EP1019208B1 - Kokillenrohr für eine stranggiesskokille zum stranggiessen von stählen, insbesondere peritektischen stählen - Google Patents

Kokillenrohr für eine stranggiesskokille zum stranggiessen von stählen, insbesondere peritektischen stählen Download PDF

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EP1019208B1
EP1019208B1 EP98948969A EP98948969A EP1019208B1 EP 1019208 B1 EP1019208 B1 EP 1019208B1 EP 98948969 A EP98948969 A EP 98948969A EP 98948969 A EP98948969 A EP 98948969A EP 1019208 B1 EP1019208 B1 EP 1019208B1
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EP
European Patent Office
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mould tube
insulating layer
mould
longitudinal section
thermally insulating
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EP98948969A
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EP1019208A1 (de
Inventor
Adrian Stilli
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Concast Standard AG
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Concast Standard AG
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    • 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

Definitions

  • the invention relates to a mold tube for a continuous casting mold Continuous casting of steels, especially peritectic steels, according to the Preamble of claim 1 and a continuous casting mold with the mold tube.
  • continuous casting of peritectic steels can improve Quality of the strand surfaces can be achieved by the initial solidification of the Continuous shell in an area of the continuous casting mold that encompasses the casting level by reducing the heat dissipation from the molten steel or the strand shell is influenced.
  • This reduction in heat dissipation in the area the initial solidification is usually with the help of continuous casting molds realized with a heat barrier on the steel side surface of a Longitudinal section of the mold cavity wall are equipped.
  • the thermal barrier is dimensioned and the longitudinal section is dimensioned so that the Heat flux density is reduced on the one hand in the area of initial solidification, on the other hand, in the longitudinal sections adjoining the heat barrier is large enough to cover the entire length of the strand in the mold cavity to achieve sufficient growth of the strand shell.
  • the mold cavity walls of a continuous casting mold in the area of a partial length, which corresponds to the position of the foundry level in the foundry comprises, on the surface delimiting the mold cavity with a To provide a thermal barrier.
  • JP 1-224 142 A is one for the production of peritectic steels provided mold, the mold cavity wall from a tubular body with a cylindrical insert arranged on the pouring side Made of steel or other materials that have a higher thermal resistance have as the material forming the tubular body.
  • This mold has the disadvantage that the insert forming the heat barrier is susceptible to wear is and special measures that make the mold more expensive are necessary are due to cracks or deformations of the mold cavity wall counteracting the thermal loads during casting operation.
  • JP 02-006 038 A is one for the casting of peritectic steels certain mold known
  • the mold cavity walls are made of copper and on the side facing away from the mold cavity Have cooling water slots.
  • the cooling water slots are in one Area surrounding the pouring mirror position at periodic intervals of 5 - 20 mm metals or ceramic materials with a lower thermal conductivity embedded as copper.
  • the embedded Materials into the mold cavity wall over a relatively large depth extend.
  • the realization of such a heat barrier is manufacturing technology complex, especially at a variety of places on the mold cavity wall suitable materials must be embedded relatively deep.
  • the invention has for its object to solve the problems mentioned to contribute and for this purpose a mold tube that is simplified with a Manufacturing technology means producible, arranged at the casting level position and is equipped with a heat barrier protected against wear, and a corresponding continuous casting mold provided with a mold tube create.
  • the mold tube according to the invention has a first, a predetermined one Pouring mirror position including longitudinal section and a second the first adjoining longitudinal section, the first longitudinal section comprises a heat-insulating layer which is dimensioned such that the heat resistance of the mold tube in the first longitudinal section a larger value has than in the second longitudinal section.
  • the mold is characterized by that the heat insulating layer has an area between the outer surface the mold tube and a distance of at most 75% of the wall thickness the mold tube, measured from the outer surface of the mold tube, fills.
  • the heat-insulating layer of the mold tube according to the invention is on or arranged close to the outside of the mold tube and is not sufficient to the inner surface of the pipe.
  • the mold tube is therefore out a tubular body that can be machined on the outside, to equip it with the heat-insulating layer.
  • the processing is with conventional methods can be carried out even for tubular bodies that are suitable for the Production of mold tubes with a small inner diameter are suitable and because of their geometrical dimensions not or only very much lavishly processed on the inside.
  • the heat-insulating layer ensures the area of the first Longitudinal section for an increase in temperature on the inside of the Mold tube.
  • the fact that the distance of the heat insulating layer from the inner surface of the mold tube at least 25% of the wall thickness of the mold tube is the wear of the mold tube during Casting operation due to the thermal and mechanical Reduced material stress in the area of the first longitudinal section, compared to a mold tube with a heat insulating layer Equipped with the same thickness on the inside of the mold tube.
  • the mold tube according to the invention it is possible to use suitable Dimensioning the thickness profile of the heat insulating layer Temperature distribution, which is found on the inner surface of the Mold tube sets, defined to adjust the growth of a To influence the strand shell in the area of the first longitudinal section in a targeted manner.
  • This degree of freedom is used in the mold according to the invention in order to to optimize them with regard to the production of peritectic steel strands.
  • the temperature on the inside during casting operation Surface of the mold tube in the area of the first longitudinal section be as high as possible.
