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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Blockformwalze für Stranggussmaschinen
und insbesondere die Oberflächenform
der gegenläufigen
Walzen der Blockform für
die Metallbandherstellung.
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Normalerweise
werden Bänder
mit einem herkömmlichen
Verfahren gewonnen, das das Stranggießen der flachen Bramme bewirkt,
auf das möglicherweise
ein Kantenabschrägen,
Flachbrammenerwärmen
und Warmwalzen folgen.
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Dieser
Prozess erfordert einen erheblichen Energieverbrauch für das Erwärmen der
Flachbrammen und für
die Verarbeitung des Materials. Andererseits ist das Stranggießen von
Bändern
ein Verfahren, das es ermöglicht,
dünne Bänder direkt
als ein Gusserzeugnis herzustellen, so dass der Abschräg- und der
Warmwalzprozess wegfallen und das Kaltwalzen den dünneren Dicken
vorbehalten bleibt.
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Daher
ist beim Stranggießen
der Bänder
die Behandlung ihrer Oberflächen
natürlich
unmöglich und
es ist daher absolut notwendig, dass das Band vollständig ohne
Oberflächenfehler
hergestellt wird. Um dieses Ergebnis zu erzielen, muss die Verfestigung
des Bandes nahe an der Blockform gesteuert werden.
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Zur
Lösung
dieses Problems sind dem Stand der Technik nach verschiedene Lösungen verfügbar. Eine
Lösung
beruht auf der Ausbildung vorgegebener Nuten auf der Blockformoberfläche. So
wird beispielsweise in der europäischen
Patentanmeldung
EP
0 493 290 A1 eine bewegliche Wand für die Metallverfestigung beschrieben,
in der ein geeignetes Nutprofil an einer Kupferkrone ausgeführt ist
und deren Hohlräume
mit einem Metall mit niedrigerer Leitfähigkeit gefüllt sind. So wird eine Oberfläche geschaffen,
an der abwechselnd Zonen mit stärkerem und
mit schwächerem
Wärmeaustausch
vorhanden sind.
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Des
Weiteren wird in dem europäischen
Patent
EP 0 309 247
B1 dieses Ergebnis erreicht, indem eine Reihe von Hohlräumen, die
kreisförmig
oder oval sind, hergestellt wird und diese gleichmäßig auf der
Oberfläche
jeder Blockformwalze angeordnet werden.
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In
beiden Fällen
wird ein Band mit einer faltigen Oberfläche hergestellt. Für die Einsatzzwecke, bei
denen die Oberfläche
ausschlaggebend ist, bewirkt diese Tatsache ein Problem, da selbst
die folgenden Prozesse möglicherweise
nicht ausreichen, um die ursprüngliche
Faltigkeit wieder herzustellen. Des Weiteren beseitigen die oben
aufgeführten
Lösungen
das Problem an den Walzenflächenzonen nicht,
die von dem Prozess nicht beeinflusst werden, und an denen daher
sehr intensiver Wärmeaustausch
stattfindet.
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Schließlich bringt
im ersten Fall die Notwendigkeit, die Hohlräume mit einem zweiten Metall
zu füllen,
und im zweiten Fall die Notwendigkeit, regelmäßig beabstandete Hohlräume an der
Walzenoberfläche
auszubilden, eine erhebliche Komplexität und damit hohe Kosten für die Ausführung und
die anschließende
Wartung der Blockform mit sich.
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EP 309 247 offenbart eine
Kühlwalze
für Stranggussmaschinen
zum Herstellen von Metallbändern,
wobei die Walzenoberfläche
Vertiefungen aufweist, die gleichmäßig darauf verteilt sind und
einen Durchmesser von 0,1 mm bis 1,2 mm haben.
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EO
463 177 offenbart eine Stranggussmaschine mit Kühlwalzen, die mit Vertiefungen
und seitlichen Erhöhungen
versehen, um ein Sechseckmuster herzustellen, das von einer Nut
in einer Tiefe umschlossen ist, die zwischen und 30 μm beträgt.
