DE3883776T2

DE3883776T2 - Steuerung der blechstärke beim bandstranggiessen.

Info

Publication number: DE3883776T2
Application number: DE88904120T
Authority: DE
Inventors: Edwin Bartlett; Richard Wood
Original assignee: Battelle Memorial Institute Inc
Current assignee: Battelle Memorial Institute Inc
Priority date: 1987-09-28
Filing date: 1988-04-08
Publication date: 1993-12-09
Anticipated expiration: 2008-04-09
Also published as: EP0380480B1; US4749024A; JPH03502552A; CA1313451C; EP0380480A1; WO1989002799A1; DE3883776D1

Description

Die Erfindung betrifft die Erzeugung von Metallblech direkt aus der Schmelze. Insbesondere betrifft sie das Gießen von Metallblech auf der Außenfläche einer gekühlten zylindrischen Trommel. Eine Schicht aus der Schmelze wird typischerweise mittels einer Zwischenpfanne auf die Gießfläche gegeben. Die Zwischenpfanne ist an einem Ende offen, ist aber an diesem Ende der Gießfläche eng benachbart und an diese angepaßt, so daß Schmelze ohne Leckage zwischen der Zwischenpfanne und der Gießfläche auf die Fläche gegeben wird. Die Füllhöhe der Schmelze beeinflußt ebenso wie andere Parameter des Gießvorgangs die Stärke des Gußbandes. Vor der vorliegenden Erfindung zeigte die Stärke eine Tendenz zu höherer Stärke an den Rändern, und zwar aufgrund einer höheren Rate des Kopfabzuges durch die Schichttrommel an und nahe den Rändern des Bandes gegenüber der Mitte. Das anschließende Kaltwalzen des Produktbandes erfordert allgemein die entgegengesetzte Kontur, d.h. ein Band, das in der Mitte etwas stärker ist.
Die europäische Patentveröffentlichung Nr. 0198669 offenbart ein Verfahren zum Direktgießen, das zwei Kühlräder einsetzt, die sich in einander entgegengesetzten Richtungen drehen. EP 0198669 spricht jedoch nicht das Problem ungleichförmiger Abkühlung über die Breite des Metallblechs an.
Die frühere EP-Veröffentlichung 0 147 912 hat vorgeschlagen, daß ein stärkeres Band dadurch erzeugt werden kann, daß die Zwischenpfanne gegenüber dem Gießrad zurückgesetzt wird, um den dazwischen bestehenden Spalt zu vergrößern. Dies hat jedoch seine Grenzen, da das flüssige Metall ausläuft, wenn der Spalt zu groß wird. Darüberhinaus gibt es Fälle, in denen in dem Band ein konturiertes Dickenprofil gewünscht sein kann.
Band 10 Nr. 159(M-486) [22-15] der japanischen Patent Abstracts offenbart eine Vorrichtung, die ein Kühlrad und eine Düse zum Direktgießen eines dünnen Metallbandes umfaßt. Die Oberfläche des Kühlrades und/oder die Düse sind so geformt, daß sie die bogenförmige Hitzewölbung, die entlang der Längsachse des Metallblechs gebildet wird, aufnehmen, um dadurch einen gleichbleibenden Abstand zwischen der Oberfläche des Blechs und der Düse über deren Breite zu ermöglichen. Die Offenbarung dieses japanischen Abstracts spricht jedoch nicht das Problem der unterschiedlichen Abkühlung über die Breite des Metallblechs an.
