DE4130202A1

DE4130202A1 - Walze fuer das stranggiessen von metallen, insbesondere von stahl und verfahren zur herstellung einer derartigen walze

Info

Publication number: DE4130202A1
Application number: DE19914130202
Authority: DE
Inventors: Georges Raisson
Original assignee: Thyssen Edelstahlwerke AG; Thyssen Stahl AG; USINOR Sacilor SA
Current assignee: Thyssen Stahl AG; USINOR SA
Priority date: 1990-09-14
Filing date: 1991-09-11
Publication date: 1992-03-19
Anticipated expiration: 2011-09-12
Also published as: DE4130202C2; FR2666756B1; FR2666756A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Walze für das Strang gießen flüssiger Metalle, insbesondere Stahl, zwischen zwei Walzen oder auf einer Walze mit einem äußeren Ring, der mit dem flüssigen Metall in Berührung kommt und mit einem steifen, am äußeren Ring befestigten inneren Kern.

Die herkömmlichen Walzen, welche bei Stranggießanlagen für flüssiges Metall zwischen zwei achsparallelen und sich gegenläufig drehenden Walzen oder auf einer einzigen sich drehenden Walze Verwendung finden, weisen einen äußeren Ring auf, der mit dem flüssigen Metall in Berührung kommt, das anschließend erstarrt. Dieser Ring wird mechanisch beispielsweise mittels einer Schwalbenschwanzverbindung mit einem inneren, steifen, massiven oder hohlen Kern ver bunden, um so die mechanische Festigkeit der Anordnung zu gewährleisten. Üblicherweise besteht dabei der Ring aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, wobei er ausreichend dick bemessen sein muß, um eine gewisse Deformation seiner Außenfläche zu ermöglichen, wodurch die Geometrie der ge gossenen metallischen Gegenstände bestimmt wird; im Hin blick auf den Wärmeaustausch darf seine Dicke jedoch einen bestimmten Wert nicht unterschreiten und sollte vorzugs weise unter 50 Millimetern liegen (wovon 30 Millimeter für das Kupfer und 12 Millimeter für innere Kanäle zur Zirkulation eines Kühlfluids vorgesehen sind).

Die Rohlinge für derartige Ringe weisen eine erhebliche Masse auf, beispielsweise 5 bis 6 Tonnen und sind sehr teuer, aufgrund des Preises und der Menge der oben genannten Legierung sowie auch der Bearbeitungskosten. In Einzel fällen können diese hohen Kosten den Einsatz einer Strang gießanlage mit gegenläufigen Walzen verhindern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Walze zu schaffen, bei der die Herstellungskosten des Ringes erheb lich verringert sind unter Beibehaltung der wichtigen Funk tionen des Wärmeaustausches mit dem gegossenen flüssigen Metall sowie der an den gegossenen Gegenstand angepaßten Abmessungen.

Ausgehend von einer Walze der eingangs näher genannten Art wird zur Lösung dieser Aufgabe vorgeschlagen, daß der Ring mit dem Kern über eine Verbindungsschicht aus einem Material verbunden ist, dessen Schmelzpunkt unterhalb des jenigen der beiden Materialien liegt, aus denen der Ring und der Kern besteht und das bei der Einsatztemperatur der Walzen in festem Zustand verbleibt.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Verbin dung eine Lötverbindung, die aus einem zuvor auf die Außen wand des Kerns oder die Innenwand des Rings aufgebrachten Band besteht; die Legierung besteht beispielsweise aus 56% Ag, 2% Ni und 42% Cu (in Gewichtsprozent), die nach der Norm AWS unter der Bezeichnung BAg 13 bekannt ist und die ausgezeichnete Benetzungseigenschaften mit flüssigem Stahl aufweist; auch eine Legierung aus 68% Cu, 23% Mn und 9% Ni (Gewichtsprozente) ist geeignet.

Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird die Verbindungsschicht in flüssigem Zustand in einen zwischen dem Ring und dem Kern vorgesehenen Zwischenraum eingegossen. Diese Verbindungsschicht kann auch eine Zinnverbindung sein.

Gemäß einem anderen vorteilhaften Ausführungsbeispiel nach der Erfindung besteht der Kern aus einem Material, dessen Ausdehnungskoeffizient größer ist als derjenige des den Ring bildenden Materials.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Walze werden

a) der Ring und der Kern bearbeitet,
b) die miteinander zu verlötenden Flächen geschmirgelt und gegebenenfalls mit einer Reinigungslösung gewaschen,
c) entweder auf die Innenwand des Rings oder auf die Außen wand des Kerns ein geeignetes Lötmittel aufgebracht,
d) der Ring auf den Kern aufgebracht,
e) eine Verbindung zwischen Ring und Kern in einem Ofen hergestellt,
f) eine Überhärtung und anschließend eine Vergütung des den Ring bildenden Materials durchgeführt, um gegebenen falls die Materialeigenschaften des Rings zu regenerieren und
g) sofern erforderlich, eine Endbearbeitung des Rings durch geführt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, wobei in der einzigen Figur ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Walze darge stellt ist.

Die in der Figur mit 1 bezeichnete Walze dient zum Strang gießen von Metallblechen, insbesondere aus Stahl, zwischen zwei parallelen Walzen.

Die Walze 1, deren Achse mit XX bezeichnet ist, weist einen steifen inneren Kern 2 und einen äußeren Ring 3 auf, dessen Außenfläche mit dem flüssigen Metall in Berührung gelangt und dessen Dicke in der Größenordnung von 50 bis 60 mm kleiner ist als diejenige des Kerns 2. Der letztere kann sich in radialer Richtung entweder entlang eines Abschnitts r1 des Radius r der Außenfläche erstrecken und zwar im Kontakt mit der Innenfläche des Rings 3 oder, wie es durch 2a angedeutet ist, über den gesamten Radius r, so daß der Kern massiv ausgestaltet ist.

Der Ring und der Kern 2 sind miteinander über eine Verbin dungsschicht aus einem Material verbunden, dessen Schmelz punkt kleiner ist als derjenige der Materialien, aus denen sowohl der Ring 3 als auch der Kern 2 bestehen und das bei der örtlichen Betriebstemperatur der Walze 1, d. h. in einem entsprechenden Abschnitt der Verbindungsschicht im festen Aggregatzustand verbleibt.

Mit 4 sind Kühlkanäle bezeichnet, die in Längsrichtung im Ring 3 in einem Abstand von 10 bis 15 mm von der Ver bindungsebene vorgesehen sind.

Bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Verbindungsschicht 5 durch Verlöten eines geeigne ten Materials erhalten, wobei sie z. B. aus einem Band be stehen kann, das vorher entweder auf der Außenwand des Kerns 2 oder auf der Innenwand des Rings 3 aufgebracht wird.

Beispielsweise kann der Ring 3 aus einer herkömmlichen Cu-Cr-Zr-Legierung bestehen und der Kern 2 kann aus einem austenitischen Nickelguß (z. B. mit der Bezeichnung Ni- Resist) bestehen oder ganz allgemein aus jedem Material, das eine Lötverbindung mit der oben genannten Kupferlegierung eingeht und dessen Ausdehnungskoeffizient vorteilhafterweise größer ist als derjenige des den Ring 3 bildenden Materials. Die Cu-Cr-Zr-Legierung kann auch durch ein Material ersetzt werden, das aus Kupfer besteht, in dem Oxide dispergiert sind und das unter der Bezeichnung ODS-Kupfer bekannt ist, dessen Eigenschaften und dessen Herstellungsverfahren in einer Patentanmeldung der An melderin beschrieben sind.

