DE4036893C2 - Verfahren zum kontinuierlichen Gießen von metallischen Strängen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Gießen von metallischen Strängen, insbesondere breiter Rechteckbrammen aus Kupfer oder Kupferlegierungen, mit einer mit hochwärmebe­ ständigem Material ausgekleideten Kühlkokille zum Eingießen der Metallschmelze.

Beim kontinuierlichen Stranggießen einer ganzen Reihe von Metallen oder Metallegierungen werden üblicherweise aus gekühlten Kupfer­ platten bestehende Kokillen verwendet, die den Formhohlraum bil­ den. Um ein Verschweißen der Kokillenplatten mit der Schmelze zu vermeiden, kann insbesondere beim Stranggießen von Kupfer und Kup­ ferlegierungen zwischen Schmelze und Kokillenplatten ein hochwär­ mebeständiges Material, beispielsweise Graphit, als Trenn- oder Gleitmittel angeordnet werden.

So ist es bereits bekannt, die Kokillenwände auf der der Schmelze zugewandten Oberfläche vor dem Gießen mit einer graphithaltigen Aufschlämmung zu beschichten, wobei sich eine relativ lockere Gra­ phitschicht mit einer im Bereich von etwa 0,5 bis 1 mm liegenden Dicke bildet. Diese Beschichtung wird jedoch wegen ihrer geringen Abriebfestigkeit im Laufe des Gießprozesses mechanisch abgetragen. Schon nach einer relativ kurzen Zeit muß der Gießprozeß angehalten und die Kokillenoberfläche mit einer neuen Beschichtung versehen werden.

Man hat auch schon versucht, auf der der Schmelze zugewandten Oberfläche der Kokille dicke Graphitplatten auf die gekühlte Ko­ killengrundplatte festzuschrauben. Hierzu sind jedoch Graphitplat­ ten mit einer Dicke von mindestens 20 mm erforderlich, um die Ver­ schraubungselemente aufnehmen zu können, die innerhalb der Gra­ phitplatte verankert sind. Nachteiligerweise sind derartige Gra­ phitplatten sehr kostspielig und weisen einen relativ hohen ther­ mischen Widerstand auf, der die Kühlung der Kokille erheblich ver­ ringert. Hinzu kommt, daß sich die Graphitplatten unter dem Ein­ fluß von thermischen Spannungen wölben können, wodurch sich der Wärmeübergang zwischen den Graphitplatten und der Kühlkokille wei­ ter verschlechtert. Dieser Effekt macht sich insbesondere für den Fall nachteilig bemerkbar, wenn Stränge mit größeren Breiten ge­ gossen werden sollen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß das Aus­ kleidungsmaterial für die Kühlkokille einen geringen thermischen Widerstand aufweist und trotzdem über eine ausreichende Abrieb­ festigkeit verfügt. Ferner sollen der Montage- und Wartungsauf­ wand für die Auskleidung möglichst gering gehalten werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf der der Metallschmelze zugewandten Oberfläche der Kühlkokille eine dünn­ wandige Auskleidungsplatte angeordnet ist, die mit Hilfe von Un­ terdruck auf der Oberfläche der Kühlkokille gehalten wird. Vor­ teilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird überraschend eine wesent­ lich längere Lebensdauer der Auskleidung erreicht. Durch die gute Wärmeableitung der Kühlkokille weisen die gegossenen Stränge dar­ über hinaus eine sehr glatte Strangschale auf, so daß die bisher übliche Nachbearbeitung der Oberfläche entfallen kann.

