EP0958871B1 - Kokille zum Stranggiessen von im wesentlichen polygonalen Metallsträngen. - Google Patents

Kokille zum Stranggiessen von im wesentlichen polygonalen Metallsträngen. Download PDF

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EP0958871B1
EP0958871B1 EP99108933A EP99108933A EP0958871B1 EP 0958871 B1 EP0958871 B1 EP 0958871B1 EP 99108933 A EP99108933 A EP 99108933A EP 99108933 A EP99108933 A EP 99108933A EP 0958871 B1 EP0958871 B1 EP 0958871B1
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EP
European Patent Office
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corner areas
cross
mould according
mold cavity
cone
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP99108933A
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English (en)
French (fr)
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EP0958871A1 (de
Inventor
Holger Braun
Adrian Stilli
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Concast Standard AG
Original Assignee
Concast Standard AG
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Publication date
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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/04—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into open-ended moulds
    • B22D11/0406—Moulds with special profile

Definitions

  • the invention relates essentially to a mold for continuous casting polygonal strands, according to the preamble of claim 1.
  • Continuous casting is continuous a molten metal through a pouring opening into a mold cavity poured into a mold by cooling the melt on the walls of the Mold cavity formed a strand shell and continuously increasing thickness continuously pulled a strand from an outlet opening of the mold cavity, which usually has a still liquid core and is complete Solidification must be subjected to post-cooling.
  • the continuous caster is the shape of the mold cavity walls. The Interaction of the strand shell that forms with the mold cavity walls determines the heat transfer between the strand shell and the mold cavity walls and consequently the growth of the strand shell.
  • the interaction the strand shell with the mold cavity walls also has an influence to the magnitude of the frictional forces that arise when pulling a strand from the Mold cavity must be overcome and because of the limited mechanical Stability of the strand shell, depending on the chemical composition the melt, do not exceed a certain critical value may, if undesirable, reduce the productivity of the continuous caster Strand breaks or strand breaks should be avoided.
  • the Mold cavity walls should be shaped so that they are as uniform as possible Strand shell growth is realized.
  • Various constructive measures are known to optimize strand shell growth.
  • the mold cavity is designed in the form of a casting cone that the thermal contraction of the strand should take into account.
  • the optimal shaping of the pouring cone is a general problem because of the Variety of parameters known to increase strand shell growth have an influence. For example, the chemical composition play of the molten metal, the shape and size of the cross section of the mold cavity and the casting speed matter.
  • the mechanisms that promote strand shell growth determine a special one in the corner areas of the strand Attention.
  • the Strand shell in the corners of the mold cavity with an excessively large one Pressing force is pressed against the mold cavity walls and thus a jamming of the Strand is caused in the mold cavity or, in another extreme case, due to the thermal contraction of the strand shell in at least one of the Corners of the mold cavity forming a gap between the strand shell and the mold cavity walls and because of the gap formation the heat dissipation is locally reduced.
  • US Pat. No. 4,207,941 describes a mold used for continuous casting of essentially square strands is provided.
  • the mold cavity of this mold is formed by a tube that is conical over its entire length, the three adjacent, in terms of size and location longitudinal sections which can be distinguished by the conicity include: an entrance section, located in the foundry above the pouring level; a middle section, at the upper end of which in the casting operation the pouring mirror is positioned and in which the initial solidification of the strand takes place; and an end section that supports the strand shell at the outlet opening.
  • the entrance section has four curved corner areas, each through planar intermediate areas are connected, two of each of the intermediate areas abut one another at a right angle at one of the corner areas.
  • the taper is constant in the area of the entrance section, i.e. the light
  • the width of the mold cavity increases linearly with the distance from the pouring opening from.
  • the taper of the mold cavity depends both on Distance from the pouring opening as well as from the position in one plane across to the direction of the strand.
  • the middle section is composed of curved Corner areas, each by one of three levels, in one obtuse angles between facets forming an intermediate area are connected. The taper is greatest in the corner areas of the central section and here regardless of the position in the strand running direction.
  • Two of the three facets each forming one of the intermediate areas are adjacent one of the corner areas and have the shape of triangles, which are in Line direction linear as a function of the distance from the pouring opening broaden.
  • Two of the triangular areas meet at each of the corner areas Facets of neighboring intermediate areas at an angle of approx. 92 ° to each other.
  • the intermediate areas of the middle section is the Taper constant on each of the facets, with taper on the triangular, to one of the facets bordering approximately rectangular corners is greatest. At the boundaries between the facets there are cracks Conicity.
  • the mold cavity In the area of the end section, the mold cavity has the same twelve-sided shape Shape like at the border between the end section and the middle section.
  • the taper in the entire end section is constant and smaller than that Taper in the area of the various facets that cover the central section of the Form the mold tube.
  • One disadvantage of this mold is that cannot be prevented in the twelve-sided areas of the mold cavity may cause the strand shell to detach itself locally from the mold cavity walls and assumes a shape which, during the extrusion of the shape of the Mold cavity walls do not follow perfectly and their geometry can only be controlled with imprecision is.
  • the result is, on the one hand, the formation of gaps between the Strand shell and the mold cavity walls, combined with a local reduction the heat dissipation.
  • local increases in the contact pressure occur between the strand shell and the mold cavity walls, so that the frictional forces are not reduced to a minimum.
  • EP-B-0 498 296, which forms the preamble of claim 1 is a mold for continuous casting of essentially polygonal strands.
  • the mold has a mold cavity with a pouring opening and a strand outlet opening.
  • the mold cavity is Provide at least in the area of a partial length of the mold with pouring conicity that runs along of the mold cavity circumference in the corner areas and in the intermediate areas between the Corner areas are different. It is suggested in the corner areas that the taper is low, to perform zero or even negative. Towards the middle of the intermediate area along a curved curve the taper increase to shrinkage gap in the intermediate areas between the strand surface and the mold wall.
  • the mold according to the invention has a mold cavity with at least three corner areas and three intermediate areas between the corner areas and with a pouring cone.
  • the taper varies at least in the partial length range of the casting cone along a circumferential line in a cross-sectional area in one or more of the intermediate areas such that the taper to the center of the respective intermediate area decreases.
  • This design of the pouring cone takes into account the tendency of a strand shell forming in the mold cavity, due to their mechanical stability under the influence of the Strand shell of the impressed temperature profile and the ferrostatic pressure during cooling when pulling out the strand in the corner areas shrink than in the middle of the intermediate areas.
  • the circumferential line between the corner areas is a smooth curve, i.e. a curve, whose tangent does not change its direction discontinuously along the curve, forms.
  • a smooth curve i.e. a curve, whose tangent does not change its direction discontinuously along the curve, forms.
  • the mold according to the invention is the casting cone formed in a portion of the mold cavity.
  • the taper with the distance from the pouring side The end of the pouring cone varies.
  • the mold according to the invention is the taper in the middle of the intermediate areas in the area of the partial length regardless of the distance from the end on the pouring side the pouring cone, i.e. the clear width of the mold cavity changes in relation to the middle of the intermediate areas, linear with the distance from the pouring side End of the pouring cone.
  • the Taper in and / or at the corner areas is generally larger than in the middle of the intermediate areas, but takes at least piecewise non-linear and / or linear and / or parabolic with the distance from the pour end of the pouring cone.
  • the taper can be in and / or at the corner areas may be the same or even smaller than that Taper in the middle of the intermediate areas.
  • mold can be achieved with a taper that is in the middle of the intermediate areas, averaged over the entire length of the casting cone, 0 - 0.7% / m, is preferably 0.2-0.6% / m, and averaged in and / or at the corner areas over the entire length of the casting cone, a value in the range 0.7 - 1.5 % / m, preferably 0.8 - 1.3% / m.
