Die Erfindung betrifft die Ausgestaltung einer Kokillenplatte einer Kokille zum
Stranggießen von Metall mit einem trichterförmig in Gießrichtung zum Format des
gegossenen Stranges verjüngten Eingießbereich und einer mit Schlitzen versehenen
Rückwand, in denen ein flüssiges kühlmedium strömt.
Aufgabe der Kokille ist es, den Strang zu formen und der Schmelze die für das
Schalenwachstum erforderliche Wärme zu entziehen. Am Kokillenaustritt muß die
Schale so dick sein, daß sie den thermischen und mechanischen Belastungen
widerstehen kann und der Strang mit Sicherheit nicht aufreißt.
Die Wärme wird in der Kokille vom Stahl an das Kühlwasser abgeleitet, welches in
gebohrten Kanälen strömt oder in Schlitzen, welche in die Rückwand der Platten
eingefräst sind und mit der Oberfläche des Wasserkastens rechteckige Kanäle
bilden.
Entsprechend dem Stand der Technik verlaufen die Kühlkanäle bzw. Schlitze
senkrecht, d.h. in Gießrichtung, um eine möglichst gleichmäßige Wärmeabfuhr
über die Plattenbreite zu erzielen. Die Anordnung der Bohrungen bzw. Schlitze
und die Festlegung deren Abmessungen erfolgt so, daß über die Plattenoberfläche
eine möglichst gleichmäßige Wärmeabfuhr gewährleistet ist.
Bei der Auslegung einer Kokillenplatte wird außerdem die Anordnung der Gewinde
bzw. Gewindeeinsätze für die Schrauben berücksichtigt, mit denen die Platte am
Wasserkasten befestigt ist. Die Anzahl der Befestigungspunkte muß ausreichend
groß sein, damit sich die Platte aufgrund der thermischen Belastung während des
Gießvorganges nicht über ein tolerierbares Maß verformt.
Platten mit senkrecht verlaufenden Schlitzen haben sich für das Vergießen von
Brammen allgemein durchgesetzt.
Gebohrte Platten sind in der Fertigung vergleichsweise teuer und werden deshalb
nur dort bevorzugt eingesetzt, wo es auf geringe Verformung des Kokillenhohlraumes
ankommt, wie z.B. beim Stranggießen von Vorblöcken.
Trotz der großen thermischen Belastung beim Kontakt mit der Stahlschmelze ist
es bei richtiger konstruktiver Auslegung und Wahl des Werkstoffes ohne weiteres
möglich, die Bildung von Rissen auf der Arbeitsoberfläche der Kokillenplatten auszuschließen.
Dennoch führt der Gebrauch der Platten im Laufe der Zeit zu Schädigungen
der Arbeitsoberfläche wie mechanischem Verschleiß, Kratzern, die z.B.
beim Ein- und Ausfahren des Kaltstranges und bei der Schmalseitenverstellung
während des Gießvorganges entstehen, und lokalen Verformungen, welche zur
Bildung eines Spaltes mit den Schmalseiten führen.
Die Lebensdauer einer Kokillenplatte hängt im wesentlichen von der Häufigkeit,
Lage und Tiefe der genannten Schädigungen ab und der Anzahl der möglichen
Nachbearbeitungen, bei denen jeweils eine Schicht von der Arbeitsoberfläche mechanisch
abgetragen wird.
Die Idee des trichterförmigen Eingießbereiches ist auf die Bestrebung zurückzuführen,
einen möglichst dünnen Strang zu vergießen, welcher nach dem Verlassen
der Gießmaschine in Brammen zerteilt und über einen Ofen direkt dem Walzprozeß
zugeführt werden kann.
Die Abmessungen des Eingießbereiches werden im wesentlichen durch den
Querschnitt des zu vergießenden Stranges, die Abmessungen des Gießrohres
und dessen Eintauchtiefe in die Schmelze bestimmt.
Beim Betreiben mehrerer Stranggießanlagen mit gebohrten und geschlitzten Kokillenplatten
aus unterschiedlichen Kupferlegierungen, welche einen trichterförmigen
Eingießbereich mit unterschiedlichen Abmessungen bilden, wurde festgestellt,
daß nach einer vergleichsweise geringen Anzahl von wenigen hundert Güssen in
Höhe des Badspiegels Risse in den Kokillenplatten entstehen. Bei durchschnittlich
3 - 4 Nachbearbeitungen ergibt sich deshalb im Vergleich zu Kokillenplatten
mit ebenen Arbeitsoberflächen eine um ein Vielfaches geringere Gesamtlebensdauer
von etwa 1000 Schmelzen.