Band 11 Nr. 44 (M-560) [2491] der japanischen Patent Abstracts offenbart eine Düse zur Verwendung beim Direktgießen eines dünnen Metallbandes auf ein Kühlrad. Die Düse ist in Querrichtung zum Blech so geformt, daß sie auf jeder Seite der Düse einen Vorsprung bildet. Nach der Offenbarung in dem JP- Abstract Nr. 44 gestattet eine solche Formgebung der Düse die Unterdrückung eines Staus an jedem Ende des Metallfilms. Die Düse ist jedoch nicht zur Verwendung beim Gießen eines Metallbandes auf eine Walze aus einer Zwischenpfanne geeignet, bei der die Vorderkante oder Vorderfläche der Zwischenpfanne der Oberfläche des Kühlrades im wesentlichen benachbart oder fast benachbart angeordnet ist, um eine Metalleckage zu verhindern. Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein neues Verfahren zum Gießen von Metallblech bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe ist es, ein solches Verfahren zum Direktformen eines Metallbleches auf einer gekühlten Gießtrommel aus einer Schmelze in einer Zwischenpfanne bereitzustellen.
Es ist auch eine Aufgabe, ein solches Blechgießverfahren bereitzustellen, bei dem die Stärke des Bleches entlang seiner Länge und Breite gleichförmig ist.
Es ist ebenfalls eine Aufgabe, ein Blechgießverfahren bereitzustellen, bei dem das Stärkenprofil entlang seiner Länge und über die Breite kontrollierbar ist, ohne den Spalt zwischen der Zwischenpfanne und dem Rad zu verändern.
Nach der vorliegenden Erfindung ist daher eine Vorrichtung zum Direktgießen eines Bleches kontrollierter Stärke aus einer Schmelze auf eine gekühlte Gießfläche der Art vorgesehen, die eine geschmolzenes Metall enthaltende Zwischenpfanne mit einer Rückwand, gegenüberliegenden Seitenwänden und einem Boden umfaßt, wobei die Seitenwände und der Boden der gekühlten Gießfläche eng benachbart und wie diese konturiert sind und die Vorderwand des Bodens der Zwischenpfanne geformt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die neben der Gießfläche liegende Fläche des Bodens der Zwischenpfanne unter Bildung einer Ausnehmung im Ausgußteil des Bodens der Zwischenpfanne und in einem oberen Teil der Vorderwand geformt und dadurch der wirksame Pfannenschnabel gegenüber der Oberfläche der Schmelze in der Zwischenpfanne nach unten versetzt ist, wodurch sich die Erstarrungslänge der Schmelze bei einem gegebenen Abstand der Vorderwand von der Gießfläche vergrößert.
Somit ist nach der vorliegenden Erfindung bei der Zwischenpfanne ein Teil des vorderen Pfannenschnabels des Bodens durch einen Versatz von der Gießfläche entfernt, um dadurch eine längere Kontaktlänge der Schmelze mit der Gießfläche und ein stärkeres Blech im Bereich des Versatzes zu ermöglichen. Ein Teil des Bodenpfannenschnabels wird über die Pfannenschnabelbreite beibehalten, so daß der Spalt vom Rad für diesen verbleibenden Teil der gleiche bleibt, um das flüssige Metall zurückzuhalten. Ein bevorzugter Versatz zur Erzeugung eines Bandes gleichförmiger Stärke über die Breite ist ein bogenförmiger Versatz, der von der Oberseite des Bodens nach unten ausgenommen ist. Im allgemeinen ist die Stärke des Bandes proportional zur Tiefe des Versatzes. Das gewünschte Stärkenprofil kann durch ein besonderes Versatzprofil erzeugt werden.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Ausbildung einer gewünschten Stärkenkontur über die Breite eines direkt aus der Schmelze auf eine gekühlte Gießfläche gegossenen Metallblechs vorgesehen, bei dem eine Zwischenpfanne, die einen Vorrat von geschmolzenem Metall enthält, mit einer Rückwand, gegenüberliegenden Seitenwänden und einem dazwischen befindlichen Boden bereitgestellt wird, bei der der Boden und die Seitenwände der gekühlten Gießfläche eng benachbart und wie diese konturiert sind, so daß die Gießfläche eine Sperre bildet, die mit dem Vorrat von geschmolzenem Metall in Kontakt steht, gekennzeichnet durch Entfernen eines Teils eines Pfannenschnabels des Bodens neben dem Gießrad einschließlich eines Teils einer Oberseite des Bodens an gewünschten Stellen, wodurch eine größere Kontakttiefe der Schmelze mit der Gießfläche ermöglicht wird, während die Unterseite des Bodens über ihre Breite in Abstandsbeziehung zu der gekühlten Fläche bleibt, um das Stärkenprofil des Bleches über seine Breite zu kontrollieren, und Bewegen der Gießfläche durch den Schmelzvorrat unter Ausbildung einer erstarrten Metallschicht der gewünschten Stärkenkontur auf der Gießfläche. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Gießen eines Bleches direkt aus der Schmelze.