  • the mold according to the invention is the circumferential line in a cross-sectional plane of the mold cavity in the area the partial length is at least piece-like arched and / or rectilinear.
  • the intermediate area takes place between one of the adjacent corner areas and the center of the intermediate area is reversed in curvature.
  • a Circumference with a continuous course of curvature therefore points between the middle of the intermediate area and the adjacent corner areas a turning point.
  • each section of the circumferential line in a cross-sectional area of the mold cavity between the corner regions a universal curve can be represented that - normalizes with regard to its extreme values - is independent of the distance from the pour-side end of the pouring cone.
  • This specification of a universal curve has several advantages. manufacturing technology there is the advantage that the pouring cone has only a few Parameter can be characterized. For example, it is sufficient to specify the universal function, which has a location coordinate as a variable, and the Course of the taper at the corner areas and in the middle of the intermediate area as a function of the distance from the pour-side end of the pouring cone.
  • a particularly simple parameterization of the circumferential line results in a Representation as a fourth-order parabola. Furthermore, an analysis of the Contact forces between the strand shell and the mold cavity walls that this form of the circumferential line results in particularly low contact forces.
  • a prerequisite for the lowest possible contact pressure is a slight curvature the circumference. This requirement is met, for example by a circumference with an inflection point between the center of one of the Intermediate areas and one of the adjacent corner areas.
  • a particularly even strand shell growth can be achieved if two the portions of the circumferential line that abut one of the corner regions Form an angle in the area of the partial length regardless of the distance from the pouring side Is the end of the pouring cone.
  • An embodiment of the invention Chill mold has a mold cavity whose cross-sectional area on pouring end of the pouring cone corner areas with a corner angle of each 90 ° and its intermediate areas along the entire length of the The pouring cone meet at a right angle.
  • This design concept is based on the fact that a strand which is a has rectangular cross-sectional area during cooling in the mold while the strand pull-out tends to shrink in such a way that in the immediate vicinity the corners of the sides of the strand meet at a right angle.
  • This conservation of angles during the course of the shrinking process is a result of the interaction of the mechanical properties of the Strand shell with the temperature profile and formed in the strand shell the ferrostatic pressure acting on the strand shell.
  • the mold cavity of the mold according to the invention can be in the corner areas Fillets with a radius of 2 - 8% of the clear width of the outlet opening exhibit.
  • FIGS. 1 and 2 represent a longitudinal and a cross section through the same Embodiment of a mold according to the invention.
  • the mold has Chill tube 5, which has a mold cavity 10 with a casting cone 10 ', one Pouring opening 11 and an outlet opening 12 forms.
  • FIGS. 1 and 2 concentrate the representations in FIGS. 1 and 2 - the present problem accordingly - on the mold tube 5, in particular the geometry of the pouring cone 10 '. Additional components, one in the foundry Make usable mold are omitted in Figures 1 and 2.
  • the casting cone 10 ' is in a longitudinal section 15' of the mold cavity 10 between a cross-sectional area 24 in the vicinity of the inlet opening 11 and the Exit opening 12 formed.
  • the pouring cone 10 'in FIGS. 1 and 2 is in the direction of the outlet opening 12 increasing narrowing of the mold cavity 10 is drawn in excessively large.
  • 2 shows a plan view of a longitudinal section of the mold tube 5, which is delimited on one side by the cross-sectional area 24 and on the other hand by a cross-sectional area 25 between the cross-sectional area 24 and the outlet opening 12.
  • FIG. 1 again illustrates 2 shows a longitudinal section along the line I - I in FIG. 2.
  • the mold cavity 10 has four corner areas 13 in the form of fillets.
  • the corner areas 13 are defined by intermediate areas 14 ', 14 ", 14' '', 14" "in the form of curved surfaces connected.
  • Fig. 1 the course of the corner areas 13 is in each case indicated by a line 13, which is the cutting line of the mold cavity delimiting surface and the diagonal surfaces of the mold cavity 10 result.
  • the sections are the circumferential line of the mold cavity 10, which each connect two corner regions 13 in the cross-sectional area 24, straight lines.
  • the corresponding sections 26 ', 26 ", 26" “, 26” “of the The circumferential line 26 of the mold cavity 10 in the cross-sectional area 25 is in pieces arcuate lines. Two of the sections 26 ', 26 ", 26"', 26 “” butt each at one of the corner areas 13 at a right angle, determined as Intersection angle of the tangents of the respective sections on the relevant one Corner area 13, together.
  • the inside width of the mold cavity increases 10 in the middle 32 in the direction of the outlet opening 12 linear with the distance Z from the one-sided end of the casting cone 10 '.
  • In and / or at the corner areas 13 takes the inside width of the mold cavity 10 at the end on the pouring side 24 of the casting cone 10 'initially much stronger with the distance from end 24 of the pouring cone 10 ′ on the pouring side than in the middle 32 of the intermediate regions 14 ', 14 ", 14"', 14 "”.
  • the relative change in the inside width of the mold cavity 10 is determined in and / or at one of the corner areas 13, as a function of the distance Z and reaches values of the same order of magnitude as the relative change the clear width, determined in the middle 32 of the intermediate areas 14 ', 14 ", 14 '' ', 14 "".
  • the casting cone 10 ' can be characterized quantitatively by specifying the conicity K, which is defined in this context as the quotient of the magnitude of the gradient of the inside width of the mold cavity 10 and the inside width, in each case determined for a specific location in the corner areas 13 or the intermediate areas 14 ', 14 ", 14''', 14 '''' in units of% / m.
  • the indices "M" or "E” refer to the center 32 or the corner regions 13, the sizes W M or W E according to FIG. 2 half the clear width of the mold cavity 10 in the center 32 of the intermediate regions 14 ' , 14 ", 14"'and 14 “” or in and / or at one of the corner regions 13 and Z 2 denotes the distance of the cross-sectional area 25 from the pour-side end 24 of the casting cone 10'.
  • the other sections 26 ′′, 26 ′′ ′′ and 26 ′′ ′′ can be treated analogously.
  • right angles 13 ′ are drawn, which each mark the angle that section 26 ′ has with one of the adjacent sections 26 ′′. or 26 "" in the corner areas 13, each defined by the tangents shown as dashed, horizontal or vertical lines.
  • Arrows P W in FIG. 3 indicate turning points on the section 26 ′ of the circumferential line 26, which mark a reversal of the sign of the curvature along the circumferential line 26.
  • FIGS. 4-6 Quantitative results of the simulations are shown in FIGS. 4-6 for a mold tube 5 optimized according to the above criteria.
  • the two curves are standardized with respect to K M (Z).
  • Z is specified in units of the length L K of the section 15 ', ie the longitudinal extent of the casting cone 10' in the casting direction. 4, the taper K M (Z) is constant.
  • the taper K E (Z) at the pouring end 24 of the pouring cone 10 ' is approximately a factor 8 greater than K M (Z) and decreases at least in parts non-linearly and / or parabolically and / or linearly as the distance Z increases.
  • the course of K M (Z) is compatible with K E (Z) ⁇ K M (Z) for Z> 0.6 L K.
  • the simulation thus suggests that the taper K varies at least in the region of a partial length 15 of the casting cone 10 '(see FIG. 1) along a circumferential line of any cross-sectional area, for example the cross-sectional area 25, such that the taper K to the center of the intermediate regions 14 ', 14 ", 14"' and 14 "" decreases.
  • this normalized form as shown in FIG.
  • ⁇ Y max is in the range ⁇ Y max ⁇ 1 mm.
  • FIGS. 4-6 can be modified to a certain extent without significantly influencing the properties of the mold according to the invention.
  • the requirement suggested by FIG. 5 could be waived that the shape of the intermediate areas 14 ', 14 ", 14"' and 14 "” by a single, suitably standardized function of a variable and the specification of the conicity K E (Z) and K M (Z) is represented.