Diese Risse sind das Ergebnis der Ermüdung des Kokillenwerkstoffs infolge der
plastischen Wechseldehnung. Messungen mit Thermoelementen in den Kokillenplatten
und statistische Auswertungen zum Rißbefall haben gezeigt, daß sich die
Risse immer im Ubergangsbereich Trichter-Parallelteil befinden und nicht durch
eine überdurchschnittliche lokale thermische Belastung verursacht werden.
Die Verteilung der Spannungen und Dehnungen über die Breite einer Kokillenplatte,
egal ob mit ebenen oder gewölbten Arbeitswänden, wird neben dem Querschnitt
von der Anzahl der Festhaltepunkte, deren Lage und der Federkonstante
der Festhalteschrauben bestimmt. Je geringer die Anzahl der Festhaltepunkte,
um so ungleichmäßiger verteilen sich die Spannungen und Dehnungen über die
Kokillenplatte. Sie konzentrieren sich, je nach Anordnung der Festhaltepunkte,
zunehmend im Bereich einer der äußeren Reihen der Festhaltepunkte auf jeder
Seite. Grundvoraussetzung für eine gleichmäßige Verteilung der Spannungen und
Dehnungen über die Breite einer Kokillenplatte im Hinblick auf die Rißvermeidung
ist deshalb eine ausreichend große Anzahl der Festhaltepunkte.
Durch weitergehende Untersuchungen und mit Hilfe der Berechnung von Spannungen
und Dehnungen wurde festgestellt, daß Entstehung der Risse in den Kokillenplatten
durch zusätzliche Dehnungen im Übergangsbereich Trichter-Parallelteil
begünstigt wird, welche auf das Vorhandensein der für die Bildung des
trichterförmigen Eingießbereiches dienenden Wölbung zurückzuführen sind.
Der Mechanismus der Entstehung dieser zusätzlichen Dehnungen kann anhand
des in Fig. 1 schematisch dargestellten halben Querschnitts des oberen Bereiches
einer gebohrten Kokillenplatte 1 verständlich gemacht werden. Die Kokillenplatte
ist mit den Festhalteschrauben S1, S2, S3, S4, S5 und S6 am Wasserkasten 2 befestigt.
Die Breite des Stranges wird durch die Position der Schmalseite 3 bestimmt.
Die Lage der Kühlbohrungen wird durch die Arbeitsdicke d1, d.h. den Abstand zur
Arbeitsoberfläche, und die Entfernung d2 zur Rückwand bestimmt.
Die Erwärmung der Kokillenplatte 1 durch den Wärmestrom q ˙, z.B. während der
Angießphase oder infolge der Verschiebung des Badspiegels, führt infolge der
Ausdehnung des Plattenwerkstoftes zu einer Längenänderung in Richtung zu den
Schmalseiten 3 hin, die im Falle einer ebenen Arbeitsoberfläche nicht behindert
wird und demzufolge keine zusätzlichen Spannungen oder Dehnungen in der
Platte verursacht. Bei einer Kokille mit trichterförmigem Eingießbereich mit der
Breite B dagegen wird die Arbeitsoberfläche der Plane zusätzlich gestaucht, weil
sich dieser Bereich aufgrund der Befestigung der Platte mit den Festhalteschrauben
S1, S2, S3, S4, S5 und S6 an den Festhaltepunkten mit der Lage X1, X2, X3, X4,
X5 und X6 nicht frei ausdehnen kann. Bei der Abkühlung der Platte, z.B. nach Beendigung
des Gießvorganges, findet aufgrund der Schrumpfung eine entgegengesetzte
Längenänderung statt, und der zuvor gestauchte Bereich der Arbeitsoberfläche
wird zusätzlich gedehnt.
Die Verteilung dieser zusätzlichen Wechseldehnung über die Plattenbreite wird
maßgeblich von der Kontur des gewölbten Bereiches, welche im vorliegenden Fall
durch die Radien R1 und R2 sowie die Trichteröffnung T vorgegeben wird, der Lage
X1 X2, X3, X4, X5 und X6 der Festhalteschrauben S1, S2, S3, S4, S5 und S6 in
Bezug auf den Verlauf dieser Kontur und von der elastischen Nachgiebigkeit der
Festhalteschrauben S1, S2, S3, S4, S5 und S6 bestimmt.