Innerhalb des Formhohlraums weist die Kokille keine Befestigungs­ elemente auf, die die Ausbildung einer glatten Strangschale zu­ sätzlich behindern könnten. Vielmehr wurde das Problem der Be­ festigung der Auskleidungsplatten dadurch gelöst, daß diese durch Unterdruck auf die Kokillengrundplatten angesaugt werden. Hierzu befinden sich innerhalb der Kokillengrundplatten zahlreiche Boh­ rungen, die über ein Leitungssystem mit einer Saug- oder Vakuum­ pumpe in Verbindung stehen. Auf diese Weise kann in diesen Boh­ rungen ein Unterdruck gegenüber der Umgebungsatmosphäre erzeugt werden, wenn die Bohrungen auf der schmelzseitigen Oberfläche der Kokillengrundplatten abgedeckt werden und die Saugpumpe in Betrieb ist. Wird eine dünne Auskleidungsplatte, beispielsweise eine etwa 3 mm dicke Graphitplatte, auf die der Schmelze zugewandten Ober­ fläche einer Kokillengrundplatte gelegt, so wird sie durch den Unterdruck in den Bohrungen gleichmäßig angesaugt. Mit dieser Me­ thode gelingt es, dünnwandige Auskleidungsplatten auf Kokillen­ grundplatten zu befestigen, ohne daß störende Verbindungselemente innerhalb dieser Platten benötigt werden.

Da beispielsweise eine Auskleidungsplatte aus Graphit in der Regel leicht porös ist, ist es notwendig, daß die Saugpumpe auch während des Gießprozesses in Betrieb ist, um so ständig den Unterdruck in­ nerhalb der Ansaugbohrung und damit die Haftung der Graphitplatten auf den Kokillengrundplatten zu gewährleisten.

Unter der Voraussetzung, daß der Unterdruck geringer ist als der Umgebungsdruck kann der Unterdruck in den Ansaugbohrungen und -kanälen innerhalb eines weiten Wertebereichs liegen. Zweckmäßig und ohne allzu großen Aufwand technisch realisierbar ist ein Un­ terdruck von deutlich weniger als 10% des Umgebungsdrucks, bei­ spielsweise 0,1% des Umgebungsdrucks. Eine weitere Absenkung des Unterdrucks ist zwar ohne weiteres möglich, bringt jedoch keine nennenswerten technologischen Vorteile. Der bevorzugte Bereich für den in dem Ansaugsystem aufrechtzuerhaltenden Unterdruck, liegt innerhalb der Grenzen von 0,1 bis 10% des Umgebungsdrucks. Die Druckkraft, mit der die Auskleidungsplatte auf die Grundplatte ge­ preßt wird, hängt im wesentlichen von der Fläche der Bohrungsquer­ schnitte ab.

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung im folgenden noch näher erläutert.

Eine zum Stranggießen einer Kupferlegierung geeignete Rechteckko­ kille bestand aus zwei Kokillengrundplatten für die Längsseiten, die eine Länge von 400 mm und eine Breite von 300 mm besaßen. In jede dieser beiden Grundplatten waren im Abstand von etwa 20 mm Ansaugbohrungen mit einem Durchmesser von 4 mm eingebracht worden, die in Reihen horizontal und vertikal nebeneinander angeordnet waren.

Geht man davon aus, daß die gesamte Querschnittsfläche der An­ saugbohrungen etwa 4200 mm² beträgt und nimmt eine Druckdifferenz von 50000 Pa zwischen Umgebungsdruck und Innendruck in den Boh­ rungen an, so errechnet sich aus diesen Angaben die gesamte Druck- oder Anpreßkraft, die auf die Auskleidungsplatte ausgeübt wurde, auf etwa 210 N.

Diese Druckkraft kann bei gleicher Druckdifferenz gesteigert wer­ den, wenn die Anzahl der Bohrungen und/oder ihr Durchmesser ver­ größert werden, da so die für den Unterdruck wirksame Quer­ schnittsfläche erhöht wird. Der gleiche Effekt kann auch dadurch erreicht werden, daß die schmelzseitige Oberfläche der Kokillen­ grundplatte mit feinen Nuten oder Ansaugkanälen überzogen wird, in die die Ansaugbohrungen münden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Ansaugkanäle eine Tiefe von mehr als 0,05 mm besitzen und die Breite im Bereich von 0,05 mm bis 3 × d liegt, wobei mit d die Dicke der Auskleidungsplatte bezeichnet ist.