  • waiving this requirement leads to tolerable changes that can be compensated for by a corresponding change in the courses of K E (Z) and K M (Z).
  • the circumference of a cross-sectional area of the mold cavity 10 in the area of the casting cone 10 'between the corner areas 13 should be a smooth curve. Studies have shown that selective abrupt changes in the direction of the tangent when passing through a Point between the corner areas 13, the formation of columns between the Convey the cavity wall and the strand shell in the vicinity of this point and disrupt the growth of the strand shell locally, even if the direction the tangent abruptly changes by only 2 ° when passing through this point changes.
  • the dashed line in FIG. 6 describes a section of a circumferential line of the mold cavity of a mold, the pouring cone of which follows the "natural shrinkage" of the strand shell.
  • the intermediate regions are curved in an S-shape, with a circumferential line in a cross-sectional area of the mold cavity 10 in the region of the S-shaped sections of the intermediate regions 14 ', 14 "
  • the position of the turning points and the width of the S-shaped curved sections of the intermediate areas 14 ', 14 ", 14"",14”" depends heavily on Distance Z 2 from the pour-side end 24 of the casting cone 10 ′, in particular for small Z 2 .
  • the optimized mold represented by the parameters in FIGS. 4 and 5 or the solid line in FIG.
  • the concept of natural shrinkage leads to shapes of the intermediate regions which are in one cross-sectional area of the mold cavity 10 at the corner regions 13 in one the region widening as the distance Z 2 widens significantly more and consequently also have a greater relative change in the taper K along the circumferential line of a cross-sectional area, based on the width of the S-shaped sections.
  • a mold represented by the parameters in FIGS. 4 and 5 is therefore suitable for higher pull-out speeds.
  • results discussed above are for straight and curved mold cavities applicable.
  • the results mentioned are not only applicable to molds for Continuous casting of essentially square strands. they are transferable to molds for the casting of essentially polygonal ones Strands with at least three corner areas and three intermediate areas. at such molds, it is advantageous if two of those adjacent to one of the corner areas Intermediate areas form a corner angle that is independent of the distance from the pour end of the pouring cone.
  • the shape of the Intermediate areas are those discussed in connection with FIGS. 4, 5 and 6 Statements applicable.
  • the aforementioned embodiment of the mold according to the invention relates on a pouring cone, the circumferential lines between the corner areas are formed from straight lines at the pouring end of the casting cone 10 ' and that with increasing distance from the pouring end 24 of the pouring cone 10 'have an increasingly convex curvature.
  • the perimeter lines of the mold cavity at the outlet opening 12 between the corner areas 13 straight and concave at the pouring end 24 of the casting cone are.

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kokille zum Stranggiessen von im wesentlichen polygonalen Strängen, gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Beim Stranggiessen, insbesondere beim Stranggiessen von Stahl, wird kontinuierlich eine Metallschmelze durch eine Eingiessöffnung in einen Formhohlraum einer Kokille gegossen, durch Abkühlen der Schmelze an den Wänden des Formhohlraums eine Strangschale kontinuierlich wachsender Dicke gebildet und aus einer Austrittsöffnung des Formhohlraums kontinuierlich ein Strang gezogen, der in der Regel einen noch flüssigen Kem aufweist und bis zur vollständigen Durcherstarrung einer Nachkühlung unterzogen werden muss. Von besonderer Bedeutung für die Qualität der hergestellten Stränge und für die Produktivität der Stranggiessanlage ist die Formgebung der Formhohlraumwände. Die Wechselwirkung der sich bildenden Strangschale mit den Formhohlraumwänden bestimmt einerseits den Wärmeübergang zwischen Strangschale und den Formhohlraumwänden und folglich auch das Wachstum der Strangschale. Die Wechselwirkung der Strangschale mit den Formhohlraumwänden hat auch Einfluss auf die Grösse der Reibungskräfte, die beim Ausziehen eines Stranges aus dem Formhohlraum überwunden werden müssen und wegen der limitierten mechanischen Stabilität der Strangschale, abhängig von der chemischen Zusammensetzung der Schmelze, einen bestimmten kritischen Wert nicht überschreiten dürfen, wenn unerwünschte, die Produktivität der Stranggiessanlage herabsetzende Strangabrisse oder Strangdurchbrüche vermieden werden sollen.
Um beim Stranggiessen eine möglichst hohe Giessgeschwindigkeit zu erreichen und gleichzeitig Strangabrisse bzw. Strangdurchbrüche zu vermeiden, sollten die Formhohlraumwände so geformt sein, dass ein möglichst gleichmässiges Strangschalenwachstum realisiert wird. Verschiedene konstruktive Massnahmen sind bekannt, um das Strangschalenwachstum zu optimieren. Um die Bildung von Spalten zwischen den Formhohlraumwänden und der Strangschale aufgrund der in Richtung auf die Austrittsöffnung zunehmende thermische Kontraktion zu vermeiden, wird der Formhohlraum in Form eines Giesskonus gestaltet, der der thermischen Kontraktion des Stranges Rechnung tragen soll.
Die optimale Formung des Giesskonus ist ein generelles Problem, wegen der Vielzahl der Parameter, die auf das Strangschalenwachstum bekanntermassen einen Einfluss haben. Beispielsweise spielen die chemische Zusammensetzung der Metallschmelze, die Form und die Grösse des Querschnitts des Formhohlraums und die Giessgeschwindigkeit eine Rolle.
Bei eckigen Formhohlräumen verdienen die Mechanismen, die das Strangschalenwachstum in den Eckbereichen des Stranges bestimmen, eine besondere Beachtung. Je nach Ausgestaltung des Giesskonus besteht die Gefahr, dass die Strangschale in den Ecken des Formhohlraums mit einer übermässig grossen Anpresskraft an die Formhohlraumwände gepresst und so ein Verklemmen des Stranges im Formhohlraum verursacht wird oder, in einem anderen Extremfall, aufgrund der thermischen.Kontraktion der Strangschale in wenigstens einer der Ecken des Formhohlraums der Bildung eines Spaltes zwischen der Strangschale und den Formhohlraumwänden Vorschub geleistet und wegen der Spaltbildung die Wärmeabfuhr lokal vermindert wird. Die Reduktion der Wärmeabfuhr in einer Ecke wiederum kann zur Folge haben, dass die Strangschale in der Ecke deutlich langsamer wächst als an den Seitenflächen des Formhohlraums oder - im Extremfall - sogar wieder aufschmilzt und einen Durchbruch erleidet. Die Bildung von Spalten zwischen der Strangschale und den Formhohlraumwänden erschwert weiterhin die Herstellung von Strängen mit einer genau kontrollierten Geometrie und führt zu unerwünschten, unkontrollierbaren Strangverzügen und zu Strängen mit Oberflächenfehlern.
Zusätzlich können Temperaturgradienten, in Verbindung mit der thermischen Kontraktion der Strangschale, eine Veränderung der Form einer Querschnittsfläche eines Strangabschnitts im Formhohlraum auf dem Wege des Strangabschnitts zur Austrittsöffnung fördern. Zur Optimierung eines Giesskonus ist es deshalb sinnvoll, zwei Freiheitsgrade, quantitativ beschrieben durch die räumliche Abhängigkeit der Konizität K, zu nutzen, die die Veränderung der Grösse und der Form einer Querschnittsfläche des Formhohlraums in Stranglaufrichtung in Abhängigkeit von der Position der Querschnittsfläche beschreiben.