  • the thickness of the heat-insulating layer is therefore dimensioned such that the temperature on the inside of the mold tube in the casting operation does not exceed a predetermined critical temperature T K.
  • the outer surface of the mold tube at the boundary between the Longitudinal sections are stepless.
  • This embodiment is special suitable for use in molds with water jacket cooling on the Outside of the mold tube. Because with such molds the water jacket is usually only a few mm thick and its thickness along the mold tube must be precisely controlled, enables a continuous training of the A particularly simple transition between the two longitudinal sections Construction of the water jacket cooling.
  • heat-insulating layer in a tubular body made of metal or Metal alloy is embedded.
  • a tubular body made of metal or Metal alloy is made Copper or a copper alloy and the heat insulating layer a metal, for example nickel or chrome.
  • This Materials have a good mutual expansion coefficient matched so that a nickel applied to a copper surface or chrome layer due to good adhesion and high Excellent wear resistance.
  • FIG. 1 Further embodiments of the mold tube according to the invention are thermally with regard to cooling the outer surface of the Mold tube designed with a coolant such that the temperature of the inner surface in the area of the first longitudinal section at most one predetermined critical temperature reached and at least in one Part of the first longitudinal section is approximately constant.
  • the initial solidification of the strand shell can become particularly special delayed large distance from the pouring mirror and a particularly smooth Strand surface after passing through the peritectic phase transition be achieved.
  • the thickness d of the heat insulating layer must be at least in a section between the mold level and the second Increase longitudinal section in the direction of the second longitudinal section.
  • FIG. 1A shows an example of the side view inventive mold tube 10 with a mold cavity 20, one Pouring opening 12 and a pull-out opening 13 for a (not shown) Strand.
  • the strand pull-out direction provided in the casting operation is through an arrow 14 indicated.
  • the mold tube 10 has a first Longitudinal section 1 and a second longitudinal section 2, the Longitudinal section 1 a casting level position h provided in the casting operation comprises and the longitudinal section 2 in the strand extension direction 14 to the Longitudinal section 1 connects.
  • the mold tube 10 consists of a Tubular body 15 with a heat insulating layer 16 in the area of Longitudinal section 1.
  • FIG. 1B and 1C show cross sections of the mold tube 10: FIG. 1B a cross section in the plane marked in Fig. 1A I-I in the area of Longitudinal section 1, Fig. 1C is a cross section in the in Fig. 1A marked plane II-II in the region of the longitudinal section 1.
  • the heat insulating layer 16 on the Outside 11 of the tubular body 15 is arranged.
  • the mold cavity 20 has an example of a square cross-section with rounded corners. This selection is arbitrary.
  • the mold tube according to the invention can with any cross-sectional shapes that are common in continuous casting practice be equipped.
  • FIG. 2A and 2B are longitudinal sections along the line III-III in Fig. 1B and 1C and characterize two different embodiments of the inventive mold tube 10, which are in the design of the Thickness profile of the heat insulating layer 16 in the longitudinal direction of the Distinguish mold tube. In both cases it is heat-insulating Layer 16 in a depression on the outside of the tubular body 15 embedded. In these examples, the outer surface 11 of the Mold tube 10 at the edges of the longitudinal section 1 continuously.
  • the tubular body suitably consists of copper or a copper alloy.
  • the heat insulating layer expedient metals such as nickel or chromium in question with conventional Methods, for example plating or electrochemical processes the tubular body 15 can be applied.
  • materials to build up the heat insulating layer expedient metals such as nickel or chromium in question with conventional Methods, for example plating or electrochemical processes the tubular body 15 can be applied.
  • materials to build up the heat insulating layer expedient metals such as nickel or chromium in question with conventional Methods, for example plating or electrochemical processes the tubular body 15 can be applied.
  • Materials, for example ceramic materials, for the construction of the heat-insulating layer can be used, provided they have a lower thermal conductivity than the tubular body 15 and are in terms of their Adhesion properties and their wear resistance suitable.
  • FIG. 2A of the inventive Mold tube 10 is characterized in that the heat-insulating Layer 16 in the area between the pouring mirror position h and its at the Longitudinal section 2 adjacent edge has a substantially constant thickness, which is denoted by d in FIG. 2A.
  • the temperature profile established on the inner surface 25 of the mold tube 10 can be modified in a targeted manner by a corresponding variation of the thickness of the heat-insulating layer 16 in the strand pull-out direction 14 in order to optimize the strand shell growth.
  • the exemplary embodiment of the mold tube 10 according to the invention shown in FIG. 2B is characterized in that the heat-insulating layer 16 grows in a wedge shape from a thickness d to a thickness b in the region between the pouring mirror position and its edge adjoining the longitudinal section 2.
  • the thicknesses d and b can be selected in relation to the wall thickness d W of the mold tube 10, for example, in such a way that the temperature profile on the inside 25 of the mold tube 10 in the strand pull-out direction 14 is approximately constant and reaches a predetermined value.
  • the detailed temperature profile is correlated with the strand shell growth on the surface 25.
  • the ratio d MAX / d W decreases with increasing wall thickness d W of the mold tube 10.
  • the smaller the thickness d W of the mold tube 10, the greater the proportion of the thickness of the heat-insulating layer in the total thickness d W of the mold tube 10 must be to the temperature on the inside 25 of the mold tube 10 in the longitudinal section 1 up to the critical temperature T K , in the given example T K 450 ° C to raise.
