspie­ gelbereich umfassenden Teil der den Formhohlraum begrenzenden Kokillenwände Einsätze aus gegenüber dem Plattenmaterial un­ terschiedlichen Werkstoffen vorgesehen. Das zum Einbringen dieser Einsätze vorgeschlagene Warmwalzen oder -plattieren, die Hochgeschwindigkeitsverformung oder das Explosivplattie­ ren sind recht kostenaufwendig.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Stranggießkokillen anzugeben, mit dem die Korrosions- sowie Verschleißfestigkeit der den Formhohlraum begrenzenden Wand­ platten verbessert und damit die Standzeit der Kokille erhöht werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnen­ den Teil des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Die spaltfreie Befestigung der Formstücke mittels Elektronen­ strahlschweißen bietet Gewähr dafür, daß sich die metallur­ gisch zu verbindenden Teile beim Schweißvorgang nicht ver­ ziehen und nur eine äußerst schmale Schweißzone entfestigt wird. Die maßgenaue Form sowie die Abmessung der den Form­ hohlraum bildenden Kokilleninnenflächen werden ebenso wenig durch den Schweißvorgang negativ beeinflußt, wie die durch eine Kaltverfestigung erzeugte Härte der Wandplatten. Darüber hinaus läßt der metallurgische Verbund von Formstücken und Kokillenwänden Rißbildungen nicht zu.

Besondere Vorteile ergeben sich aus dem erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere für den Bereich am Austrittsende der Kokille und für den Bereich, in dem Quer- und Längsplatten druckbelastet gegeneinander wirken. Diesen flächenmäßig eng begrenzten Bereich spaltenfrei und dauerhaft mit den Ver­ schleiß vermindernden Mitteln auszustatten, war bisher nicht möglich. Erst durch die Erfindung ist erreicht, daß bei Fest­ kokillen eine Spaltbildung zwischen Längs- und Querplatten infolge Kriechen bzw. Schrumpfen des unter äußerem Druck ste­ henden Plattenpaares, bewirkt durch den Anpreßdruck und ther­ mische Spannungen beim Gießen sowie infolge mechanischer Be­ schädigungen, unterbleibt.

Sind, wie in Weiterführung der Erfindung auch vorgesehen, die Leisten mittels Elektronenstrahl in die Kantenbereiche der Querplatten eingeschweißt, dann ist diese Ausführungs­ form besonders für den Einsatz bei Verstellkokillen geeignet. Der sonst beim Verschieben der Schmalseitenplatten infolge starker Reibung an den Berührungsflächen für Längs- und Quer­ platten auftretende Verschleiß ist vermieden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich dann, wenn unabhängig von den Kantenbereichen die Form­ stücke als verschleißfeste Einsätze in die dem Gußstrang zu­ gekehrten Flächen der den Formhohlraum begrenzenden Wand­ platten eingefügt und mittels Elektronenstrahl eingeschweißt werden. Dies kann beispielsweise der Badspiegelbereich sein, aber auch entsprechend der obengenannten Kokillenausführung (DE-PS 31 42 196) der Bereich unterhalb des Badspiegels. In diesem Fall können die Einsätze sich auch vom Badspiegelbe­ reich in Durchlaufrichtung erstrecken, wobei die Einsätze keil- oder teilkeilförmig mit in Durchlaufrichtung des Stranges aufeinander zulaufenden Begrenzungsflächen ausgebildet werden.

Für die Einsätze im Badspiegelbereich und unterhalb kann es zur Stabilisierung der Abkühlverhältnisse auch von Vorteil sein, bei der Werkstoffauswahl neben der Verschleißfestigkeit auch die Wärmeleitfähigkeit der Materialien in Betracht zu ziehen. Hier ergibt sich neben der Erhöhung der Verschleiß­ festigkeit die Möglichkeit der einfachen Steuerung des Wärme­ durchgangs im Kokillenbereich.

Neben der Werkstoffauswahl spielt auch die äußere Form des Einsatzes eine entscheidende Rolle, so daß durch die äußere Formgebung z. B. der Wärmedurchgang, ausgehend vom Badspiegel­ bereich, mit fortschreitender Abkühlung des gegossenen Stranges vergrößert oder vermindert wird.

Als verschleißfeste Werkstoffe, die gemäß der Erfindung ver­ wendet werden können, kommen alle verschweißbaren Materialien in Frage. Unter den bevorzugt einsetzbaren Werkstoffen sind beispielsweise das Molybdän, Kupfer-Beryllium-Legierungen, aber auch hochfester Stahl. Als Basiswerkstoffe für die ver­ schleißfesten Formstücke haben sich aber auch sog. Superle­ gierungen auf Nickelbasis als zweckmüßig erwiesen, etwa Mehr­ stofflegierungen des Systems Ni - Mo - Fe mit Zusätzen wie Cr, Co, W, Ti und Al. Solche Legierungen sind unter den Handels­ namen Inconel, Hastelloy oder Nimonic bekannt. Zur Durchfüh­ rung der Erfindung haben sich aber auch superfeste Werkstoffe auf Eisenbasis mit Zusätzen wie Cr, Ni, Mo und Al sowie tempe­ raturbeständige Gußwerkstoffe auf Eisen-, Nickel- oder Kobalt- Basis als zweckmäßig erwiesen. Alle diese "Hartmetalle" lassen sich mit beliebigen niedrig- oder hochlegierten Kupferlegie­ rungen durch Elektronenstrahlschweißen verbinden.

