DE4130202A1 - Walze fuer das stranggiessen von metallen, insbesondere von stahl und verfahren zur herstellung einer derartigen walze - Google Patents
Walze fuer das stranggiessen von metallen, insbesondere von stahl und verfahren zur herstellung einer derartigen walzeInfo
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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.
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.
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 (12)
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.
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