  • d MAX / d W is the greater the smaller f, ie the greater the thermal conductivity ⁇ i of the heat-insulating layer.
  • the parameter range f 4 4 is therefore preferred in addition to the condition d MAX / d W Schicht 75%.
  • the length of the mold tube 10 is typically 80-100 cm.
  • the length the length section 1 is preferably in the range 10-15 cm, the Casting level position preferably in the upper quarter of the length section 1 is located.
  • the is heat-insulating Layer 16 is always embedded in a recess in the tubular body 15 in such a way that the outer surface 11 of the mold tube 10 is of stepless design.
  • the inventive idea could also be based on an embedding of the heat-insulating layer 16 in a recess or on a stepless Formation of the outer surface 11 can be dispensed with.
  • the surfaces 11 and 25 of the mold tube according to the invention could also be provided with coatings suitable materials.

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kokillenrohr für eine Stranggiesskokille zum Stranggiessen von Stählen, insbesondere peritektischen Stählen, gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Stranggiesskokille mit dem Kokillenrohr.
Die Technik des Stranggiessens, bei der durch Abkühlen einer Metallschmelze an den Wänden eines Formhohlraums einer Stranggiesskokille eine Strangschale mit kontinuierlich wachsender Dicke gebildet und kontinuierlich ein Strang aus einer Austrittsöffnung der Stranggiesskokille gezogen wird, führt bekanntlich bei einer Anwendung auf peritektische Stähle, beispielsweise Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt von 0.1-0.14 %, zu Problemen, die sich insbesondere in einer mangelhaften Oberflächenqualität der hergestellten Stränge äussern. Solche Qualitätsmängel sind unerwünscht, zumal eine Weiterverarbeitung der Stränge wiederum häufig zu inakzeptablen Qualitätsmängeln bei den Folgeprodukten führt.
Bekanntlich ist eine Ursache für die genannten Probleme in einem Phasenübergang zu sehen, dem peritektische Stähle bei einer Temperatur dicht unterhalb ihrer Erstarrungstemperatur unterworfen sind und der mit einer erheblichen Volumenkontraktion verbunden ist. Beim Stranggiessen von peritektischen Stählen findet dieser Phasenübergang während der Anfangserstarrung einer Strangschale unter Bedingungen statt, bei denen die sich bildende Strangschale noch dünn ist, eine geringe mechanische Stabilität aufweist und infolge des Phasenüberganges eine unebene, nur punktuell an der Formhohlraumwand anliegende Oberfläche ausbildet, mit dem Resultat, dass durcherstarrte Stränge eine poröse oder auch rissige Schicht an der Oberfläche aufweisen.
Bekanntlich kann beim Stranggiessen peritektischer Stähle eine verbesserte Qualität der Strangoberflächen erzielt werden, indem die Anfangserstarrung der Strangschale in einem den Giessspiegel umfassenden Bereich der Stranggiesskokille durch eine Verminderung der Wärmeabfuhr aus der Stahlschmelze bzw. der Strangschale beeinflusst wird. Diese Verminderung der Wärmeabfuhr im Bereich der Anfangserstarrung wird üblicherweise mit Hilfe von Stranggiesskokillen realisiert, die mit einer Wärmebarriere an der stahlseitigen Oberfläche eines Längsabschnittes der Formhohlraumwand ausgestattet sind. Die Wärmebarriere wird dabei so dimensioniert und der Längsabschnitt so bemessen, dass die Wärmestromdichte einerseits im Bereich der Anfangserstarrung reduziert wird, andererseits aber in den an die Wärmebarriere anschliessenden Längsabschnitten gross genug ist, um über die gesamte Laufstrecke des Stranges im Formhohlraum ein ausreichendes Wachstum der Strangschale zu erreichen.
Es sind mehrere Konzepte bekannt, die Formhohlraumwände einer Stranggiesskokille im Bereich einer Teillänge, die die im Giessbetrieb realisierte Giessspiegelposition umfasst, an der den Formhohlraum begrenzenden Oberfläche mit einer Wärmebarriere zu versehen.
Aus der Zusammenfassung der JP 1-224 142 A ist eine für die Herstellung von peritektischen Stählen vorgesehene Kokille bekannt, deren Formhohlraumwand aus einem Rohrkörper mit einem eingiessseitig angeordneten, zylindrischen Einsatz aus Stahl oder anderen Materialien, die einen höheren Wärmewiderstand als das den Rohrkörper bildende Material aufweisen, besteht. Diese Kokille hat den Nachteil, dass der die Wärmebarriere bildende Einsatz verschleissanfällig ist und besondere, die Herstellung der Kokille verteuernde Massnahmen nötig sind, um Rissbildungen bzw. Deformationen der Formhohlraumwand aufgrund der thermischen Belastungen während des Giessbetriebes entgegenzuwirken.