Die Erfindung sei anhand der in den Fig. 1 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert

Die Fig. 1 zeigt die Wandplatte 1 einer Plattenkokille für den Stahlstrangguß aus einer kalt verformten Kupfer-Legierung. Die Durchlaufrichtung des Gußstranges ist durch den Pfeil ge­ kennzeichnet. Um die dem Verschleiß besonders ausgesetzten Kantenbereiche der Kokillenplatten, Längs- oder Querplatten, zu schützen, Rißbildungen zu vermeiden und einwandfreie Gußer­ zeugnisse zu gewährleisten, sind die Kantenbereiche 2 und 3 der Wandplatte 1 z. B. ausgefräst und die entstandenen Aus­ nehmungen sind die Leisten 4 und 5 aus einem Hartmetall ein­ gesetzt. Damit diese Leisten an bzw. in der Wandplatte 1 sicher und spaltfrei auch bei den auftretenden mechanischen Bean­ spruchungen während des Betriebes gehalten werden, sind sie durch eine Elektronenstrahlschweißung befestigt. Die ge­ zogenen Schweißnähte 6 und 7 sind räumlich eng begrenzt, die verhältnismäßig kurzfristige Erwärmung auf eng begrenztem Raum schließt eine Erweichung auch der benachbarten Bereiche der Wandplatte 1 aus.

Die Fig. 2 zeigt die Wandplatte 8 als Längs- oder Querplatte, die in Abzugsrichtung des Gußstranges am ausgangsseitigen Ende mit einer Leiste 9 aus verschleißfestem Material ver­ sehen ist. Der Einbau dieser Leiste erfolgt entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1, die durch die Elektro­ nenstrahlschweißung hervorgerufenen Schweißnähte sind mit 10 und 11 bezeichnet.

In der Fig. 3 ist eine sog. Plattenkokille schematisch dar­ gestellt, sie besteht aus den Längsplatten 12 und den Quer­ platten 13, die, wie durch Pfeile angedeutet, mit Hilfe eines äußeren nicht dargestellten Stahlrahmens gegeneinander ge­ drückt und in diesem verspannten Zustand gehalten werden. Zur Vermeidung von Spaltbildungen in den mit 14 bezeichneten Eck­ bereichen sind die verschleißfesten Leisten 15, wie oben bereits beschrieben, mit Elektronenstrahlschweißung dauerhaft in die Querplatten 13 eingefügt, sie bilden mit dieser eine Einheit.

Die Einschweißung der verschleißfesten Leisten nach der Er­ findung im Kantenbereich hat vor allem Vorteile bei den sog. Verstellkokillen, bei denen der Gußraum durch Verschieben der Querplatten gegenüber den Längsplatten geändert wird. Eine solche Ausführungsform zeigt in vergrößertem Maßstab die Fig. 4. In Pfeilrichtung hin und her verschiebbar ist auf der Längsplatte 16 die Querplatte 17 angeordnet. Druckbelastet wirkt diese Querplatte gegen die Längsplatte 16 nicht selbst im Kantenbereich, sondern über die Leiste 18 aus einem ver­ schleißfesten Material. Durch Elektronenstrahlverschweißung längs der Schweißnähte 19 in die Bildebene hinein sind die Leisten 18 spaltenfrei in der Kante der Querplatte 17 gehalten, Leiste 18 und Platte 17 bilden eine Einheit.

Abweichend hiervon zeigt die Fig. 5 eine sog. Festkokille mit unveränderbarem Gußraumquerschnitt, bei der z. B. die ver­ schleißfesten Leisten 20 in eine Ausnehmung der Längsplatte 21 durch Elektronenstrahlschweißung eingefügt sind. Gegen diese, durch die metallurgische Einbindung in die Wandplatte dauer­ haft und spaltenfrei befestigte Leiste 20 wirkt druckbe­ lastet die Querplatte 22.