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Daher
zielt die vorliegende Erfindung darauf ab, die erwähnten Nachteile
zu beseitigen und eine Blockform zu schaffen, bei der die Wärmeableitung und
die Metallverfestigung abhängig
von der Blockformkonstruktion und nicht von inhärenten Merkmalen des Materials
sind.
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Daher
schafft die Erfindung eine Kühlwalze mit
Oberflächenvertiefungen
für Stranggussmaschinen
mit einem Paar gegenläufiger
Walzen, die mit dem geschmolzenen Metall in Kontakt sind, dadurch gekennzeichnet,
dass die Oberflächenvertiefungen dersel ben
aus einer Vielzahl von Vertiefungen einer ersten und einer zweiten
Größenordnung
bestehen, die auf ihrer Oberfläche
ungleichmäßig verteilt
sind und wahlweise wenigstens teilweise in Kontakt miteinander sind.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung dienen die Hohlräume
der ersten Größenordnung
dazu, den Wärmestrom
zwischen dem sich verfestigenden Metall und der Walze zu reduzieren.
Die Tiefe dieser Hohlräume
kann zwischen 2 und 10 μm
variieren, und ihr äquivalenter
Kreisdurchmesser liegt zwischen 10 und 50 μm.
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Die
Hohlräume
der zweiten Größenordnung dienen
gemäß der Erfindung
dazu, lokal begrenzte Zwischenräume
zu erzeugen. So wird die Verfestigung dadurch gesteuert, dass sie
an einzelnen Stellen und nicht kontinuierlich abläuft, wodurch
die Spannung aufgebrochen und reduziert wird, die durch das Schrumpfen
verursacht wird und die die Fehler des Bandes verursacht. Durch
das Vorhandensein der Hohlräume
der ersten Größenordnung, die
eine erste Verringerung des Wärmeflusses
bewirken, besteht die zweite Größenordnung
aus Hohlräumen
unterschiedlicher Formen und Abmessungen, die in einem äquivalenten
Durchmesser enthalten sind, der zwischen 0,2 und 1 mm beträgt, während die
Tiefe jedes Hohlraums derselben zwischen 40 und 200 μm beträgt, was
sich vorteilhaft auf die Oberfläche
des Bandes auswirkt.
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Die
Tatsache, dass die Hohlräume
willkürlich auf
der Oberfläche
der Walze verteilt sind, trägt
dazu bei, Spannungen aufgrund der Schrumpfung aufzubrechen und zu
reduzieren, so dass jegliche bevorzugte Richtung, in der einzelne
Spannungen örtlich begrenzt
zusammenwirken können,
vermieden werden, die bei ansteigenden Werten Mikro-Makro-Defekte verursachen
können.
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Des
Weiteren liegt der Abstand zwischen jedem der Hohlräume erster
Ordnung zwischen 0 und 60 μm,
während
der Abstand zwischen jedem der Hohlräume zweiter Ordnung zwischen
0 und 1,5 mm liegt.
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Des
Weiteren hat das auf der Walzenoberfläche hinterlassene Muster jedes
Hohlraums wenigstens der ersten oder der zweiten Größenordnung
von Hohlräumen
eine Form, die aus der Gruppe ausgewählt wird, die die Vieleck-
und die Kreisform und noch besser die Rhomboidform umfasst.
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Gemäß der Erfindung
besteht die Oberfläche jeder
Walze, die mit dem gegossenen Metall in Kontakt kommt, aus einem
Material mit einer Wärmeleitfähigkeit,
die zwischen 15 und 380 W/m·K
liegt, und ist in einem Material ausgeführt, das aus der folgenden
Gruppe ausgewählt
wird: Stahl, Kupfer, Nickel und Chrom und/oder Legierungen, in dieser
Reihenfolge ausgewählt,
um die Beständigkeit
der Hohlräume
für die
gesamte Lebensdauer der Walze zu gewährfeisten.
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Vorteilhafterweise
ist gemäß der vorliegenden
Erfindung, wenn die Blockformoberfläche mit entsprechender Struktur
versehen ist, das System in der Lage, fehlerfreie Bänder herzustellen,
die eine gesteuerte Rauigkeit aufweisen, so dass sie in den anschließenden Prozessen
wieder hergestellt werden kann.