Ein Alternativkonzept für die Bildung einer Wärmebarriere ist in der Zusammenfassung der JP 1-170 550 A am Beispiel einer für die Herstellung von Brammen aus peritektischem Stahl bestimmten Plattenkokille offenbart. Die formhohlraumseitigen Oberflächen der aus Kupfer gefertigten Seitenwände dieser Kokille weisen in einem die Giessspiegelposition umfassenden Bereich Bohrungen auf, die wahlweise mit Nickel, rostfreiem Stahl oder einem geeigneten keramischen Werkstoff gefüllt sind. Mit diesem Altemativkonzept ist der Nachteil verbunden, dass es - abgesehen von der Verschleissanfälligkeit der Füllungen der Bohrungen - aus fertigungstechnischen Gründen nicht auf Rohrkokillen für kleine Strangformate, beispielsweise Knüppelformate, anwendbar ist, da die Innenseiten der Kokillenrohre nur unzureichend für eine geeignete Bearbeitung zugänglich sind.
Aus der Zusammenfassung der JP 02-006 038 A ist eine für das Giessen von peritektischen Stählen bestimmte Kokille bekannt, deren Formhohlraumwände aus Kupfer gefertigt sind und auf der dem Formhohlraum abgewandten Seite Kühlwasserschlitze aufweisen. In den Kühlwasserschlitzen sind in einem die Giessspiegelposition umfassenden Bereich in periodischen Abständen von 5 - 20 mm Metalle oder keramische Werkstoffe mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit als Kupfer eingebettet. Um nach diesem Konzept eine Wärmebarriere mit einem vorgegebenen Wärmewiderstand zu schaffen, müssen sich die eingebetteten Materialien über eine verhältnismässig grosse Tiefe in die Formhohlraumwand erstrecken. Die Realisierung einer solchen Wärmebarriere ist fertigungstechnisch aufwendig, zumal an einer Vielzahl von Stellen auf der Formhohlraumwand geeignete Materialien verhältnismässig tief eingebettet werden müssen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zur Lösung der genannten Probleme beizutragen und zu diesem Zweck ein Kokillenrohr, das mit einer mit vereinfachten fertigungstechnischen Mitteln herstellbaren, an der Giessspiegelposition angeordneten und vor Verschleiss geschützten Wärmebarriere ausgestattet ist, und eine entsprechende, mit einem Kokillenrohr versehene Stranggiesskokille zu schaffen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Kokillenrohr, das durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 charakterisiert ist, und eine Sfranggiesskokille mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
Das erfindungsgemässe Kokillenrohr weist einen ersten, eine vorbestimmte Giessspiegelposition einschliessenden Längsabschnitt und einen zweiten, an den ersten anschliessenden Längsabschnitt auf, wobei der erste Längsabschnitt eine wärmeisolierende Schicht umfasst, die so dimensioniert ist, dass der Wärmewiderstand des Kokillenrohrs im ersten Längsabschnitt einen grösseren Wert aufweist als im zweiten Längsabschnitt. Die Kokille ist dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeisolierende Schicht einen Bereich zwischen der äusseren Oberfläche des Kokillenrohres und einem Abstand von höchstens 75 % der Wandstärke des Kokillenrohres, gemessen von der äusseren Oberfläche des Kokillenrohres, ausfüllt.
Die wärmeisolierende Schicht des erfindungsgemässen Kokillenrohres ist an bzw. nahe an der Aussenseite des Kokillenrohres angeordnet und reicht nicht bis an die innere Oberfläche des Rohres. Das Kokillenrohr ist deshalb aus einem Rohrkörper herstellbar, der an der Aussenseite bearbeitet werden kann, um ihn mit der wärmeisolierenden Schicht auszustatten. Die Bearbeitung ist mit konventionellen Methoden selbst bei Rohrkörpern durchführbar, die für die Herstellung von Kokillenrohren mit kleinem Innendurchmesser geeignet sind und sich aufgrund ihrer geometrischen Abmessungen nicht oder nur sehr aufwendig auf der Innenseite bearbeiten lassen.
Im Giessbetrieb sorgt die wärmeisolierende Schicht im Bereich des ersten Längsabschnitts für eine Erhöhung der Temperatur auf der Innenseite des Kokillenrohres. Dadurch, dass der Abstand der wärmeisolierenden Schicht von der inneren Oberfläche des Kokillenrohres mindestens 25% der Wandstärke des Kokillenrohres beträgt, ist der Verschleiss des Kokillenrohres während des Giessbetriebes aufgrund der thermischen und mechanischen Materialbeanspruchung im Bereich des ersten Längsabschnittes reduziert, verglichen mit einem Kokillenrohr, das mit einer wärmeisolierenden Schicht gleicher Dicke an der Innenseite des Kokillenrohres ausgestattet ist.