Die Fig. 6 und 7 schließlich zeigen Ausführungsformen der Erfindung, bei denen im Badspiegelbereich und in Durchlauf­ richtung des Stranges darunter Einsätze aus einem verschleiß­ festen Material angeordnet sind. In der Fig. 6 weist die Wandplatte, Längs- und Querplatte, 23 einer Kokille den im Querschnitt rechteckförmigen Einsatz 24 auf, der zur Erzielung eines guten Wärmeüberganges zwischen der Kupferplatte und dem rückwärtigen Teil des Einsatzes 24 durch Kaltwalzen, Pressen oder hydrostatisches Pressen eingefügt ist. Auch wenn aus be­ sonderen Gründen das Einbringen des Einsatzes 24 durch Explosionsumformung erfolgt, um den Wärmeübergang auf der Rückseite des Einsatzes zu optimieren, hat es sich in allen diesen Fällen in Durchführung der Erfindung als vorteilhaft erwiesen, zur Vermeidung von Spaltbildungen infolge unter­ schiedlicher Wärmeausdehnung der aneinandergrenzenden Werk­ stoffe, die "Umrandung" des Einsatzes durch Elektronenstrahl­ schweißen metallisch mit dem Kupferwerkstoff zu verbinden.

Gegenüber dieser Ausführungsform nach der Fig. 6 ist nach der Fig. 7 in der Kokillenplatte 25 ein keilförmiger Einsatz 26 vorgesehen, keilförmig deshalb, um gleichzeitig auf einfachem Wege für eine Steuerung des Wärmedurchgangs durch die Kokillen­ platte zu sorgen. Auch hier sichert die Elektronenstrahl­ schweißung einen sicheren, spaltenfreien Verbund.

Claims (18)

1. Verfahren zur Herstellung einer Kokille für Stranggießanlagen mit als Formstücke ausgebildeten verschleißfesten Schichten im Bereich der in einem Rahmen gehaltenen, miteinander ver­ spannten und den Formhohlraum bildenden Wandplatten aus Kup­ ferwerkstoffen, wobei die Formstücke an diese Wandplatten an­ gebracht und/oder in diese eingepaßt sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Formstücke als Leisten aus einem ver­ schleißfesten Material in/an den Kantenbereichen der Wand­ platten durch Elektronenstrahlschweißen spaltfrei befestigt werden, wobei die Schweißnähte eine vollständige metallurgische Verbindung zwischen den Formstücken und den Wandplatten bilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leisten in die Kantenbereiche der gegeneinandersto­ ßenden Längs- und Querplatten der den Formhohlraum der Kokille bildenden Wandplatten eingeschweißt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leisten in die Kantenbereiche der Querplatten ein­ geschweißt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Formstücke als Leisten in die am Austrittsende der Kokille befindlichen Kanten der den Formhohlraum begrenzenden Wandplatten eingeschweißt wer­ den.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Formstücke in die dem Gußstrang zugekehrten Flächen der den Formhohlraum begrenzenden Wandplatten eingefügt und mittels Elektronenstrahl eingeschweißt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Formstücke in den den Badspiegel umfassenden Bereich der Wandplatten eingeschweißt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Formstücke keil- oder teilkeilförmig mit in Durch­ laufrichtung des Strangs aufeinander zulaufenden Begren­ zungsflächen ausgebildet werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die für die Formstücke vorgesehenen Bereiche an und/oder in den Wandplatten spangebend aus­ geformt, die Formstücke eingepaßt und anschließend die eingepaßten Formstücke in und/oder an den Wandplatten durch Elektronenstrahlschweißen metallurgisch mit den Wandplatten verbunden werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Basiswerkstoff für die ver­ schleißfesten Formstücke Molybdän verwendet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Basiswerkstoff für die verschleiß­ festen Formstücke Kupfer-Beryllium-Legierungen verwendet werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Basiswerkstoff für die verschleiß­ festen Formstücke hochfester Stahl verwendet wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Basiswerkstoff für die verschleiß­ festen Formstücke sogenannte Superlegierungen auf Nickelbasis verwendet werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Basiswerkstoff für die verschleiß­ festen Formstücke hochfeste Werkstoffe auf Eisenbasis verwendet werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Basiswerkstoff für die verschleiß­ festen Formstücke temperaturbeständige Gußwerkstoffe auf Eisen-Nickel- oder Kobalt-Basis verwendet werden.

15. Nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14 her­ gestellte Kokille, gekennzeichnet durch in den Kanten winklig gegeneinander stoßenden Längs- und/oder Quer­ platten eingefügte und durch Elektronenstrahlschweißung spaltenfrei befestigte Leisten aus einem verschleiß­ festen Material.

16. Verstellkokille nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Leisten aus verschleißfestem Material im Kanten­ bereich der Querplatten durch Elektronenstrahlschweißung befestigt sind.

17. Nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16 hergestellte Kokille, gekennzeichnet durch im Kanten­ bereich der Längs- und Querplatten des Kokillenaus­ trittsendes durch Elektronenstrahlschweißung befestigte Leisten aus verschleißfestem Material.

18. Nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17 her­ gestellte Kokille, gekennzeichnet durch im Flächenbe­ reich der Längs- und Querplatten durch Elektronenstrahl­ schweißung integrierte Formstücke aus verschleißfestem Material.