Figuren 2(a) und 2(b) sind vergrößerte Ansichten des Bereichs zwischen dem Zwischenpfannenboden nach dem Stand der Technik und der Gießfläche, worin der Spalt jeweils klein oder groß ist.
Figur 3 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Gießbereichs in der erfindungsgemäßen Zwischenpfanne mit konturiertem Pfannenschnabel.
Figur 4 ist eine Draufsicht auf eine Zwischenpfanne mit einem sinusförmigen Versatz nach der Erfindung, welcher die Wirkungen der Kantenabkühlung auf die Bandstärke kompensieren würde.
Figur 5 ist eine geschnittene, abgebrochene Seitenansicht eines alternativen Zwischenpfannenversatzes gemäß der Erfindung.
Figur 6 ist eine perspektivische Ansicht einer alternativen Zwischenpfanne mit einem bogenförmigen Versatz, der an der Oberseite des Bodens nach unten herausgenommen ist. Beschreibung der bevorzugten Ausführung
Eine bekannte Vorrichtung zur Ausbildung eines Metallblechs nahezu in Reinform direkt aus der Schmelze ist in Figur 1 gezeigt. Das flüssige Metall 5 ist in der Zwischenpfanne 2 enthalten. Die Seitenwände und der Boden der Zwischenpfanne 2 sind am offenen Ende konturiert und dicht an der Gießfläche, um eine Schmelzelage ohne Leckage zwischen der Gießfläche und dem Boden der Zwischenpfanne abzugeben.
In den Figuren 2(a) und 2(b) beeinflußt die Tiefe der Schmelze die Berührungslänge d&sub1; entlang der gekühlten Gießfläche 1. Wenn die Schmelze genügend lange mit der Gießfläche in Berührung ist, bildet sich eine Erstarrungsfront 4 zwischen der Schmelze 5 und dem Blech 31. Abhängig vom Abstand x des Zwischenpfannenbodens 8 und der Gießfläche kann sich ein Absatz 7 bilden, was zu einer geringfügig längeren Berührungslänge d&sub2; beiträgt. Je länger die Berührungslänge der Schmelze ist, desto dicker wird das Blech. Eingabe der Schmelze in die Zwischenpfanne bis zu einer größeren Tiefe trägt daher zu einem stärkeren Band bei. Ein zu großer Vorrat hat aber auch Nachteile. Es ist auch bekannt, daß eine Vergrößerung des Abstandes oder des Spalts x ebenfalls die Berührungslänge und die Bandstärke vergrößert, ohne daß die Tiefe der Schmelze in der Zwischenpfanne vergrößert wird.
Es wurde gefunden, daß der Fluß von geschmolzenem Metall durch die Zwischenpfanne einen bedeutenden Einfluß auf die Gleichförmigkeit der Dimensionen des erzeugten Streifens hat. Reibungskräfte entlang der Zwischenpfannenwände bewirken, daß sich die Schmelze nahe den Seiten des Kanals langsamer bewegt, was größeren Wärmeverlust verursacht. Darüberhinaus besteht eine Wärmeableitung zur Gießfläche nahe den Gußbandrändern im wesentlichen in zwei Richtungen (radial und seitlich) im Gegensatz zum Verlust im wesentlichen in einer Richtung (radial) nahe der Bandmitte. Diese unterschiedliche Abkühlung ergibt ein erstarrtes Band mit einer "Hantel" ("Hundeknochen")- Querschnittsform, bei der die Ränder dicker als die Mitte sind. Dieses Bandprofil ist unerwünscht, weil es die Anzahl der Verfahrensschritte und die Herstellungskosten im Handel annehmbarer Walzbänder steigert.