Bei dem erfindungsgemässen Kokillenrohr ist es möglich, durch geeignete Dimensionierung des Dickenprofils der wärmeisolierenden Schicht die Temperaturverteilung, die sich im Giessbetrieb an der inneren Oberfläche des Kokillenrohres einstellt, definiert einzustellen, um das Wachstum einer Strangschale im Bereich des ersten Längsabschnitts gezielt zu beeinflussen. Dieser Freiheitsgrad wird bei der erfindungsgemässen Kokille verwendet, um sie zu optimieren hinsichtlich der Herstellung peritektischer Stahlstränge. Um die Qualität von Gussprodukten aus peritektischem Stahl zu optimieren, soll einerseits während des Giessbetriebs die Temperatur an der inneren Oberfläche des Kokillenrohres im Bereich des ersten Längsabschnitts möglichst hoch sein. Dadurch setzt die Anfangserstarrung der Stahlschmelze verzögert in einem möglichst grossen Abstand vom Giessspiegel ein, mit dem Effekt, dass der ferrostatische Druck der Schmelze, der mit dem wachsendem Abstand vom Giessspiegel steigt, verstärkt einer lokalen, durch den peritektischen Phasenübergang stimulierten Ablösung der sich bildenden Strangschale von der inneren Oberfläche des Kokillenrohres entgegenwirkt und so die Ausbildung einer glatten Strangoberfläche favorisiert. Andererseits kann während des Giessbetriebs die Temperatur an der inneren Oberfläche des Kokillenrohres nicht beliebig gross sein, da sich die Materialeigenschaften des Kokillenrohres limitierend auswirken. Beispielsweise hat bekanntlich ein aus Kupfer gefertigtes Kokillenrohr nach einer Aufheizung auf eine Temperatur oberhalb einer kritischen Temperatur von 450°C, der so genannten Erweichungstemperatur, eine inakzeptabel kurze Lebensdauer.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemässen Kokillenrohres ist deshalb die Dicke der wärmeisolierenden Schicht so bemessen, dass im Giessbetrieb die Temperatur an der Innenseite des Kokillenrohrs eine vorgegebene kritische Temperatur TK nicht übersteigt.
Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemässen Kokillenrohres ist die äussere Oberfläche des Kokillenrohres an der Grenze zwischen den Längsabschnitten stufenlos ausgebildet. Diese Ausführungsform ist besonders geeignet für eine Verwendung in Kokillen mit Wassermantelkühlung an der Aussenseite des Kokillenrohres. Da bei solchen Kokillen der Wassermantel gewöhnlich nur wenige mm dick ist und seine Dicke entlang des Kokillenrohres präzise kontrolliert sein muss, ermöglicht eine stufenlose Ausbildung des Überganges zwischen den beiden Längsabschnitten eine besonders einfache Konstruktion der Wassermantelkühlung.
In einer Fortbildung des erfindungsgemässen Kokillenrohres ist die wärmeisolierende Schicht in einen Rohrkörper aus Metall oder einer Metalllegierung eingebettet ist. Günstige thermische und mechanische Eigenschaften des Kokillenrohrs werden erreicht, wenn der Rohrkörper aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und die wärmeisolierende Schicht aus einem Metall, beispielsweise Nickel oder Chrom, aufgebaut ist. Diese Materialien sind hinsichtlich ihres Ausdehnungskoeffizienten gut aufeinander abgestimmt, so dass sich eine auf eine Kupferoberfläche aufgetragene Nickel- bzw. Chromschicht durch eine gute Haftung und durch eine hohe Verschleissfestigkeit auszeichnet.
Weitere Ausführungsformen des erfindungsgemässen Kokillenrohres sind wärmetechnisch hinsichtlich einer Kühlung der äusseren Oberfläche des Kokillenrohres mit einem Kühlmittel derart ausgelegt, dass die Temperatur der inneren Oberfläche im Bereich des ersten Längsabschnittes höchstens eine vorgegebene kritische Temperatur erreicht und mindestens in einem Teilabschnitt des ersten Längsabschnittes annähernd konstant ist. Auf diese Weise kann die Anfangserstarrung der Strangschale bis zu einem besonders grossen Abstand vom Giessspiegel verzögert und eine besonders glatte Strangoberfläche nach Durchlaufen des peritektischen Phasenüberganges erzielt werden. Um ein möglichst konstantes Temperaturprofil in Längsrichtung zu erzielen, muss die Dicke d der wärmeisolierenden Schicht wenigstens in einem Abschnitt zwischen der Giessspiegelposition und dem zweiten Längsabschnitt in Richtung auf den zweiten Längsabschnitt zunehmen.
Im folgenden werden verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemässen Kokillenrohres anhand schematischer Figuren erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1A:
ein Beispiel des erfindungsgemässen Kokillenrohrs in Seitenansicht;
Fig. 1B:
einen Querschnitt längs der Linie I-I in Fig. 1A;
Fig. 1C:
einen Querschnitt längs der Linie II-II in Fig. 1A;
Fig. 2A:
einen Längsschnitt entlang der Linie III-III in Fig. 1C für ein bestimmtes Dickenprofil der wärmeisolierenden Schicht;
Fig. 2B:
einen Längsschnitt wie in Fig. 2A, jedoch für ein anderes Dickenprofil der wärmeisolierenden Schicht;
Fig. 3:
Verläufe der Dicke d einer wärmeisolierenden Schicht gemäss Fig. 2A als Funktion der Wanddicke dw des Kokillenrohres für eine vorgegebene Wandtemperatur;
Fig. 4:
eine Dimensionierung einer wärmeisolierenden Schicht als Funktion der Wanddicke dw des Kokillenrohres für ein vorgegebenes Profil der Wandtemperatur;
Fig. 1A zeigt ein in Seitenansicht dargestelltes Beispiel des erfindungsgemässen Kokillenrohr 10 mit einem Formhohlraum 20, einer Eingiessöffnung 12 und einer Auszugsöffnung 13 für einen (nicht dargestellten) Strang. Die im Giessbetrieb vorgesehene Strangauszugsrichtung ist durch einen Pfeil 14 angedeutet. Das Kokillenrohr 10 weist einen ersten Längsabschnitt 1 und einen zweiten Längsabschnitt 2 auf, wobei der Längsabschnitt 1 eine im Giessbetrieb vorgesehene Giessspiegelposition h umfasst und sich der Längsabschnitt 2 in der Strangauszugsrichtung 14 an den Längsabschnitt 1 anschliesst. Das Kokillenrohr 10 besteht aus einem Rohrkörper 15 mit einer wärmeisolierende Schicht 16 im Bereich des Längsabschnitts 1.