Die Patentschrift US 4 207 941 beschreibt eine Kokille, die für das Stranggiessen von im wesentlichen quadratischen Strängen vorgesehen ist. Der Formhohlraum dieser Kokille wird durch ein über seine gesamte Längserstreckung konisches Rohr gebildet, das drei aneinandergrenzende, hinsichtlich der Grösse und der Ortsabhängigkeit der Konizität unterscheidbare Längsabschnitte umfasst: Einen Eingangsabschnitt, der sich im Giessbetrieb oberhalb des Giesspiegels befindet; einen Mittelabschnitt, an dessen oberen Ende im Giessbetrieb der Giessspiegel positioniert wird und in dem die Anfangserstarrung des Stranges stattfindet; und einen Endabschnitt, der die Strangschale an der Austrittsöffnung stützt.
Der Eingangsabschnitt weist vier gekrümmte Eckbereiche auf, die jeweils durch ebene Zwischenbereiche verbunden sind, wobei jeweils zwei der Zwischenbereiche an einem der Eckbereiche in einem rechten Winkel aneinanderstossen. Die Konizität ist im Bereich des Eingangsabschnitts konstant, d.h. die lichte Weite des Formhohlraums nimmt linear mit dem Abstand von der Eingiessöffnung ab. Im Mittelabschnitt hängt die Konizität des Formhohlraumes sowohl vom Abstand von der Eingiessöffnung als auch von der Position in einer Ebene quer zur Stranglaufrichtung ab. Der Mittelabschnitt setzt sich zusammen aus gekrümmten Eckbereichen, die jeweils durch einen aus drei ebenen, in einem stumpfen Winkel aneinanderstossenden Facetten gebildeten Zwischenbereich verbunden sind. Die Konizität ist am grössten in den Eckbereichen des Mittelabschnitts und hier unabhängig von der Position in Stranglaufrichtung. Zwei der drei jeweils einen der Zwischenbereiche bildenden Facetten grenzen jeweils an einen der Eckbereiche an und haben die Form von Dreiecken, die sich in Stranglaufrichtung linear als Funktion des Abstandes von der Eingiessöffnung verbreitern. An jedem der Eckbereiche stossen jeweils zwei der dreieckigen Facetten benachbarter Zwischenbereiche in einem Winkel von ca. 92° aneinander. Bei dieser Konstruktion der Zwischenbereiche des Mittelabschnitts ist die Konizität auf jeder der Facetten konstant, wobei die Konizität auf den dreieckigen, an einen der annähernd rechtwinkligen Eckbereiche angrenzenden Facetten am grössten ist. An den Grenzen zwischen den Facetten treten Sprünge der Konizität auf.
Im Bereich des Endabschnitts hat der Formhohlraum die gleiche zwölfeckige Form wie an der Grenze zwischen dem Endabschnitt und dem Mittelabschnitt. Dabei ist die Konizität im gesamten Endabschnitt konstant und kleiner als die Konizität im Bereich der verschiedenen Facetten, die den Mittelabschnitt des Kokillenrohrs bilden. Somit ist bei der in US 4 207 941 beschriebenen Kokille der grösste Teil der Formhohlraumverengung auf den Mittelabschnitt und im Bereich des Mittelabschnitts auf eckennahe, sich in Stranglaufrichtung verbreiternde ebene Bereiche konzentriert. Ein Nachteil dieser Kokille ist darin zu sehen, dass in den zwölfeckigen Bereichen des Formhohlraums nicht verhindert werden kann, dass sich die Strangschale lokal von den Formhohlraumwänden ablöst und eine Form annimmt, die während des Strangauszugs der Form der Formhohlraumwände nicht perfekt folgt und deren Geometrie nur ungenau kontrollierbar ist. Die Folge sind einerseits eine Bildung von Spalten zwischen der Strangschale und den Formhohlraumwänden, verbunden mit einer lokalen Reduktion der Wärmeabfuhr. Andererseits können lokale Erhöhungen der Anpresskräfte zwischen der Strangschale und den Formhohlraumwänden auftreten, so dass die Reibungskräfte nicht auf ein Minimum reduziert sind. Diese Effekte limitieren die maximale Giessgeschwindigkeit, die im Giessbetrieb routinemässig erzielbar ist.
Aus EP-B-0 498 296, die den Oberbegriff von Anspruch 1 bildet, ist eine Kokille zum Stranggiessen von im wesentlichen polygonalen Strängen bekannt. Die Kokille weist einen Formhohlraum mit einer Eingiessöffnung und einer Strangäustrittsöffnung auf. Der Formhohlraum ist mindestens im Bereich einer Teillänge der Kokille mit Giesskonizitäten versehen, die entlang des Formhohlraumumfanges in den Eckbereichen und in den Zwischenbereichen zwischen den Eckbereichen unterschiedlich sind. In den Eckbereichen wird vorgeschlagen, die Konizität gering, null oder sogar negativ auszuführen. Zur Mitte des Zwischenbereiches hin soll entlang einer gebogenen Kurve die Konizität zunehmen, um in den Zwischenbereichen Schwindungsspalte zwischen der Strangoberfläche und der Kokillenwand zu vermeiden.
Ausgehend von den genannten Nachteilen des Standes der Technik, stellt sich der Erfindung die Aufgabe, zum Stranggiessen von im wesentlichen polygonalen Strängen eine Kokille mit einem Formhohlraum zu schaffen, der eine erhöhte Giessgeschwindigkeit ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kokille mit der Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1.
Die erfindungsgemässe Kokille weist einen Formhohlraum auf mit mindestens drei Eckbereichen und drei Zwischenbereichen zwischen den Eckbereichen und mit einem Giesskonus. Die Konizität variiert wenigstens im Bereich einer Teillänge des Giesskonus entlang einer Umfangslinie in einer Querschnittfläche in einem oder mehreren der Zwischenbereiche derart, dass die Konizität zur Mitte des jeweiligen Zwischenbereichs hin abnimmt. Diese Gestaltung des Giesskonus berücksichtigt die Tendenz einer sich im Formhohlraum bildenden Strangschale, aufgrund ihrer mechanischen Stabilität unter dem Einfluss des in die Strangschale eingeprägten Temperaturprofils und des ferrostatischen Drucks während des Abkühlens beim Strangauszug in den Eckbereichen stärker zu schrumpfen als in der Mitte der Zwischenbereiche. Weiterhin ist bei der erfindungsgemässen Kokille vorgesehen, dass im Bereich der genannten Teillänge die Umfangslinie zwischen den Eckbereichen eine glatte Kurve, d.h. eine Kurve, deren Tangente längs des Kurvenverlaufs nicht unstetig ihre Richtung ändert, bildet. Auf diese Weise wird vermieden, dass sich an der Oberfläche der Strangschale zwischen den Eckbereichen des Formhohlraums Kanten ausbilden, dieabhängig von der Form des Giesskonus - Anlass geben können für unerwünschte Spaltbildungen oder für lokal erhöhte Anpresskräfte zwischen der Strangschale und den Formhohlraumwänden. Durch diese Massnahmen wird die Spaltbildung auf dem gesamten Umfang des Formhohlraums vermieden, ein auf dem gesamten Umfang des Formhohlraums gleichmässiges Strangschalenwachstum erzielt und die Reibungskräfte zwischen der Strangschale und den Formhohlraumwänden reduziert. Dadurch wird das Giessen mit einer erhöhten Giessgeschwindigkeit möglich. Zusätzlich kann wegen der reduzierten Reibung der Abstand des Giessspiegels von der Austrittsöffnung des Formhohlraums vergrössert werden, mit der Folge, dass die Strangschale an der Austrittsöffnung dicker ist und eine verbesserte mechanische Stabilität aufweist.
Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Kokille ist der Giesskonus in einem Teilabschnitt des Formhohlraums ausgebildet.