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Das
heißt,
die Struktur wird gemäß der vorliegenden
Erfindung mit einem Verfahren des Kugelstrahlens der Oberfläche der
Rollen hergestellt, um Hohlräume
auf dieser Walzenoberfläche
zu erzeugen.
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Vorteilhafterweise
sind gemäß der vorliegenden
Erfindung die Hohlräume
eng verteilt, willkürlich beabstandet,
haben eine Form, die gemäß der Art der
eingesetzten Kugeln variiert und weiterhin ist sie dadurch gekennzeichnet,
dass sie das Vorhandensein von Hohlräumen zweier verschiedener Größenordnungen
umfasst. So wird die Verfestigung gesteuert, da sie diskret und
nicht durchgehend abläuft, wodurch
die Spannungen aufgrund der Schrumpfung aufgebrochen und reduziert
werden, die Fehler des Bandes verursachen.
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Ein
lediglich der Erläuterung
und nicht einschränkenden
Zwecken dienendes veranschaulichendes und Vergleichszwecken dienendes
Beispiel des Verhaltens eines zunächst flüssigen Metalls bei Abkühlung in
einer Blockform gemäß einer
Ausführung
der vorliegenden Erfindung und einer Blockform nach dem Stand der
Technik werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen offenbart,
wobei:
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1 eine
schematische Schnittansicht ist, die die Oberfläche einer Walze zeigt, die
gemäß der vorliegenden
Erfindung modifiziert ist;
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2a, 2b und 2c schematische Ansichten
sind, die das Verhalten eines gegossenen Metalls zeigen, wenn es
auf einer glatten Oberfläche verfestigt
wird;
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3a und 3b schematische
Ansichten sind, die das Verhalten eines gegossenen Metalls darstellen,
wenn es auf einer Oberfläche
gemäß der vorliegenden
Erfindung verfestigt wird; und
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4 ein
Diagramm ist, das die Werte des Wahrscheinlichkeitsindex der Rissbildung
an Stahlbändern
in Abhängigkeit
von der Bandtemperatur und von der glatten Oberfläche einer
Walze sowie für eine
Oberfläche
zeigt, die gemäß der vorliegenden Erfindung
modifiziert ist.
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Beispiel
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In
diesem Beispiel ist das gegossene Metall austenitischer Inox-Stahl
AISI 304 als ein zu verfestigendes Metall in der Form eines
Bandes mit einer Dicke von 3 mm. Die in 2a, 2b und 2c dargestellte
Abfolge stellt das Verhalten dieses Materials dar, wenn es auf einer
glatten gekühlten
Kupfer-Kernstütze
verfestigt wird.
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In 2a ist
die Oberfläche
einer Walze 1 als ein Element einer Blockform schematisch
dargestellt. Die Oberfläche
ist glatt und ist mit einem gegossenen Metall in Kontakt. Es ist
zu sehen, wie der Stahl sich am Meniskus 3 der Blockform
zu verfestigen beginnt, und eine dünne Schicht 2 mit
einer keinesfalls gleichmäßigen Dicke
in der Größenordnung von
70-100 μm
bildet.
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Dann
löst sich,
wie in 2b zu sehen ist, die dünne Schicht 2 von
der Walze und da es eine sehr dünne
und nicht sehr beständige
Struktur ist, ist sie großer
Instabilität
ausgesetzt, so dass es zu willkürlicher
Wellenbildung mit einem veränderlichen
Abstand von ungefähr
30-80 mm kommt. In diesem Zustand verursacht die Existenz von Wellen
die Ausbildung eines Luftzwischenraums 4 veränderlicher
Dicke zwischen Bahn und Walze mit maximalen Ablösungswerten in der Größenordnung
von 20 μm.
Dadurch wird die Wärmeableitung
aus dem Band außerordentlich
ungleichmäßig, Und
Temperaturunterschiede von 120°C
werden an der Bandoberfläche erzeugt,
da die Bandzonen, die stärker
von der Walze gelöst
sind, sehr heiß bleiben.