Die Intensität dieser zusätzlichen Wechseldehnung bestimmen neben der thermischen
Belastung der Kokillenplatte durch den Wärmestrom q ˙ und den Materialeigenschaften
des Plattenwerkstoffs zusätzlich folgende Parameter: die Arbeitsdicke
d1 zwischen der Arbeitsoberfläche und den Kühlbohrungen, die Plattendicke d2
zwischen den Kühlkanälen und der Rückseite und die Breite B des gewölbten Bereiches.
Berechnungen für in der Gießpraxis eingesetzte gebohrte und geschlitzte Kokillenplatten
von Kokillen mit trichterförmigem Eingießbereich zeigen, daß die zusätzlichen
Wechseldehnungen zusammen mit den Dehnungen, die aus der allgemeinen
thermischen Belastung resultieren, einen Wert erreichen, der zu einer sehr
schnellen Ermüdung des Plattenwerkstoffs infolge der plastischen Wechselverformung
führt.
Will man die Belastung von gewölbten Kokillenplatten durch konstruktive Maßnahmen
auf ein unkritisches Maß hinsichtlich der Rißanfälligkeit reduzieren, so ist
es erforderlich, die Steifigkeit des Plattenquerschnitts zu vergrößern, im einfachsten
Falle durch die Erhöhung der Dicke zwischen den Kühlkanälen und der
Rückwand der Kokillenplatte von d2 auf ein erforderliches Maß.
Da hinter den Kühlkanälen kein Temperaturgradient vorhanden ist, führt die Erhöhung
der Plattensteifigkeit durch Vergrößerung der Plattendicke zwischen Rückwand
und Kühlkanälen bei ein und derselben thermischen Belastung zu einer
gleichmäßigeren Verteilung der Spannungen und Dehnungen über die Plattenbreite.
Die Ausdehnung der Kokillenplatte in horizontaler Richtung, welche die Entstehung
von Rissen auf der Arbeitsoberfläche begünstigt, wird verringert, weil sich
die Platte hinter den Kühlbohrungen im Vergleich zum Bereich zwischen der Arbeitsoberfläche
und den Kühlbohrungen nicht so stark erwärmt und die über den
Kokillenquerschnitt gemittelte Temperatur insgesamt niedriger ausfällt.
In diesem Sinne erfüllt eine gebohrte Platte mit ausreichend großer Dicke d2 zwischen
den Kühlbohrungen und der Rückseite, welche mit einer erforderlich großen
Anzahl von Festhalteschrauben S1, S2, S3, ---, Sn am Wasserkasten befestigt ist,
die konstruktiven Voraussetzungen, bei denen die Arbeitsoberfläche bis zu einer
bestimmten thermischen Belastung q ˙max rißfrei bleibt und bei Überschreitung dieser
thermischen Belastung gleichmäßig über die Plattenbreite verteilte Risse aufweist.
Der Nachteil solcher gebohrten Platten besteht darin, daß ihre Fertigung im Vergleich
zu geschlitzten Platten sehr teuer ist.
Deshalb liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine weitere Ausgestaltung
einer Kokillenplatte einer Kokille mit trichterförmigem Eingießbereich anzugeben,
welche auf der Rückseite wassergekühlte Schlitze aufweist und auf der Arbeitsoberfläche
bis zu einer bestimmten thermischen Belastung q ˙max rißfrei bleibt und
bei Überschreitung dieser thermischen Belastung gleichmäßig über die Plattenbreite
verteilte Risse aufweist, so daß eine mit Kokillenplatten mit ebenen Wänden
vergleichbare Lebensdauer erreicht wird.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß zur Vermeidung der Rißbildung
auf der Arbeitsoberfläche bei einer vorgegebenen Arbeitsdicke der Querschnitt der
Kokillenplatte möglichst groß sein muß, weil die damit verbundene größere Steifigkeit
und geringere horizontale Ausdehnung der Platte zu einer gleichmäßigeren
Verteilung der Spannungen und Dehnungen über die Breite dieser Platte führt.