Die vorliegende Erfindung erstrebt im allgemeinen, die Bandstärke auf ein gleichförmiges oder gewünschtes nichtgleichförmiges Profil zu kontrollieren. Insbesondere erstrebt sie, einen rechtwinkligen oder leicht konvexen Querschnitt zu erzeugen, welcher für das Walzen erwünscht ist. Dies wird durch Kontrolle der Länge erreicht, über die die Schmelze erstarren kann. Diese Länge ist im wesentlichen der Abstand zwischen dem Punkt, an dem die Schmelze das Rad zuerst berührt, und dem Punkt, an dem das erstarrte Band aus dem Gießvorrat austritt. Der obere Punkt steht daher in Beziehung zur oberen Höhe des Schmelzevorrats. Der untere Punkt steht in Beziehung zur Höhe des Zwischenpfannenbodens und des Pfannenschnabels.
Wie in Figur 3 gezeigt ist, kann der Erstarrungsabstand oder die Berührungslänge d durch Konturieren des Pfannenschnabels 14 des Zwischenpfannenbodens kontrolliert werden. Der Zwischenpfannenboden hat eine Oberseite 12, eine Unterseite 13 und einen Pfannenschnabel 14, der zur Anpassung an die Gießfläche 1 konturiert ist. Die Vorderwand befindet sich im Abstand von der Gießfläche durch einen feststehenden Spalt x. Ohne den Versatz oder Auschnitt 10 aus dem Pfannenschnabel 14 beträgt die Tiefe der Schmelze 11 hx, und der Erstarrungsabstand ist d. Mit dem Winkelversatz 10 in dem Pfannenschnabel vergrößert sich die Schmelzetiefe um ein Element Δhxi, und der Erstarrungsabstand vergrößert sich um Δdi, was an der i-ten Querstelle einen inkrementalen Anstieg der Bandstärke in diesem Bereich verursacht.
Beim Gießen des Metallbandes haben wir festgestellt, daß die Stärke m mit der Erstarrungszeit t über den Erstarrungsabstand d zusammenhängt, und zwar nach der Formel:
C&sub1; M² + C&sub2; M-t = 0 (1)
Die Konstanten C&sub1; und C&sub2; werden berechnet aus
Dabei sind
Tm ist die Schmelz- und Erstarrungstemperatur des Metalls
To ist die Kühlmitteltemperatur im stationären Zustand
Hf ist die latente Schmelzwärme
θ' ist die Dichte der und Schmelze
Cp' ist die spezifische Wärme des erstarrten Bandes
k' ist die Wärmeleitfähigkeit des Bandes
hc ist die effektive Wärmeübertragung auf den Guß oder die erstarrte Schichtseite der Gußformmetallgrenzfläche und ist gleich
hc = (1 + [ k'θ' / kθCp ] ) h
Hf ist die latente Schmelzwärme
Ts ist die Temperatur an der Grenzfläche zwischen Rad und Metall. h ist der Gesamtkoeffizient der Wärmeübertragung und
k, θ und Cp sind die Wärmeleitfähigkeit, Dichte und spezifische Wärme der Gießfläche. Beispiel 1
Für eine besondere Aluminiumlegierung, die auf einem Stahlrad gegossen wird, haben wir die Konstanten C&sub1; und C&sub2; für den Betrieb im stationären Zustand berechnet und Gleichung (1) reduziert auf
14,9 M² + 0,843 M - t = 0
Da der Wärmeverlust nahe den Rändern des Bandes (annähernd 2,5 cm) in zwei Richtungen erfolgt, variieren die Wärmeübertragungskoeffizienten und folglich die Konstanten C&sub1; und C&sub2;. Hypothetisch kann dies den folgenden Satz von Gleichungen ergeben, die die Bedingungen über die Breite des Bandes bestimmen:
Die Zeit t steht geometrisch in Beziehung zu den Systemparametern nach:
Darin ist
α = der Zenithabstand zum Zwischenpfannenschnabel in Grad
hx = die Tiefe des flüssigen Metalls
r = der Radius des Gießrads.