Die Kühlleistung einer Kokille mit einer dünnwandigen Ausklei­ dungsplatte hängt in hohem Maß von den Bedingungen des Wärmeüber­ gangs von der Auskleidungsplatte zur gekühlten Kokillengrundplatte ab. Ein guter Wärmeübergang erfordert einen intensiven Kontakt zwischen Auskleidungsplatte und Kokillengrundplatte. Dieser wird durch eine hohe Anpreßkraft gewährleistet.

Voraussetzung für das Ansaugen üblicherweise leicht poröser Aus­ kleidungsplatten aus graphithaltigem Material ist, daß die Saug­ pumpe eine ausreichend hohe Leistung besitzt. Unter ungünstigen Umständen kann es jedoch zu einer Korrosion dieser Auskleidungs­ platten kommen, insbesondere dann, wenn Luft aus der Umgebung angesaugt wird und in den Poren der Auskleidungsplatte mit dem Auskleidungsmaterial (z. B. Graphit, Bornitrid) reagiert.

Vorteilhaft ist in diesem Fall die Verwendung von Auskleidungs­ platten, bei denen die Porosität beispielsweise vor dem Einbau durch Metallinfiltration reduziert bzw. beseitigt wurde. Die Auskleidungsplatte kann aber auch auf der Ansaugseite mit einer Beschichtung versehen werden, die die Gasdurchlässigkeit vermin­ dert. Derartige Auskleidungsplatten haben dann außerdem den Vor­ teil, daß der Unterdruck in den Ansaugkanälen besser aufrechter­ halten werden kann, wodurch sowohl das Ansaugverhalten als auch die Kontaktintensität verbessert wird.

Bei der mechanischen Bearbeitung der Kontaktflächen läßt es sich vielfach auch bei größtem technischen Aufwand nicht vermeiden, daß mikroskopisch kleine Unebenheiten vorhanden bleiben. Um insbeson­ dere den Wärmeübergang noch weiter zu verbessern, können in vor­ teilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens er­ gänzende Maßnahmen erforderlich sein.

Zur Erhöhung des Wärmeübergangs werden die Kontaktflächen der Ko­ killengrundplatte mit einer Mischung aus flüssigem Gallium und feinem Kupferstaub bestrichen. Danach wird eine dünnwandige aus graphithaltigem Material bestehende Auskleidungsplatte auf der Kokillengrundplatte angeordnet. Die Kontaktmischung dringt dabei in die mikroskopischen Hohlräume ein und verbessert so den Kon­ takt. Durch eine Wärmebehandlung oder beim ersten Gießprozeß ver­ festigt sich diese Mischung durch Legierungsbildung. Bei einer weiteren Verfahrensvariante werden die Kontaktflächen der aus Kup­ fer oder einer aushärtbaren Kupferlegierung hergestellten Kokil­ lengrundplatten zunächst aufgerauht und dann vor dem Aufbringen der Auskleidungsplatten mit flüssigem Gallium bestrichen. Das Gal­ lium füllt die kleinen Hohlräume aus und verfestigt sich später durch Legierungsbildung mit dem Material der Kokillengrundplatte.

Mit besonderem Vorteil können aber auch pastöse Kontakmedien mit höherer Wärmeleitfähigkeit verwendet werden, die auch während des Gießprozesses ihre pastösen Eigenschaften im wesentlichen beibe­ halten. Diese Pasten bestehen aus kleinen festen Partikeln, vor­ zugsweise solchen, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen. Die­ se Feststoffpartikel, beispielsweise Kupferpulverteilchen, befin­ den sich in einem flüssigen Trägermedium, das ebenfalls vorzugs­ weise eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das Material der Ausklei­ dungsplatte besitzt. Ein derartiges pastöses Kontaktmedium wird auf die Kontaktflächen der Kokillengrundplatte aufgetragen, bevor die Kokillengrund- und Auskleidungsplatte fest zusammengepreßt werden.

Als besonders günstig hat sich eine Paste erwiesen, die aus einer Mischung aus Graphitpartikeln oder graphitumhüllten Kupferpulver­ teilchen und einem aus Indium und/oder Gallium bestehendem Träger­ material besteht.