Um die Voraussetzung für ein gleichmässiges Strangschalenwachstum zu schaffen, ist vorgesehen, dass die Konizität mit dem Abstand vom eingiessseitigen Ende des Giesskonus variiert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Kokille ist die Konizität in der Mitte der Zwischenbereiche im Bereich der Teillänge unabhängig vom Abstand vom eingiessseitigen Ende des Giesskonus, d.h. die lichte Weite des Formhohlraums ändert sich bezogen auf die Mitte der Zwischenbereiche, linear mit dem Abstand vom eingiessseitigen Ende des Giesskonus. Am eingiessseitigen Ende des Giesskonus ist die Konizität in und/oder an den Eckbereichen zunächst grundsätzlich grösser als in der Mitte der Zwischenbereiche, nimmt aber mindestens stückweise nichtlinear und/oder linear und/oder parabolisch mit dem Abstand vom eingiessseitigen Ende des Giesskonus ab. Am austrittsseitigen Ende des Giesskonus kann die Konizität in und/oder an den Eckbereichen gleich oder sogar kleiner sein als die Konizität in der Mitte der Zwischenbereiche.
Ein gleichmässiges Strangschalenwachstum ist mit der erfindungsgemässen Kokille beispielsweise bei einer Konizität erzielbar, die in der Mitte der Zwischenbereiche, gemittelt über die gesamte Länge des Giesskonus, 0 - 0.7 %/m, vorzugsweise 0.2 - 0.6 %/m, beträgt und in und/oder an den Eckbereichen, gemittelt über die gesamte Länge des Giesskonus, einen Wert im Bereich 0.7 - 1.5 %/m, vorzugsweise 0.8 - 1.3 %/m, annimmt.
Zur Minimierung der zwischen der Strangschale und den Formhohlraumwänden wirkenden Anpresskräfte, die in der Regel an den Eckbereichen am grössten sind, können mehrere Massnahmen - allein oder in Kombination miteinanderangewendet werden. Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Kokille ist die Umfangslinie in einer Querschnittsebene des Formhohlraums im Bereich der Teillänge mindestens stückweise bogenförmig und/oder geradlinig. In jedem der Zwischenbereiche findet zwischen einem der angrenzenden Eckbereiche und der Mitte des Zwischenbereichs eine Umkehr der Krümmung statt. Eine Umfangslinie mit einem kontinuierlichen Verlauf der Krümmung weist deshalb zwischen der Mitte des Zwischenbereiches und den angrenzenden Eckbereichen einen Wendepunkt auf.
Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemässen Kokille zeichnet sich dadurch aus, dass im Bereich der Teillänge jeder Abschnitt der Umfangslinie in einer Querschnittsfläche des Formhohlraums zwischen den Eckbereichen durch eine universelle Kurve repräsentierbar ist, die - normiert bezüglich ihrer Extremwerte - unabhängig ist vom Abstand vom eingiessseitigen Ende des Giesskonus. Diese Vorgabe einer universellen Kurve hat verschiedene Vorteile. Fertigungstechnisch ergibt sich der Vorteil, dass so der Giesskonus durch nur wenige Parameter charakterisierbar ist. Es genügt beispielsweise die Angabe der universellen Funktion, die eine Ortskoordinate als Variable aufweist, und des Verlaufs der Konizität an den Eckbereichen und in der Mitte des Zwischenbereichs als Funktion des Abstands vom eingiessseitigen Ende des Giesskonus. Eine besonders einfache Parametrisierung der Umfangslinie ergibt sich bei einer Darstellung als Parabel vierter Ordnung. Weiterhin zeigt eine Analyse der Anpresskräfte zwischen der Strangschale und den Formhohlraumwänden, dass bei dieser Form der Umfangslinie besonders geringe Anpresskräfte resultieren. Eine Voraussetzung für möglichst geringe Anpresskräfte ist eine geringe Krümmung der Umfangslinie. Diese Voraussetzung wird beispielsweise realisiert durch eine Umfangslinie mit einem Wendepunkt zwischen der Mitte eines der Zwischenbereiche und einem der angrenzenden Eckbereiche.
Ein besonders gleichmässiges Strangschalenwachstum ist erzielbar, wenn zwei der an einem der Eckbereiche anstossende Abschnitte der Umfangslinie einen Winkel bilden, der im Bereich der Teillänge unabhängig vom Abstand vom eingiessseitigen Ende des Giesskonus ist. Eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Kokille weist einen Formhohlraum auf, dessen Querschnittsfläche am eingiessseitigen Ende des Giesskonus Eckbereiche mit einem Eckwinkel von jeweils 90° umfasst und dessen Zwischenbereiche auf der gesamten Länge des Giesskonus in einem rechten Winkel aufeinandertreffen. Dieses Designkonzept ist darin begründet, dass ein Strang, der im Bereich der Anfangserstarrung eine rechteckige Querschnittsfläche aufweist, beim Abkühlen in der Kokille während des Strangauszugs dazu neigt, derart zu schrumpfen, dass in unmittelbarer Umgebung der Ecken die Seitenflächen des Stranges in einem rechten Winkel aufeinandertreffen. Diese Winkelerhaltung im Verlauf des Schrumpfprozesses ist ein Resultat des Zusammenwirkens der mechanischen Eigenschaften der Strangschale mit dem in der Strangschale ausgebildeten Temperaturprofil und dem auf die Strangschale wirkenden ferrostatischen Druck.
Der Formhohlraum der erfindungsgemässen Kokille kann in den Eckbereichen Hohlkehlen mit einem Radius von 2 - 8 % der lichten Weite der Austrittsöffnung aufweisen.
Anhand der folgenden Figuren wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1
einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemässe Kokille mit einem einen Formhohlraum bildenden Kokillenrohr,
Fig. 2
einen Querschnitt durch einen Längsabschnitt der erfindungsgemässen Kokille längs der Ebene II - II in Fig. 1,
Fig. 3
eine schematische funktionelle Darstellung eines Abschnitts einer Umfangslinie eines Querschnitts durch den Formhohlraum der Kokille in Fig. 1 längs der Ebene 25,
Fig. 4
die Ortsabhängigkeit der Konizität der Kokille gemäss Fig. 1 in Längsrichtung der Kokille längs verschiedener Wege,
Fig. 5
eine normierte Darstellung eines Abschnitts der Umfangslinien verschiedener Querschnitte durch den Formhohlraum der Kokille in Fig. 1 und
Fig. 6
einen Vergleich einer Umfangslinie gemäss Fig. 5 mit einer entsprechenden Umfangslinie eines quadratischen Stranges nach einer vorgegebenen thermischen Kontraktion.
Die Fig. 1 und 2 stellen einen Längs- und einen Querschnitt durch dasselbe Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Kokille dar. Die Kokille weist ein Kokillenrohr 5 auf, das einen Formhohlraum 10 mit einem Giesskonus 10', einer Eingiessöffnung 11 und einer Austrittsöffnung 12 bildet. Der Einfachheit halber konzentrieren sich die Darstellungen in den Fig. 1 und 2 - der vorliegenden Problemstellung entsprechend - auf das Kokillenrohr 5, insbesondere die Geometrie des Giesskonus 10'. Zusätzliche Komponenten, die eine im Giessbetrieb verwendbare Kokille ausmachen, sind in den Figuren 1 und 2 weggelassen.
Der Giesskonus 10' ist in einem Längsabschnitt 15' des Formhohlraumes 10 zwischen einer Querschnittsfläche 24 in der Nähe der Eintrittsöffnung 11 und der Austrittsöffnung 12 ausgebildet. Zur Veranschaulichung der Geometrie des Giesskonus 10' ist in den Fig. 1 und 2 die in Richtung auf die Austrittsöffnung 12 zunehmende Verengung des Formhohlraums 10 übertrieben gross eingezeichnet. Dabei zeigt Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Längsabschnitt des Kokillenrohrs 5, der begrenzt ist auf der einen Seite durch die Querschnittsfläche 24 und auf der anderen Seite durch eine Querschnittsfläche 25 zwischen der Querschnittsfläche 24 und der Austrittsöffnung 12. Fig. 1 wiederum veranschaulicht einen Längsschnitt längs der Linie I - I in Fig. 2.