Betrachtet man nun Figur 3, so vergrößert ein Pfannenschnabelversatz die Vorratstiefe um Δhxi an der i-ten Querstelle über den Pfannenschnabel hinweg und auch α um Δαi, so daß Gleichung 2 wird
Da Zeit = Länge/Geschwindigkeit und d = rß (r = Bogenradius = Radradius; ß = der durchquerte Winkel in Radian) und da die Geschwindigkeit und der Radradius feststehen, bestimmt jeder Wert von ti (t + Δti) einen Wert von di (d +Δdi), aus welchem Δαi berechnet werden kann
Δαi = Δdi/r
Kenntnis von Δαi für die i-te Stelle erlaubt die Berechnung von Δhxi unter Verwendung von Gleichung 3. Tatsächlich ist Δhxi der vertikale Versatz in dem Zwischenpfannenschnabel an der iten Stelle, der notwendig ist, um eine Stärke Mi in dem Gußband zu erzeugen. Die inkrementellen Werte von Δhxi können in eine NC-Machine eingegeben werden, um den gewünschten Zwischenpfannenschnabel zu konturieren.
Der Zwischenpfannenschnabel kann gemäß der Tabelle 1 profiliert werden. Um ein 30 cm breites, (nominell) 0,1 cm starkes Banderzeugnis aus Aluminium auf einem Stahlrad mit einer schwachen Wölbung (0,097 cm am Rand symmetrisch zu 0,102 cm in der Mitte) herzustellen, werden die folgenden Verfahrensparameter verwendet
Gießradradius = 35,6 cm
Gießgeschwindigkeit = 41 RPM = 91,5 m/min
Kühlwassertemperatur - 60ºC
x = 45º TABELLE 1. Pfannenschnabelkontur Beispiel 2
Figur 4 zeigt einen alternativen glatten Sinuskonturversatz 15, der ein erwünschtes Bandprofil erzeugt. Die folgenden Bedingungen wurden verwendet, um die in Tabelle 2 gezeigte Kontur vorauszusagen: TABELLE 2
Gewünschter maximaler Versatz (Mitte) = 0,95 cm, um ein Aluminiumband von nominell 0,685 mm mit Rändern herzustellen, die etwa 0,05mm dünner als die Mitte sind.
Figur 5 zeigt eine alternative Ausgestaltung des Pfannenschnabels gemäß der Erfindung zur Bildung eines vergrößerten Erstarrungsabstandes. Solche Versatze können quer über die gesamte Zwischenpfanne verlaufen oder könnten nur über einen Teil der Breite verwendet werden, um ein Banderzeugnis mit variabler Stärke zu bewirken.
Figur 6 zeigt eine perspektivische Zeichnung einer weiteren Zwischenpfanne 22 mit einer alternativen Ausgestaltung des Pfannenschnabels, bei welcher ein bogenförmiger Ausschnitt 25 im Pfannenschnabel von der Oberseite 26 des Bodens der Zwischenpfanne nach unten herausgenommen ist. Die verbleibenden Teile 24 des Pfannenschnabels und 28 der Seitenwände sind dem Gießrad angepaßt, um eine Leckage des geschmolzenen Metalls zu verhindern.