Die Fig. 1B und 1C zeigen Querschnitte des Kokillenrohres 10: die Fig. 1B einen Querschnitt in der in Fig. 1A gekennzeichneten Ebene I-I im Bereich des Längsabschnitts 1, die Fig. 1C einen Querschnitt in der in Fig. 1A gekennzeichneten Ebene II-II im Bereich des Längsabschnitts 1. Wie den Fig. 1A-C zu entnehmen ist, ist die wärmeisolierende Schicht 16 an der Aussenseite 11 des Rohrkörpers 15 angeordnet. Der Formhohlraum 20 weist beispielhaft einen quadratischen Querschnitt mit abgerundeten Ecken auf. Diese Auswahl ist willkürlich. Das erfindungsgemässe Kokillenrohr kann mit beliebigen, in der Stranggiesspraxis gebräuchlichen Querschnittsformen ausgestattet sein.
Die Fig. 2A und 2B stellen Längsschnitte entlang der Linie III-III in Fig. 1B bzw. 1C dar und kennzeichnen zwei verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemässen Kokillenrohres 10, die sich in der Gestaltung des Dickenprofils der wärmeisolierenden Schicht 16 in der Längsrichtung des Kokillenrohres unterscheiden. In beiden Fällen ist die wärmeisolierende Schicht 16 in einer Vertiefung auf der Aussenseite des Rohrkörpers 15 eingebettet. In diesen Beispielen ist die äussere Oberfläche 11 des Kokillenrohres 10 an den Rändern des Längsabschnittes 1 stufenlos.
Der Rohrkörper besteht zweckmässig aus Kupfer oder einer Kupferlegierung. Als Materialien zum Aufbau der wärmeisolierende Schicht kommen zweckmässig Metalle wie Nickel oder Chrom in Frage, die mit konventionellen Methoden, beispielsweise Plattieren oder elektrochemischen Verfahren, auf den Rohrkörper 15 aufgetragen werden können. Es können aber auch andere Materialien, beispielsweise keramische Materialien, für den Aufbau der wärmeisolierenden Schicht verwendet werden, vorausgesetzt, sie haben eine geringere Wärmeleitfähigkeit als der Rohrkörper 15 und sind hinsichtlich ihrer Haftungseigenschaften und ihrer Verschleissfestigkeit geeignet.
Das in Fig. 2A dargestellte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Kokillenrohres 10 ist dadurch charakterisiert, dass die wärmeisolierende Schicht 16 im Bereich zwischen der Giessspiegelposition h und ihrem an den Längsabschnitt 2 angrenzenden Rand eine im wesentlichen konstante Dicke, die in Fig. 2A mit d bezeichnet ist, aufweist. Bei dieser Geometrie würde im Giessbetrieb bei gleichmässiger Kühlung der äusseren Oberfläche 11 des Kokillenrohrs 10 die Temperatur an der inneren Oberfläche des Kokillenrohrs 10 von einem an der Giessspiegelposition h gelegenen Punkt maximaler Temperatur in der Strangauszugsrichtung 14 abnehmen, zumal eine sich im Bereich des Längsabschnitts an der inneren Oberfläche 25 des Kokillenrohrs 10 bildende Strangschale eine in der Strangauszugsrichtung 14 zunehmende Dicke aufweist und dafür sorgt, dass der Wärmefluss zwischen den Oberflächen 25 und 11 des Kokillenrohrs 10 entlang der Strangauszugsrichtung 14 abnimmt.
Durch eine entsprechende Variation der Dicke der wärmeisolierenden Schicht 16 in der Strangauszugsrichtung 14 kann das sich an der inneren Oberfläche 25 des Kokillenrohrs 10 einstellende Temperaturprofil gezielt modifiziert werden, um das Strangschalenwachstum zu optimieren. Das in Fig. 2B dargestellte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Kokillenrohres 10 ist dadurch charakterisiert, dass die wärmeisolierende Schicht 16 im Bereich zwischen der Giessspiegelposition und ihrem an den Längsabschnitt 2 angrenzenden Rand keilförmig von einer Dicke d auf eine Dicke b wächst. Die Dicken d und b können im Verhältnis zur Wanddicke dW des Kokillenrohrs 10 beispielsweise so gewählt werden, dass der Temperaturverlauf an der Innenseite 25 des Kokillenrohrs 10 in der Strangauszugsrichtung 14 annähernd konstant ist und einen vorgegebenen Wert erreicht. Der detaillierte Temperaturverlauf ist dabei korreliert mit dem Strangschalenwachstum an der Oberfläche 25.