Gemäß einem zweiten nicht dargestellten Ausführungsbei spiel einer Walze 1 erfolgt die Verbindung zwischen dem Kern 2 und dem Ring 3 mittels Eingießens einer Verbindungs schicht im flüssigen Zustand in einen zwischen dem Ring 3 und dem Kern 2 vorgesehenen Raum. Dieser Raum kann z. B. eine Höhe von 1 bis 2 mm aufweisen und mit Abstandshaltern aus Draht versehen sein. Eine Beschichtung mit Kupfer der Außenfläche des Kerns 2 wird in diesem Fall durchgeführt, um einen Lötvorgang zu ermöglichen.

Bei den beiden beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die Dicke des Ringes 3 erheblich kleiner als diejenige eines herkönmlichen schwalbenschwanzförmigen Rings, wodurch nicht nur die Herstellungskosten und die Herstellungsschwierig keiten verringert werden, sondern auch eine Lagerhalterung erleichtert wird.

Im folgenden werden vorteilhafte Ausführungsbeispiele zur Herstellung der erfindungsgemäßen Walze angegeben.

1. Verfahren zur Herstellung der Walze mit Hartlötung

Das Verfahren der Hartlötung besteht darin, daß zwischen den beiden miteinander zu verbindenden Teilen eine dünne Schicht einer Legierung aufgebracht wird, deren Schmelz punkt kleiner ist als derjenige der beiden Teile. Danach wird diese Anordnung auf eine Temperatur gebracht, die größer ist als der Schmelzpunkt der Hartlötverbindung, d. h. der Hartlöttemperatur. Die Lötlegierung schmilzt und dringt geringfügig in die beiden Teile ein, wodurch der Schmelzpunkt der Flüssigkeit erhöht wird, die in wenigen Minuten erstarrt. Die Dicke der hartgelöteten Verbindungs schicht ist sehr gering und seine mechanische Widerstands fähigkeit im allgemeinen ganz ausgezeichnet.

Um in geeigneter Weise eine Hartlötung des Ringes 3 mit dem Kern 2 zu verwirklichen, wobei der Ring aus einer Cu- Cr-Zr-Legierung besteht, sind Hartlötmaterialien mit hohem Schmelzpunkt erforderlich, z. B. die BAg 13-Legierung (gemäß der Norm AWS), die die folgende Zusammensetzung aufweist: 56% Ag, 2% Ni, 42% Cu. Da außerdem der Ausdehnungs koeffizient größer ist als derjenige des Rings 3, übt der Kern auf die Verbindungsschicht 5 und damit auf den Ring 3 während des Hartlötens einen Radialdruck aus.

Andererseits muß aufgrund des hohen Gewichtes der Teile das Hartlöten in einem Ofen erfolgen, wodurch eine vorherige Anordnung des Lötmaterials in Form eines Bandes von z. B. 1 bis 2 Kilogramm erforderlich ist. Die Oxidation und die während der thermischen Behandlungen auftretenden Deformationen bewirken schließlich, daß es nicht mehr möglich ist, nach Abnutzung des Rings 3 den Kern 2 wiederzugewinnen, mit Ausnahme des reinen Materialwertes.

Das Herstellungsverfahren für die erfindungsgemäße Walze, deren Ring 3 aus der oben genannten Cu-Cr-Zr-Legierung besteht, geschieht wie folgt:

a) die Rohlinge für den Ring 3 und den Kern 2 werden unter Einhaltung sehr kleiner Toleranzen bearbeitet, gemäß den vorgegebenen Abmessungen für die gewünschte Walze;
b) die miteinander zu verlötenden Flächen werden ge schmirgelt und gegebenenfalls mit einer Reinigungslösung gewaschen;
c) auf eine der Flächen des Rings 3 bzw. des Kerns 2 wird ein geeignetes Lötmittel aufgebracht, z. B. ein Band von 5 oder 10 Millimetern Dicke aus BAg 13a, das zur mechanischen Verankerungen punktverschweißt wird;
d) der Ring 3 wird auf den Kern 2 aufgebracht, wonach ein thermischer Schrumpfprozeß durchgeführt wird, um eine provisorische Verbindung zu erzielen;
e) das Hartverlöten der Walze 1 erfolgt in einem Ofen, z. B. bei einer Temperatur von 1000°C während einer oder zweier Stunden im Zweiphasenmodus, der weiter unten beschrieben wird;
f) gegebenenfalls wird zur Wiederherstellung der Material eigenschaften des Ringes eine Härtung oder eine Überhär tung bei einer Mindestgeschwindigkeit von 15 bis 20 C/s von 1000°C bis mindestens 400°C durchgeführt, und zwar in Wasser oder Öl (wobei die Auswahl davon abhängt, daß Spannungsrisse unbedingt zu vermeiden sind), wonach der Ring gehärtet wird, z. B. während zweier Stunden bei ungefähr 480°C;
g) wonach gegebenenfalls eine Endbearbeitung der Walze 1 erfolgt.

Das Hartlötverfahren erfolgt üblicherweise bei einer Er wärmungsgeschwindigkeit in der Größenordnung von 300°C/h bis zum Erreichen der Löttemperatur, die selbstverständlich vom verwendeten Material abhängt. Sie beträgt z. B. 870°C für die BAg 13a-Legierung und 340°C für die Kupferlegierung.

Diesem Verfahren schließt sich entweder später oder un mittelbar, sofern es der Ofen erlaubt, eine Diffusions phase an, mit einem langsameren Temperaturanstieg in der Größenordnung von 100°C/h, ausgehend von der Löttempera tur bis zur Temperatur der Überhärtung des Kerns, die zwi schen 990 und 1000°C liegt. Diese zweite Phase ist erforder lich, um die mechanischen Eigenschaften der Cu-Cr-Zr-Le gierung wiederherzustellen und damit einer anschließenden Verringerung der Bruchfestigkeit vorzubeugen. Es sei betont, daß die Erwärmungsgeschwindigkeit klein genug sein muß, um ein plötzliches Ausscheiden von Flüssigkeit aus der Verbindungsschicht aufgrund der Schwerkraft zu verhindern, bevor eine korrekte Diffusion durchgeführt worden ist.

Es sei betont, daß diese Art der thermischen Nachbehand lung nach dem Hartlöten im Falle des Verwendens eines Ringes aus ODS-Kupfer entfällt. In diesem Fall können als Lötver bindungen BAg-1-Schichten verwendet werden, die Zink mit erheblich geringerem Schmelzpunkt (ungefähr 700°C) enthal ten, wonach auch ein anschließendes Überhärten und dem zufolge auch eine Vergütung entfallen.

2. Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Walze durch Zinnverlötung

Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel wird eine Technik verwendet, die eher an eine Klebtechnik erinnert, da hier keine wahrhafte metallurgische Verbindung erzielt wird. Wie im Fall eines Klebevorganges weisen die metallischen Eigenschaften gute Widerstandsfähigkeit gegen Scherkräfte auf, jedoch geringe Widerstandsfähigkeit gegen Zugkräfte auf. Die mechanischen Eigenschaften einer mittels Zinn erzielten Verbindung sind schlechter als diejenigen einer Verbindung mittels eines Hartlötvorganges.

Das Einbringen einer Zinnlegierung erfolgt durch Eingießen in den Raum zwischen dem Ring 3 und dem Kern 2 und dem Erhitzen auf eine Temperatur T in der Größenordnung von 250 bis 300°C, je nach der verwendeten Zinnlegierung.

Da die Erwärmung sehr gering ist, ist es möglich, die Teile nach ihrer Endbearbeitung miteinander zu verbinden, wo durch insgesamt Vereinfachungen des Herstellungsprozesses zu erzielen sind. Auch eine Trennung der Einzelteile durch erneute Erwärmung ist ohne weiteres möglich, so daß der steife innere Kern 2 wiederverwendet werden kann.