Der Formhohlraum 10 weist vier Eckbereiche 13 in Form von Hohlkehlen auf. Die Eckbereiche 13 sind durch Zwischenbereiche 14', 14", 14''', 14"" in Form von gekrümmten Flächen verbunden. In Fig. 1 ist der Verlauf der Eckbereiche 13 jeweils durch eine Linie 13 angedeutet, die sich als Schnittlinie der den Formhohlraum begrenzenden Fläche und der Diagonalflächen des Formhohlraums 10 ergeben.
Wie Fig. 2 zu entnehmen ist, sind die Abschnitte der Umfangslinie des Formhohlraums 10, die in der Querschnittsfläche 24 jeweils zwei Eckbereiche 13 verbinden, gerade Linien. Die entsprechenden Abschnitte 26', 26", 26''', 26"" der Umfangslinie 26 des Formhohlraums 10 in der Querschnittsfläche 25 sind stückweise bogenförmige Linien. Jeweils zwei der Abschnitte 26', 26", 26"', 26"" stossen an einem der Eckbereiche 13 in einem rechten Winkel, bestimmt als Schnittwinkel der Tangenten der jeweiligen Abschnitte an dem betreffenden Eckbereich 13, zusammen.
Wie in Fig. 1 und 2 angedeutet ist, nimmt die lichte Weite des Formhohlraums 10 in der Mitte 32 in Richtung auf die Austrittsöffnung 12 linear mit dem Abstand Z vom einseitigen Ende des Giesskonus 10' ab. In und/oder an den Eckbereichen 13 nimmt die lichte Weite des Formhohlraums 10 am eingiessseitigen Ende 24 des Giesskonus 10' zunächst wesentlich stärker mit dem Abstand vom eingiessseitigen Ende 24 des Giesskonus 10' ab als in der Mitte 32 der Zwischenbereiche 14', 14", 14"', 14"". Bei Annäherung an die Austrittsöffnung nimmt jedoch die relative Aenderung der lichten Weite des Formhohlraums 10, bestimmt in und/oder an einem der Eckbereiche 13, als Funktion des Abstandes Z ab und erreicht Werte von der gleichen Grössenordnung wie die relative Aenderung der lichten Weite, bestimmt in der Mitte 32 der Zwischenbereiche 14', 14", 14''', 14"".
Der Giesskonus 10' kann quantitativ charakterisiert werden durch Angabe der Konizität K, welche in diesem Zusammenhang definiert ist als Quotient aus dem Betrag des Gradienten der lichten Weite des Formhohlraums 10 und der lichten Weite, jeweils ermittelt für einen bestimmten Ort in den Eckbereichen 13 bzw. den Zwischenbereichen 14', 14", 14''', 14'''' in Einheiten von %/m. Gemäss dieser Definition ist die Konizität K auf einem der Abschnitte 26', 26", 26''' und 26"" für die Mitte 32 der Zwischenbereiche 14', 14", 14''', 14"" bzw. die Eckbereiche 13 charakterisierbar durch KM (Z) = 100WM ddZ WM (Z)   [%/m]   für Z = Z2 bzw. KE (Z) = 100WE ddZ WE (Z)   [%/m]   für Z = Z2 wobei die Indizes "M" bzw. "E" sich auf die Mitte 32 bzw. die Eckbereiche 13 beziehen, die Grössen WM bzw. WE gemäss Fig. 2 die halbe lichte Weite des Formhohlraums 10 in der Mitte 32 der Zwischenbereiche 14', 14", 14"' und 14"" bzw. in und/oder an einem der Eckbereiche 13 angeben und Z2 den Abstand der Querschnittsfläche 25 vom eingiessseitigen Ende 24 des Giesskonus 10' bezeichnen.
Fig. 3 dient der Einführung von Koordinaten X und Y zur Darstellung eines Abschnittes 26' der Umfangslinie 26 in der Ebene 25 in Form einer Funktion Y = Y (X, Z = Z2) mit dem Abstand Z2 der Querschnittsfläche 25 vom eingiessseitigen Ende 24 des Giesskonus 10' als Parameter. Die anderen Abschnitte 26", 26''' und 26'''' können analog behandelt werden. In Fig. 3 sind rechte Winkel 13' eingezeichnet, die jeweils den Winkel markieren, den der Abschnitt 26' mit einem der benachbarten Abschnitten 26" bzw. 26"" in den Eckbereichen 13, jeweils definiert durch die als gestrichelte, horizontale bzw. vertikale Linien dargestellten Tangenten, bilden. Der Ursprung des Koordinatensystems ist so gelegt, dass der Abschnitt 26' beschränkt ist auf das Intervall [ - ΔYmax, 0 ] in Y-Richtung und das Intervall [ - L/2, L/2 ] in X-Richtung, wobei L = 2 WE (Z2). Durch Pfeile PW sind in Fig. 3 Wendepunkte auf dem Abschnitt 26' der Umfangslinie 26 angedeutet, die eine Umkehr des Vorzeichens der Krümmung längs der Umfangslinie 26 markieren.
Mittels Computersimulationen wurde die Geometrie der erfindungsgemässen Kokille wie folgt optimiert. Die Simulationen basierten auf einem Modell, das das Wachstum einer Strangschale in eine Stahlschmelze beschreibt unter Berücksichtigung des Wärmeflusses durch die Strangschale, der mechanischen Eigenschaften der Strangschale und des ferrostatischen Druckes. Untersucht wurden verschiedene Formen Y = Y (X, Z = Z2) der Zwischenbereiche 14', 14", 14"' und 14''''. Zur Optimierung wurden verschiedene Kriterien berücksichtigt:
  • (a) Die Bildung von Spalten zwischen der Strangschale und den Formhohlraumwänden sollte vermieden werden.
  • (b) Das Strangschalenwachstum sollte auf dem gesamten Umfang einer Querschnittsfläche möglichst gleichmässig erfolgen.
  • (c) Bei vorgegebenen Strangauszugsgeschwindigkeiten sollte die Strangschale an der Austrittsöffnung möglichst dick sein.
  • (d) Die Anpresskräfte zwischen der Strangschale und den Formhohlraumwänden sollten möglichst gering sein.
    • Die Simulationen wurden am Beispiel eines Kokillenrohres 5 aus Kupfer durchgeführt, wobei angenommen wurde, dass der Giessspiegel am oberen Ende 24 des Giesskonus 10' liegt und die Länge des Teilabschnitts 15', welche den Giesskonus 10' bildet, zwischen 600 - 1000 mm liegt.
    Quantitative Resultate der Simulationen sind in Fig. 4 - 6 für ein nach den obigen Kriterien optimiertes Kokillenrohr 5 dargestellt. Die durchgezogene Linie (a) beschreibt die Konizität K = KE (Z) in und/oder an den Eckbereichen 13 und die gestrichelte Linie (b) die Konizität K = KM (Z) in der Mitte 32 der Zwischenbereiche 14', 14", 14"' und 14'''' als Funktion des Abstands Z vom eingiessseitigen Ende 24 des Giesskonus 10'. Die beiden Kurven sind jeweils normiert bezüglich KM (Z). Z ist in Einheiten der Länge LK des Teilabschnitts 15', d.h. der Längserstreckung des Giesskonus 10' in Giessrichtung, angegeben. Wie Fig. 4 zu entnehmen ist, ist die Konizität KM (Z) konstant. Die Konizität KE (Z) ist am eingiessseitigen Ende 24 des Giesskonus 10' ungefähr um einen Faktor 8 grösser als KM (Z) und nimmt mit wachsendem Abstand Z mindestens stückweise nichtlinear und/oder parabolisch und/oder linear ab. Der Verlauf von KM (Z) ist vereinbar mit KE (Z) < KM (Z) für Z > 0.6 LK. Somit legt die Simulation nahe, dass die Konizität K wenigstens im Bereich einer Teillänge 15 des Giesskonus 10' (siehe Fig. 1) entlang einer Umfangslinie einer beliebigen Querschnittsfläche, beispielsweise der Querschnittsfläche 25, derart variiert, dass die Konizität K zur Mitte der Zwischenbereiche 14', 14", 14"' und 14"" hin abnimmt.