Der Rohrkörper 15 ist in der Regel ausgelegt für eine Verwendung bei einer Temperatur unterhalb einer maximalen, kritischen Temperatur TK. Das Kokillenrohr 10 kann wie folgt wärmetechnisch, eine Kühlung der äusseren Oberfläche durch Kühlmittelbeaufschlagung vorausgesetzt, für Stranggiessen von Stahl ausgelegt werden. Damit die Temperatur an der inneren Oberfläche 25 des Kokillenrohrs 10 eine vorgegebene kritische Temperatur TK nicht überschreitet, sollte die Dicke d der wärmeisolierenden Schicht 16 an der Giessspiegelposition h gemäss d ≤ dW [1-f] + λW[10 TL + TS - 11TK]α[TS - TK] [1-f] = dMAX dimensioniert sein, mit
λW :
Wärmeleitfähigkeit des Kokillenrohrs 10 im zweiten Längsabschnitt 2;
f:
Verhältnis λW/ λi, wobei λi die Wärmeleitfähigkeit der wärmeisolierenden Schicht 16 bedeutet;
TK :
kritische Temperatur;
TS :
Temperatur des Stahls an der inneren Oberfläche 25 des Kokillenrohrs 10;
TL :
Temperatur des Kühlmittels.
α:
Wärmeübergangszahl für den Übergang zwischen dem Kühlmittel und der wärmeisolierenden Schicht 16.
In Fig. 3 ist d = dMAX gemäss Gleichung (1) graphisch dargestellt als Funktion der Wanddicke dW für die beiden Parameter f=4 bzw. f=10, wobei TK = 450°C, TS=1480°C und die folgenden, für Wasserkühlung repräsentativen Werte α=30000 W/(m2*K) und TL = 40 °C vorausgesetzt sind. Dabei ist TK = 450°C ein charakteristischer Erfahrungswert für Kupfer. Die beiden Parameter f=4 bzw. f=10 sind beispielsweise repräsentativ für eine Kokillenrohr 10 mit einem Rohrkörper 15 aus Kupfer und einer wärmeisolierenden Schicht 16 aus Nickel (f=4) bzw. Stahl (f=10). Wie Fig. 3 zu entnehmen ist, nimmt das Verhältnis dMAX/dW mit wachsender Wanddicke dW des Kokillenrohres 10 ab. Je kleiner die Dicke dW des Kokillenrohres 10 ist, um so grösser muss der Anteil der Dicke der wärmeisolierenden Schicht an der Gesamtdicke dW des Kokillenrohres 10 sein, um die Temperatur an der Innenseite 25 des Kokillenrohres 10 im Längsabschnitt 1 bis auf die kritische Temperatur TK, im gegebenen Beispiel TK = 450 °C, anzuheben. Weiterhin ist dMAX/dW bei vorgegebener Wanddicke dW umso grösser, je kleiner f, d. h. je grösser die Wärmeleitfähigkeit λi der wärmeisolierenden Schicht ist. Erfahrungsgemäss sollte die Wanddicke dW des Kokillenrohrs 10 typischerweise ungefähr 10% der Seitenlänge eines Querschnitts des Formhohlraums 20 betragen. Wird das Kokillenrohr 10 für kleine Knüppel mit einer Seitenlänge des Querschnitts von ungefähr 10 cm ausgelegt, so wird für f=4 das Dickenverhältnis dMAX / dW ungefähr 75%. Für dMAX / dW ≥ 75% und f < 4 wird die Fertigung des Kokillenrohrs 10 aus einem massiven Rohrkörper 15 problematisch, zumal die mechanische Stabilität des Rohrkörpers 15 bei der Realisierung der für die Aufnahme der wärmeisolierenden Schicht 16 bestimmten Vertiefung auf der Aussenseite 11 des Rohrkörpers 15 übermässig beeinträchtigt wird. Weiterhin steigt mit wachsendem Verhältnis dMAX/ dW der Aufwand bei der Realisierung der wärmeisolierenden Schicht 16, insbesondere bei Herstellungsverfahren, bei denen die wärmeisolierende Schicht 16 durch kontinuierliches Auftragen dünner Schichten eines geeigneten Materials aufgebaut werden. Für die Realisierung der wärmeisolierenden Schicht 16 ist deshalb neben der Bedingung dMAX/ dW ≤ 75% der Parameterbereich f ≥ 4 bevorzugt.
Fig. 4 ist für das Kokillenrohr 10 für den Fall, dass die Dicke der wärmeisolierenden Schicht 16 in der Strangauszugsrichtung 14 von der Dicke d an der Giessspiegelposition auf die Dicke b anwächst gemäss einem Dickenprofil, das so bestimmt ist, dass im Giessbetrieb längs des Dickenprofils die Temperatur an der inneren Oberfläche 25 konstant ist, angegeben, wie das Verhältnis b / dW als Funktion der Wanddicke dW variiert. Aus Gleichung (1) und Fig. 4 können die Verhältnisse b/dW und d/dW für den Fall bestimmt werden, dass im Giessbetrieb längs des Dickenprofils die kritische Temperatur TK realisiert wird. Ein Vergleich mit Fig. 3 liefert die entsprechenden Werte für den Spezialfall TK = 450 °C. Der in Fig. 4 dargestellte Kurvenverlauf ist nicht abhängig von f.