Die Dicke der Auskleidungsplatte kann im Bereich von etwa 0,2 bis 15 mm liegen. Besonders bevorzugt ist eine Plattendicke von 1 bis 5 mm. Die Auskleidungsplatte kann sowohl aus graphithaltigem Mate­ rial aber auch aus einem Verbundwerkstoff bestehen, der beispiels­ weise Graphit oder Bornitrid als Schmierstoff enthält.

Zur Erhöhung der Sicherheit gegenüber Druckverlusten in den An­ saugkanälen kann es zweckmäßig sein, eine zusätzliche Abdichtung im Randbereich der Ansaugplatte vorzusehen, die einen möglichst gasdichten Abschluß garantiert. Als Dichtungsmaterial kann ent­ weder ein dünner Film aus einem Metall-Lot oder einer solchen pastösen Mischung verwendet werden, die sich auch für die Ver­ besserung des Wärmeübergangs als besonders günstig erwiesen hat.

Alternativ kann auch ein Dichtungsband verwendet werden, das eine leichte Flexibilität besitzt und sich so beim Anpressen der Aus­ kleidungsplatte möglichen Unebenheiten anpaßt.

Auf die Auskleidungsplatte wirken Reibungskräfte, die die Strang­ schale des sich bewegenden Gußstrangs ausübt. Trotz ausreichender Haftung der Auskleidungsplatte auf der Kokillengrundplatte können Reibungskräfte bewirken, daß sich die Auskleidungsplatte während des Betriebs etwas in Abziehrichtung verschieben kann. Dies würde dazu führen, daß der Restgasdruck in dem Ansaugkanalsystem durch die eindringende Umgebungsluft ansteigen kann und die Haftung der Auskleidungsplatte verschlechtert wird. Gegebenenfalls müßte der Gießprozeß dann unterbrochen werden, um die Auskleidungsplatte neu zu positionieren. Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist es zweck­ mäßig, an der Kokillengrundplatte Halterungen vorzusehen, die ein Verrutschen der Auskleidungsplatte mit Sicherheit ausschließen. Im einfachsten Fall besitzt die Kokillengrundplatte am unteren Ende einen kleinen Vorsprung, auf dem die Auskleidungsplatte aufsitzt. Bei Kokillen, die während des Gießprozesses in Abzugsrichtung os­ zillierend bewegt werden, kann außerdem noch eine Halterung im oberen Teil der Kokille vorgesehen werden. Die Halterungen müssen jedoch so angebracht werden, daß die thermische Ausdehung der Aus­ kleidungsplatte keinesfalls behindert werden kann.

Im allgemeinen läßt sich der Wärmeübergangswiderstand zwischen zwei parallel angeordneten Grenzflächen verändern, indem der An­ preßdruck verändert wird, mit dem die beiden Grenzflächen gegen­ einander gepreßt werden. Entsprechend läßt sich die lokale Wärme­ stromdichte innerhalb einer mit Auskleidungsplatten ausgerüsteten Kühlkokille beispielsweise lokal reduzieren, indem die Anpreßkraft bzw. der Ansaugdruck lokal reduziert wird. Für den Einsatz einer Kokille mit Auskleidungsplatten kann dieses unter bestimmten Be­ dingungen wünschenswert sein.

Bekanntlich sind die Bereiche an den Schmalseiten einer Kokille sowie besonders die Eckbereiche stärker gekühlt als die Mitten der Längsseiten, da hier das Verhältnis von Brammenoberfläche zu Bram­ menvolumen besonders groß ist. Dieses findet seinen Ausdruck da­ rin, daß die Erstarrung in diesen stärker gekühlten Bereichen ent­ sprechend schneller vorausschreitet.

Ein ungleichmäßiges oder ungünstiges Erstarrungsverhalten kann bei bestimmten Legierungen zu Spannungen im erstarrten Material und zu Rissen oder Deformationen führen, wenn diese Spannungen zu groß werden.