Die Lösung der Aufgabe gelingt mit der Erfindung dadurch, daß auf mindestens
einem Höhenabschnitt des gewölbten Bereiches der Kokillenplatte die Schlitze auf
der Rückseite, in denen das Kühlwasser fließt, so verlaufen, daß deren Neigung in
ihrem Verlauf nicht mehr als 30 Grad von der Horizontalen abweicht.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachstehenden
Erläuterungen und Darstellungen. Es zeigen:
- Fig. 1
- den schematisch dargestellten halben Querschnitt des oberen Bereiches
einer gebohrten Kokillenplatte,
- Fig. 2
- die Ansicht a.) von oben und die Ansicht b.) der Rückseite einer geschlitzten
Kokillenplatte einer Kokille mit trichterförmigem Eingießbereich
gemäß der Erfindung,
- Fig. 3
- den Querschnitt C-C der in Fig. 2b dargestellten Kokillenplatte mit
Füllstücken und Bohrungen für die Festhalteschrauben.
Figur 1 zeigt die zuvor auf Seite 4 und folgende beschriebene gebohrte Kokillenplatte
1. Gemäß Fig. 2 weist eine Kokillenplatte 4 einer Stranggießkokille mit
trichterförmigem Eingießbereich weist gemäß Fig. 2 einen an der Kokillenoberkante
6 beginnenden gewölbten Eingießbereich 5 auf, der zu den Schmalseiten 3
und in Gießrichtung auf das Format des gegossenen Stranges reduziert ist.
Die Schlitze 7 verlaufen in mindestens einem Höhenabschnitt der Kokillenplatte 4
auf der Rückseite, in denen das Kühlwasser fließt, so, daß sie in ihrem Verlauf
nicht mehr als 30 Grad von der Waagerechten abweichen.
Eine vorzugsmäßige Ausgestaltung sieht vor, daß die Schlitze über die Plattenbreite
durchgehend waagerecht verlaufen, wie in Fig. 2 dargestellt ist.
Die Tiefe und/oder die Breite der Schlitze 7 und der Abstand zwischen ihnen kann
über die Höhe und/oder die Breite der Kokillenplatte sowohl veränderlich als auch
unveränderlich sein.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, daß zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit
und zur Verringerung des Kühlwasserdurchsatzes Füllstücke 9 aus einem
beliebigen Material in die Schlitze 7 eingesetzt sind.
Die Füllstücke 9 können entlang der Schlitze 7 in geeigneter Weise mit den Stegen,
welche diese Schlitze abgrenzen, verbunden werden, um die Steifigkeit des
Plattenquerschnitts zusätzlich zu erhöhen. Dadurch kann die für die nötige Steifigkeit
des Kokillenquerschnitts erforderliche Dicke der Platte verringert werden,
und die Abmessungen der Kokille können dementsprechend verkleinert werden.
Ein weiterer Vorteil ist die Verringerung der Materialkosten, wenn man den vergleichsweise
hohen Preis des Kokillenwerkstoffs, bei dem es sich üblicherweise
um eine Kupferlegierung handelt, dem der Füllstücke, welche aus Stahl gefertigt
sein können, gegenüberstellt.
Wesentlich ist die Möglichkeit der getrennten Zufuhr des Kühlmediums für verschiedene
Höhenbereiche. Durch gezielte Beeinflussung des Wärmeübergangs in
der Kokille auf verschiedenen Höhenabschnitten kann auf diese Weise die Qualität
des vergossenen Stranges verbessert werden
Entsprechend der Erfindung kann das Kühlmedium an einer Seite der Kokillenplatte
zugeführt und an der anderen abgeführt werden. Vorteilhaft ist es, das
Kühlmedium an beiden Seiten zuzuführen und in der Mitte abzuführen oder in der
Mitte zuzuführen und an den beiden Seiten abzuführen. Da in diesem Fall der
Anstieg der Temperatur des Kühlmediums beim Durchströmen der Kühlschlitze
halbiert wird, verringert sich dementsprechend die Ungleichmäßigkeit des Wärmeübergangs
über die Plattenbreite.
Auch ist es möglich, daß das Kühlmedium in verschiedenen Schlitzen in entgegengesetzter
Richtung strömt. Auf diese Weise wird die Ungleichmäßigkeit des
Wärmeübergangs über die Plattenbreite, welche auf den Anstieg der Temperatur
des Kühlmediums beim Durchströmen der Kühlschlitze zurückzuführen ist, zusätzlich
verringert.