Die Länge des Kokillenrohrs 10 beträgt typischerweise 80-100 cm. Die Länge des Längenabschnitts 1 liegt bevorzugt im Bereich 10-15 cm, wobei die Giessspiegelposition bevorzugt im oberen Viertel des Längenabschnitts 1 angesiedelt ist.
In den oben genannten Ausführungsbeispielen ist die wärmeisolierende Schicht 16 stets in eine Vertiefung des Rohrkörpers 15 derart eingebettet, dass die äussere Oberfläche 11 des Kokillenrohrs 10 stufenlos ausgebildet ist. Im Rahmen der erfinderischen Idee könnte auch auf eine Einbettung der wärmeisolierenden Schicht 16 in einer Vertiefung oder auf eine stufenlose Ausbildung der äusseren Oberfläche 11 verzichtet werden. Die Oberflächen 11 und 25 des erfindungsgemässe Kokillenrohrs könnten auch mit Überzügen aus geeigneten Materialien versehen werden.

Claims (11)

  1. Kokillenrohr für eine Stranggiesskokille zum Stranggiessen von Stählen, insbesondere peritektischen Stählen, mit einem ersten, eine vorbestimmte Giessspiegelposition (h) einschliessenden Längsabschnitt (1) und einem zweiten, an den ersten anschliessenden Längsabschnitt (2), wobei der erste Längsabschnitt (1) an oder nahe an der Aussenseite des Kokillenrohrs (10) mindestens einen wärmeisolierenden Bereich (16) umfasst und derart ausgebildet ist, dass der Wärmewiderstand des Kokillenrohrs (10) im ersten Längsabschnitt (1) einen grösseren Wert aufweist als im zweiten Längsabschnitt (2), dadurch gekennzeichnet, dass der wärmeisolierende Bereich eine wärmeisolierende Schicht (16) ist, die einen Bereich zwischen der äusseren Oberfläche (11) des Kokillenrohres (10) und einem Abstand von höchstens 75% der Wandstärke (dW) des Kokillenrohrs (10), gemessen von der äusseren Oberfläche (11) des Kokillenrohres (10), ausfüllt.
  2. Kokillenrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die äussere Oberfläche (11) des Kokillenrohres (10) an der Grenze zwischen den Längsabschnitten (1, 2) stufenlos ausgebildet ist.
  3. Kokillenrohr nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (d) der wärmeisolierenden Schicht (16) so bemessen ist, dass im Giessbetrieb die Temperatur an der Innenseite (25) des Kokillenrohrs (10) eine vorgegebene kritische Temperatur TK nicht überschreitet.
  4. Kokillenrohr nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeisolierende Schicht (16) in einen Rohrkörper (15) aus Metall oder einer Metalllegierung eingebettet ist.
  5. Kokillenrohr nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kokillenrohr (10) wärmetechnisch für Stranggiessen bei Kühlung der äusseren Oberfläche (11) durch Kühlmittelbeaufschlagung ausgelegt ist, wobei die Dicke d der wärmeisolierenden Schicht (16) an der Giessspiegelposition (h) gemäss d ≤ dW [1-f] + λW[10 TL + TS - 11TK]α[TS - TK] [1-f] dimensioniert ist, mit
    dW :
    Wanddicke des Kokillenrohrs (10) im ersten Längsabschnitt (1);
    λW :
    Wärmeleitfähigkeit des Kokillenrohrs (10) im zweiten Längsabschnitt (2);
    f :
    Verhältnis λW/ λi, wobei λi die Wärmeleitfähigkeit der wärmeisolierenden Schicht (16) bedeutet;
    TK :
    kritische Temperatur;
    TS :
    Temperatur des Stahls an der inneren Oberfläche (25) des Kokillenrohrs (10);
    TL :
    Temperatur des Kühlmittels.
    α:
    Wärmeübergangszahl für den Übergang zwischen dem Kühlmittel und der wärmeisolierenden Schicht (16).
  6. Kokillenrohr nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass f ≥4.
  7. Kokillenrohr nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (d, b) der wärmeisolierenden Schicht in einem Abschnitt zwischen der Giessspiegelposition (h) und dem zweiten Längsabschnitt (2) in Richtung auf den zweiten Längsabschnitt zunimmt.
  8. Kokillenrohr nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dickenzunahme der wärmeisolierenden Schicht (16) derart bemessen ist, dass die Temperatur an der Innenseite (25) des Kokillenrohres (10) während des Giessbetriebes im Bereich des Abschnitts annähernd konstant ist.
  9. Kokillenrohr nach einem der Ansprüche 4-8, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeisolierende Schicht (16) aus einem Metall, beispielsweise Nickel oder Chrom, und der Rohrkörper (15) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung aufgebaut ist.
  10. Stranggiesskokille zum Stranggiessen von Stählen, insbesondere peritektischen Stählen, mit einem Kokillenrohr (10) nach einem der Ansprüche 1-9.
  11. Stranggiesskokille nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zur Beaufschlagung der äusseren Oberfläche (11) des Kokillenrohres (10) mit einem Kühlmittel, beispielsweise eine Wassermantelkühlung, vorgesehen ist.
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