    Fig. 5 zeigt die an die Parameter in Fig. 4 angepasste Form Y = Y (X, Z = Z2) der Umfangslinie 26 der Querschnittsfläche 25 mit dem Abstand Z2 der Querschnittsfläche 25 vom eingiessseitigen Ende des Giesskonus 10' als Parameter. In Fig. 5 sind die Kurven Y = Y (X, Z = Z2) für verschiedene Z2 normiert bezüglich der in Fig. 3 eingeführten Grössen ΔYmax und L = 2 WE (Z2) dargestellt, wobei ΔYmax für die Parameter in Fig. 4 offensichtlich mit Z2 variiert. In dieser normierten Form ergibt sich, wie Fig. 5 zeigt, für die Umfangslinie einer beliebigen Querschnittsfläche des Formhohlraumes 10 eine Form, die durch eine einzige universelle Funktion mit einer variablen X/L darstellbar ist und den obigen Optimierungskriterien genügt. Die Kurve in Fig. 5 kann durch eine Parabel vierter Ordnung approximiert werden. Sie ist eine glatte Funktion von X, d.h. sie weist keine abrupten Aenderungen der Steigung als Funktion von X auf und hat Wendepunkte PW etwa in der Mitte zwischen der Mitte 32 der Zwischenbereiche 14', 14", 14''', 14'''' (X = 0) und den Eckbereichen 13 (X = ± L/2).
    Die durchgezogene Linie in Fig. 6 stellt die Kurve aus Fig. 5 dar für den Fall, dass Z2 = 300 mm und die Querschnittsfläche 24 am eingiessseitigen Ende des Giesskonus 10' ein Quadrat mit einer lichten Weite L = 108 mm ist. Dabei liegt ΔYmax im Bereich ΔY max < 1 mm.
    Im Rahmen der genannten Optimierungskriterien können die in den Fig. 4 - 6 veranschaulichten Parameter in einem gewissen Rahmen modifiziert werden, ohne die Eigenschaften der erfindungsgemässen Kokille wesentlich zu beeinflussen. Beispielsweise könnte auf die von Fig. 5 nahegelegte Forderung verzichtet werden, dass die Form der Zwischenbereiche 14', 14", 14"' und 14"" durch eine einzige, geeignet normierte Funktion einer Variablen und die Angabe der Konizitäten KE (Z) und KM (Z) repräsentiert wird. Ein Verzicht auf diese Forderung führt in einem gewissen Rahmen zu tolerierbaren Aenderungen, die durch eine entsprechende Aenderung der Verläufe von KE (Z) und KM (Z) kompensiert werden können. Ein Vorteil der in Fig. 5 dargestellten Lösung ist jedoch darin zu sehen, dass sich die vorgeschlagene Form der Zwischenbereiche 14', 14", 14"', 14'''' mit besonders wenigen Parametern charakterisieren lässt und die Fertigung entsprechender Formhohlraumwände, beispielsweise mit Hilfe numerisch gesteuerter Werkzeugmaschinen, vereinfacht wird.
    Vergleiche verschiedener Geometrien des Giesskonus 10' zeigen, dass die erfindungsgemässe Kokille ein gleichmässiges Strangschalenwachstum erwarten lässt, wenn die Konizität KM in der Mitte zwischen 14', 14", 14''' und 14"", gemittelt über die gesamte Länge des Giesskonus 10', 0 - 0.7 %/m, vorzugsweise 0.2 - 0.6 %/m, beträgt und die Konizität KE in und/oder an den Eckbereichen 13, gemittelt über die gesamte Länge des Giesskonus 10', einen Wert im Bereich 0.7 - 1.5 %/m, vorzugsweise 0.8 1.3 %/m, annimmt.
    Wesentlich ist die Forderung, dass die Umfangslinie einer Querschnittsfläche des Formhohlraums 10 im Bereich des Giesskonus 10' zwischen den Eckbereichen 13 eine glatte Kurve sein soll. Untersuchungen haben gezeigt, dass punktuelle abrupte Aenderungen der Richtung der Tangente beim Durchlaufen eines Punktes zwischen den Eckbereichen 13 die Bildung von Spalten zwischen der Formhohlraumwand und der Strangschale in der Umgebung dieses Punktes fördem und das Wachstum der Strangschale lokal stören, selbst wenn die Richtung der Tangente sich beim Durchschreiten dieses Punktes abrupt um lediglich 2° ändert.
    Die gestrichelte Linie in Fig. 6 beschreibt einen Abschnitt einer Umfangslinie des Formhohlraums einer Kokille, deren Giesskonus der "natürlichen Schrumpfung" der Strangschale folgt. Diese gestrichelte Linie ist insofern mit der durchgezogenen Kurve in Fig. 6 vergleichbar, als sich beide Kurven sowohl auf Kokillen, deren Formhohlräume am Giessspiegel dieselbe quadratische Querschnittsfläche mit der lichten Weite L= 108 mm aufweisen, als auch auf den gleichen Abstand Z = Z2 vom oberen Ende des jeweiligen Giesskonus beziehen. Im Falle der die natürliche Schrumpfung der Strangschale nachbildenden Kokille wurde ermittelt, in welchem Masse eine sich am Giessspiegel bildende Strangschale mit quadratischer Kontur beim Strangauszug sich aufgrund der Temperaturgradienten, der mechanischen Eigenschaften der Strangschale und des ferrostatischen Druckes ihre Form verändert und die Form des Giesskonus iterativ derart angepasst, dass keine Spaltbildung auftritt und an allen Stellen der Strangschale der Wärmefluss gleich gross ist. Wie die gestrichelte Linie in Fig. 6 zeigt, verlangt die natürliche Schrumpfung ebenso eine grössere Konizität an den Eckbereichen 13 im Vergleich mit der Konizität in der Mitte 32 der Zwischenbereiche 14', 14", 14"', 14"". Der Vergleich mit der durchgezogenen Linie in Fig. 6 weist aber auf eine Reihe von Besonderheiten hin. Das Konzept der "natürlichen Schrumpfung" führt zu Zwischenbereichen 14', 14", 14"', 14'''', die in der Mitte 32 über einen weiten Bereich im wesentlichen eben sind (in Fig. 6 für - 0.3 < X/L < 0.3). In der Nähe der Eckbereiche 13 (in Fig. 6 für X/L > 0.3) sind die Zwischenbereiche S-förmig gekrümmt, wobei eine Umfangslinie in einer Querschnittsfläche des Formhohlraumes 10 im Bereich der S-förmig gekrümmten Abschnitte der Zwischenbereiche 14', 14", 14''', 14'''' jeweils einen Wendepunkt aufweist. Die Position der Wendepunkte und die Breite der S-förmig gekrümmten Abschnitte der Zwischenbereiche 14', 14", 14''', 14'''' hängt stark vom Abstand Z2 vom eingiessseitigen Ende 24 des Giesskonus 10' ab, insbesondere für kleine Z2. Im Vergleich zu der durch die Parameter in den Fig. 4 und 5 bzw. die durchgezogene Linie in Fig. 6 repräsentierte optimierte Kokille führt das Konzept der natürlichen Schrumpfung zu Formen der Zwischenbereiche, die in einer Querschnittsfläche des Formhohlraums 10 an den Eckbereichen 13 in einem sich mit wachsendem Abstand Z2 verbreiterndem Bereich wesentlich stärker gekrümmt und demzufolge auch eine grössere relative Veränderung der Konizität K längs der Umfangslinie einer Querschnittsfläche aufweisen, bezogen auf die Breite der S-förmig gekrümmten Abschnitte. Untersuchungen deuten darauf hin, dass bei einer die natürliche Schrumpfung nachbildenden Kokille das Strangschalenwachstum empfindlich auf kleine Änderungen der Form der Zwischenbereiche reagiert. Die Folge ist eine verstärkte Tendenz zur Spaltbildung an den Eckbereichen 13 und, gemittelt über die gesamte Länge des Giesskonus 10', höhere Anpresskräfte im Vergleich zu der durch die Parameter in den Fig. 4 und 5 repräsentierten Kokille. Eine durch die Parameter in den Fig. 4 und 5 repräsentierten Kokille ist deshalb für höhere Ausziehgeschwindigkeiten geeignet.