Verschiedene Varianten sind denkbar: Anstelle der aufge zählten Materialien sind selbstverständlich eine Vielzahl anderer Materialien sowohl für den Hartlötvorgang als auch für den Lötvorgang der beiden die Walze 1 bildenden Teile denkbar, wobei der Einsatz der Walzen auch zum Gießen ande rer Metalle als Stahl möglich ist.

Claims

1. Walze für das Stranggießen flüssiger Metalle, insbesondere Stahl zwischen zwei Walzen oder auf einer Walze, mit einem äußeren Ring, der mit dem flüssigen Metall in Berührung kommt und mit einem steifen, am äußeren Ring befestigten inneren Kern, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (3) mit dem Kern (2) über eine Verbindungs schicht (5) aus einem Material verbunden ist, dessen Schmelzpunkt unterhalb desjenigen der beiden Materialien liegt, aus denen der Ring und der Kern besteht und das bei der Einsatztemperatur der Walze in festem Zustand verbleibt.

2. Walze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsschicht (5) mittels eines Hartlötverfahrens erzielt wird und aus einem zuvor auf die Außenwand des Kerns oder die Innenwand des Rings aufgebrachten Band besteht.

3. Walze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsschicht (5) im flüssigen Zustand in einen zwischen dem Ring und dem Kern vorgesehenen Zwischen raum eingegossen wird.

4. Walze nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeich net, daß die Verbindungsschicht (5) eine Hartlötverbin dung ist, die aus einer Silberlegierung der folgenden Zusammensetzung in Gewichtsprozent besteht: 56% AG, 2% Ni und 42% Cu.

5. Walze nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeich net, daß die Verbindungsschicht (5) eine Hartlötverbin dung ist, die aus einer Kupferlegierung der folgenden Zusammensetzung in Gewichtsprozent besteht: 68% Cu, 25% Mn und 3% Ni.

6. Walze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (3) eine Dicke von etwa 50 bis 60 mm aufweist.

7. Walze nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (3) innere in Längsrichtung angeordnete Kühlkanäle (4) aufweist, die in einer Tiefe von 10 bis 15 Milli metern von der Innenfläche entfernt vorgesehen sind.

8. Walze nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeich net, daß der Kern aus einem Material besteht, dessen Ausdehnungskoeffizient größer ist als derjenige des den Ring bildenden Materials.

9. Walze nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß der Ring aus einer Cu-Cr-Zr-Legierung besteht oder aus Kupfer, in dem Oxide dispergiert sind.

10. Verfahren zur Herstellung einer Walze für das Strang gießen gemäß dem Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

a) der Ring (3) und der Kern (2) bearbeitet werden,
b) die miteinander zu verlötenden Flächen geschmirgelt und gegebenenfalls mit einer Reinigungsflüssigkeit gewaschen werden,
c) entweder auf die Innenwand des Rings oder auf die Außenwand des Kerns ein geeignetes Lötmittel (5) aufgebracht wird,
d) der Ring (3) auf den Kern (2) aufgebracht wird,
e) zur Durchführung des Hartlötens die Anordnung in einen Ofen eingebracht wird und dort bei einer Tem peratur von 1000°C etwa ein bis zwei Stunden ver bleibt,
f) zur Wiederherstellung der mechanischen Eigenschaf ten des den Ring bildenden Materials eine Überhär tung und anschließend eine Vergütung durchgeführt wird und
g) erforderlichenfalls eine Endbearbeitung des Ringes durchgeführt wird.

11. Verfahren zur Herstellung einer Walze für das Strang gießen gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

a) der Ring (3) und der Kern (2) bearbeitet werden,
b) der Kern (2) in den Ring (3) eingebracht wird, wobei ein Zwischenraum frei bleibt und die Anordnung auf eine geeignete Temperatur T gebracht wird,
c) in den Zwischenraum eine Lötverbindung aus einem Material eingefüllt wird, das sich bereits bei der genannten Temperatur T im flüssigen Zustand befindet.

12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötverbindung eine Zinnlegierung ist und daß die Temperatur T zwischen 250° und 300°C liegt.