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Dann
nimmt, wie in 2c zu sehen ist, die verfestigte
Dicke 2 ungleichmäßig zu,
so dass es zur Ausbildung erheblicher Verdünnungen 5 den Zonen entsprechend
kommt, die stärker
von der Walze gelöst
sind. Wenn der ferrostatische Druck einen vorgegebenen Wert erreicht,
der ungefähr
10 cm Tiefe vom Meniskus weg entspricht, bringt dieser Druck das Band
wieder in Kontakt mit der Walze, und die Wellenformen verschwinden
allmählich.
Doch auch wenn die Temperaturdifferenzen abnehmen, bleiben sie bestehen,
bis das Band unter den Walzen austritt. Den Zonen 5 entsprechend,
die die stärksten
Verringerungen der Dicke darstellen, werden hohe Werte der Zugspannung
dort erzeugt, wo die Oberflächentemperatur
in der Größenordnung
von 1370 – 1390°C liegt und
die Duktilität
des Stahls AISI 304 sehr gering ist, so dass es zur Rissbildung
kommt.
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In 1 sowie
in 3a und 3b ist schematisch
die Oberfläche
einer allgemeinen Walze 1 gemäß der vorliegenden Erfindung
modifiziert dargestellt. Das heißt, der Wärmeaustauschmechanismus ändert sich
beim Vorhandensein einer gemäß der vorliegenden
Erfindung modifizierten Oberfläche erheblich.
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Der
starke anfängliche
Wärmeaustausch wird,
wie in 3a zu sehen ist, durch das Vorhandensein
einer Vielzahl kleiner Hohlräume 6 erheblich eingeschränkt, und
des Weiteren kommt es, da der Stahl 2 nicht vollständig in
eine zweite Vielzahl 7 größerer Hohlräume eindringt, zu einer geringfügigen Verzögerung der
Verfestigung desselben dadurch.
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Bei
der anfänglichen
Verfestigung kommt es in der Nähe
des Meniskus 2 nicht zur Ausbildung einer dünnen Schicht
mit ungleichmäßiger Dicke
(wie dies bei der Walze mit glatter Oberfläche der Fall ist), sondern
zur Ausbildung vollständig
verfestigter Zonen 8, die durch Zonen 9 miteinander
verbunden sind, die sich noch in zähem Zustand befinden.
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Unter
diesen Umständen
kommt es daher nicht zum Lösen
der dünnen
Schicht von der Walze mit der damit einhergehenden Bildung von Wellen. So
erreicht die Bandoberfläche
die vollständige
Verfestigung in einer ungefähren
Tiefe in 10 cm Entfernung von dem Meniskus, wenn der ferrostatische Druck
das Band an der Walze haften lassen kann.
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Erst
von diesem Augenblick an werden, wie in 3b zu
sehen ist, Zustände
von Zugspannung in dem Band ausgelöst, die Maximalwerte an der Oberfläche der
kälteren
Zonen in der Nähe
der Hohlräume 6 und 7 erreichen.
Wie aus der Figur zu ersehen ist, gibt es Zonen 10, in
denen Spannungszustände
eine Intensität
haben, die erheblich geringer ist als die, die bei einem Band auftreten,
das mit Walzen mit glatter Oberfläche gegossen wird.
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In 4 ist
ein Diagramm dargestellt, das die Werte des Wahrscheinlichkeitsindex
der Rissbildung bei Bändern
aus Stahl AISI 304 in Abhängigkeit von der Temperatur
der letzteren und von der Art einer glatten Walzenoberfläche sowie
für eine
Oberfläche
darstellt, die gemäß der vorliegenden
Erfindung modifiziert ist.
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Der
Reißanfälligkeitsindex
ist, wie zu sehen ist, für
eine Walze mit einer Oberfläche,
die gemäß der vorliegenden
Erfindung kugelgestrahlt wurde, in einem Intervall zwischen 1370
und 1390°C
erheblich besser, d.h. in der Zone des Stahls AISI 304 mit
geringer Duktilität,
in der es hauptsächlich
zur Rissbildung kommt.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf das oben beschriebene Ausführungsbeispiel
beschränkt, sondern
umfasst jede beliebige Ausführungsvariante,
die im Schutzumfang der beigefügten
Ansprüche enthalten
ist.