    Mit der erfindungsgemässen Kokille ist es beispielsweise möglich, Stahlstränge mit einem quadratischen Querschnitt mit einer Kantenlänge von 108 mm bei einer Ausziehgeschwindigkeit von mehr als 6 m/min zu produzieren.
    Die oben diskutierten Ergebnisse sind für gerade und gebogene Formhohlräume anwendbar. Die genannten Resultate sind nicht nur anwendbar auf Kokillen zum Stranggiessen von im wesentlichen quadratischen Strängen. Sie sind übertragbar auf Kokillen für das Giessen von im wesentlichen polygonalen Strängen mit mindestens drei Eckbereichen und drei Zwischenbereichen. Bei solchen Kokillen ist es vorteilhaft, wenn zwei der an einem der Eckbereiche angrenzende Zwischenbereiche einen Eckwinkel bilden, der unabhängig vom Abstand vom eingiessseitigen Ende des Giesskonus ist. Bezüglich der Form der Zwischenbereiche sind die im Zusammenhang mit den Fig. 4, 5 und 6 diskutierten Aussagen anwendbar.
    Die zuvor erwähnte Ausführungsform der erfindungsgemässen Kokille bezieht sich auf einen Giesskonus, dessen Umfangslinien zwischen den Eckbereichen am eingiessseitigen Ende des Giesskonus 10' aus geraden Linien gebildet sind und die mit zunehmendem Abstand vom eingiessseitigen Ende 24 des Giesskonus 10' eine zunehmend konvexe Krümmung aufweisen. Im Rahmen des der Erfindung zugrunde liegenden Konzepts ist es auch denkbar, dass die Umfangslinien des Formhohlraums an der Austrittsöffnung 12 zwischen den Eckbereichen 13 geradlinig und am eingiessseitigen Ende 24 des Giesskonus konkave gekrümmt sind. Im Rahmen des erfindungsgemässen Konzepts ist es - abweichend von dem Design der in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform - nicht zwingend, dass alle Zwischenbereiche eines Formhohlraums mit einer im wesentlichen polygonalen Querschnittsfläche eine mit zunehmendem Abstand vom eingiessseitigen Ende des Giesskonus zunehmende konvexe Krümmung aufweisen. Bei einem Formhohlraum mit im wesentlichen rechteckiger Querschnittsfläche sind Verbesserungen im Sinne der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabenstellung bereits erzielbar, wenn mindestens ein Zwischenbereich oder beispielsweise zwei gegenüberliegende Zwischenbereiche eine in Stranglaufrichtung zunehmende konvexe Krümmung nach dem Vorbild der Fig. 4 und 5 aufweisen.

    Claims (14)

    1. Kokille zum Stranggiessen von im wesentlichen polygonalen Metallsträngen, mit einem Formhohlraum (10), wobei der Formhohlraum (10) eine Eingiessöffnung (11), eine Austrittsöffnung (12), einen Giesskonus (10') und, entlang seines Umfangs, mindestens drei Eckbereiche (13) und drei Zwischenbereiche (14', 14", 14''', 14"") mit unterschiedlicher Konizität (K) aufweist und die Konizität (K) wenigstens im Bereich einer Teillänge (15) des Formhohlraums (10) entlang einer Umfangslinie (26) in einer Querschnittsfläche (25) derart variiert, dass jeder Abschnitt (26', 26", 26''', 26"") der Umfangslinie (26) zwischen den Eckbereichen (13) eine glatte Kurve bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Konizität (K) in einem oder mehreren der Zwischenbereiche (14', 14", 14"', 14"") der Umfangslinie (26) von den an den jeweiligen Zwischenbereich (14', 14'', 14''', 14"") angrenzenden Eckbereichen (13) zur Mitte (32) des Zwischenbereiches (14', 14", 14''', 14"") hin abnimmt.
    2. Kokille nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Giesskonus (10') in einem Teilabschnitt (15') des Formhohlraums (10) ausgebildet ist.
    3. Kokille nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Konizität (K) mit dem Abstand (Z2-Z1) der Querschnittsfläche (25) vom eingiessseitigen Ende (24) des Giesskonus (10') variiert.
    4. Kokille nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Konizität (K) in der Mitte (32) der Zwischenbereiche (14', 14", 14''', 14"") im Bereich der Teillänge (15) unabhängig vom Abstand (Z2-Z1) der Querschnittsfläche (25) vom eingiessseitigen Ende (24) des Giesskonus (10') ist.
    5. Kokille nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Konizität (K) in und/oder an den Eckbereichen (13) mindestens stückweise nichtlinear und/oder linear und/oder parabolisch mit dem Abstand (Z2-Z1) der Querschnittsfläche (25) vom eingiessseitigen Ende (24) des Giesskonus (10') abnimmt.
    6. Kokille nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Konizität (K) in der Mitte (32) der Zwischenbereiche (14', 14", 14"', 14''''), gemittelt über die gesamte Länge (15') des Giesskonus (10'), 0 - 0.7 %/m, vorzugsweise 0.2 - 0.6 %/m, beträgt.
    7. Kokille nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Konizität (K) in und/oder an den Eckbereichen (13), gemittelt über die gesamte Länge (15') des Giesskonus (10'), 0.7 - 1.5 %/m, vorzugsweise 0.8 - 1,3 %/m, beträgt.
    8. Kokille nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt (26', 26", 26''', 26"") der Umfangslinie (26) mindestens stückweise bogenförmig und/oder geradlinig bogenförmig ist.
    9. Kokille nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt (26', 26", 26''', 26"") der Umfangslinie (26) zwischen einem der Eckbereiche (13) und der Mitte (32) einen Wendepunkt (Pw) aufweist.
    10. Kokille nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Abschnitt (26', 26", 26"', 26"") der Umfangslinie (26) in der Querschnittsfläche (25) zwischen den Eckbereichen (13) durch eine Kurve (Y(X)) repräsentiert ist, die - normiert bezüglich ihrer Extremwerte (±L/2, ΔY max) - unabhängig ist vom Abstand (Z2-Z1) der Querschnittsfläche (25) vom eingiessseitigen Ende (24) des Giesskonus (10').
    11. Kokille nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurve eine Parabel vierter Ordnung ist.
    12. Kokille nach einem der Ansprüche 1 - 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwei der an einem der Eckbereiche (13) anstossende Abschnitte (26', 26", 26"', 26"") der Umfangslinie (26) einen Winkel (13') bilden, der im Bereich - der Teillänge (15) unabhängig vom Abstand (Z2-Z1) der Querschnittsfläche (25) vom eingiessseitigen Ende (24) des Giesskonus (10') ist.
    13. Kokille nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl der Eckbereiche (13) vier beträgt und der Winkel (13') ein rechter Winkel ist.
    14. Kokille nach einem der Ansprüche 1 - 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Formhohlraum (10) in den Eckbereichen (13) Hohlkehlen mit einem Radius von 2 - 8 % der lichten Weite (L) der Austrittsöffnung (12) aufweist.
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