1. Vorrichtung zum Direktgießen eines Bleches (3) kontrollierter Dicke aus einer Schmelze (5) auf eine gekühlte Gießfläche (1), enthaltend eine geschmolzenes Metall enthaltende Zwischenpfanne (2) mit einer Rückwand, gegenüberliegenden Seitenwänden und einem Boden (8), wobei die Seitenwände und der Boden (8) der gekühlten Gießfläche (1) eng benachbart und wie diese konturiert sind und die Vorderwand des Bodens (8) der Zwischenpfanne geformt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die neben der Gießfläche (1) liegende Flasche des Bodens (8) der Zwischenpfanne unter Bildung einer Ausnehmung (10) im Ausgußteil (14) des Bodens (8) der Zwischenpfanne und in einem oberen Teil der Vorderwand geformt und dadurch der wirksame Pfannenschnabel gegenüber der Oberfläche (11) der Schmelze in der Zwischenpfanne (2) nach unten versetzt ist, wodurch sich die Erstarrungslünge der Schmelze bei einem gegebenen Abstand der Vorderwand von der Gießfläche (1) vergrößert.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Versatz (10) des Pfannenschnabels im wesentlichen über die gesamte Breite der Zwischenpfanne (2) zwischen den Seitenwänden erstreckt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Versatz (10) des Pfannenschnabels von der Oberseite (12) des Bodens (8) der Zwischenpfanne nach unten zu einem Punkt oberhalb einer Unterseite (13) des Bodens (8) der Zwischenpfanne gleichförmige Tiefe hat.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Versatz (10) des Pfannenschnabels von der Oberseite (12) des Bodens (8) der Zwischenpfanne nach unten zu einem Punkt im Abstand oberhalb der Unterseite (13) des Bodens (8) der Zwischenpfanne ungleichförmige Tiefe hat.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekannzeichnet, daß der Versatz (10) des Pfannenschnabels von nahe den Seitenwänden der Zwischenpfanne zu nahe der Mitte des Pfannenschnabels (14) in der Tiefe zunimmt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrischen Orte von Punkten entlang dem Versatz (10) im wesentlichen sinusförmig liegen.
7. Verfahren zur Erzeugung einer gewünschten Dickenkontur über die Breite eines direkt aus der Schmelze (5) auf eine gekühlte Gießfläche (1) gegossenen Metallbleches (3), bei dem eine Zwischenpfanne (2), die einen Vorrat von geschmolzenem Metall (5) enthält, mit einer Rückwand, gegenüberliegenden Seitenwänden und einem dazwischen befindlichen Boden (8) bereitgestellt wird, bei der der Boden (8) und die Seitenwände der gekühlten Gießfläche(1) eng benachbart und wie diese konturiert sind, so daß die Gießfläche (1) eine Sperre bildet, die mit dem Vorrat von geschmolzenem Metall in Kontakt steht, gekennzeichnet durch
Entfernen eines Teils eines Pfannenschnabels (14) des Bodens (8) neben dem Gießrad (1) einschließlich eines Teils einer Oberseite (12) des Bodens an gewünschten Stellen, wodurch eine größere Kontakttiefe der Schmelze mit der Gießfläche (1) ermöglicht wird, während die Unterseite (13) des Bodens über ihre Breite in Abstandsbeziehung zu der gekühlten Fläche (1) bleibt, um das Dickenprofil des Bleches über seine Breite zu kontrollieren, und
Bewegen der Gießfläche (1) durch den Schmelzevorrat unter Ausbildung einer erstarrten Metallschicht (3) der gewünschten Dickenkontur auf der Gießfläche (1).
8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch die Entfernung eines Teils des Pfannenschnabels (14) von gleichförmiger Tiefe von der Oberseite (12) des Bodens der Zwischenpfanne nach unten zu Punkten oberhalb der Unterseite (13) des Bodens der Zwischenpfanne.
9. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch die Entfernung eines Teils des Pfannenschnabes (14) von ungleichförmiger Tiefe von der Oberseite (12) des Bodens der Zwischenpfanne nach unten zu Punkten oberhalb der Unterseite (13) des Bodens der Zwischenpfanne.
10. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Entfernen eines Teils zunehmender Tiefe von den Seitenwänden der Zwischenpfanne bis nahe der Mitte des Pfannenschnabels (14).