In derartigen Fällen kann es von Bedeutung sein, daß die Abkühl­ bedingungen lokal den gewünschten Bedingungen angepaßt werden und gewisse Teilbereiche der Auskleidungsplatte mit einer größeren An­ preßkraft auf die Oberfläche der Kokillengrundplatte anzusaugen als die übrigen Bereiche. Erreicht werden können lokal unter­ schiedliche Anpreßdrücke auf der Kokillengrundplatte beispiels­ weise durch getrennte Ansaugsysteme mit verschiedenen Unterdrücken oder durch bereichsweise Änderung der Flächendichte der Ansaugboh­ rungen oder Ansaugkanäle.

Claims (13)

1. Verfahren zum kontinuierlichen Gießen von metallischen Strängen, insbesondere breiter Rechteckbrammen aus Kup­ fer oder Kupferlegierungen, mit einer mit hochwärmebe­ ständigem Material ausgekleideten Kühlkokille zum Ein­ gießen der Metallschmelze, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf der der Metallschmelze zuge­ wandten Oberfläche der Kühlkokille eine dünnwandige Aus­ kleidungsplatte angeordnet ist, die mit Hilfe von Unter­ druck auf der Oberfläche der Kühlkokille gehalten wird.

2. Verfahren zum kontinuierlichen Gießen von metallischen Strängen nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Auskleidungsplatte eine im Be­ reich von 0,2 bis 15 mm, vorzugsweise eine im Bereich von 1 bis 5 mm, liegende Dicke aufweist.

3. Verfahren zum kontinuierlichen Gießen von metallischen Strängen nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Aus­ kleidungsplatte im wesentlichen aus Graphit oder Borni­ trid besteht.

4. Verfahren zum kontinuierlichen Gießen von metallischen Strängen nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Auskleidungsplatte aus einem Verbundwerkstoff besteht, der Graphit oder Bornitrid als Schmiermittel enthält.

5. Verfahren zum kontinuierlichen Gießen von metallischen Strängen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Halten der Aus­ kleidungsplatte auf der Kühlkokille ein Unterdruck auf­ rechterhalten wird, der im Bereich von etwa 90000 Pa bis 10 Pa liegt.

6. Verfahren zum kontinuierlichen Gießen von metallischen Strängen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidungs­ platte mit Hilfe von in der Kühlkokille angeordneten An­ saugbohrungen und/oder Ansaugnuten auf die Oberfläche der Kühlkokille angepreßt wird.

7. Verfahren zum kontinuierlichen Gießen von metallischen Strängen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidungs­ platte ansaugseitig mit einer Beschichtung versehen ist, die die Gasdurchlässigkeit vermindert.

8. Verfahren zum kontinuierlichen Gießen von metallischen Strängen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kühlkokille und Auskleidungsplatte eine dünne Schicht aus einem wär­ meleitenden Kontaktmedium angeordnet ist, wobei das Kon­ taktmedium bei Betriebstemperatur fest ist.

9. Verfahren zum kontinuierlichen Gießen von metallischen Strängen nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Kontaktmedium aus einer Gal­ lium und/oder Indium enthaltenden Kupferlegierung be­ steht.

10. Verfahren zum kontinuierlichen Gießen von metallischen Strängen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen Kühlkokille und Auskleidungsplatte eine dünne Schicht aus einem wärmeleitenden Kontaktmedium angeordnet ist, das bei Betriebstemperatur pastös ist.

11. Verfahren zum kontinuierlichen Gießen von metallischen Strängen nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Kontaktmedium aus einer Gra­ phitpartikel enthaltenden Mischung besteht, die als Trä­ germaterial Gallium und/oder Indium aufweist.

12. Verfahren zum kontinuierlichen Gießen von metallischen Strängen nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Kontaktmedium aus einer Mi­ schung besteht, die sich aus graphitumhüllten Metall­ pulverteilchen, vorzugsweise Kupferpulverteilchen, und Gallium und/oder Indium als Trägermaterial zusammen­ setzt.

13. Verfahren zum kontinuierlichen Gießen von metallischen Strängen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß minde­ stens ein Teilbereich der Auskleidungsplatte mit einer größeren Kraft auf die Oberfläche der Kühlkokille ange­ saugt wird als die übrigen Bereiche.