WO1999016564A1 - 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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WO1999016564A1
WO1999016564A1 PCT/EP1998/005828 EP9805828W WO9916564A1 WO 1999016564 A1 WO1999016564 A1 WO 1999016564A1 EP 9805828 W EP9805828 W EP 9805828W WO 9916564 A1 WO9916564 A1 WO 9916564A1
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heat
mold
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Adrian Stilli
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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 for the continuous casting of steels, in particular peritectic steels, according to the preamble of claim 1 and a continuous casting mold with the mold tube.
  • the technology of continuous casting in which, by cooling a molten metal on the walls of a mold cavity of a continuous casting mold, forms a continuous shell with a continuously increasing thickness and continuously extrudes a strand from an outlet opening of the continuous casting mold, is known to apply to peritectic steels, for example steels with a Carbon content of 0.1-0.14%, to problems that are particularly evident in the poor surface quality of the strands produced. Such quality defects are undesirable, especially since further processing of the strands often leads to unacceptable quality defects in the subsequent products.
  • phase transition to which peritectic steels are subjected at a temperature just below their solidification temperature and which is associated with a considerable volume contraction.
  • this phase transition takes place during the initial solidification of a strand shell under conditions in which the strand shell which is still formed is of low mechanical stability and, as a result of the phase transition, forms an uneven surface which only lies selectively on the mold cavity wall, with which Result that solidified strands have a porous or cracked layer on the surface.
  • an improved quality of the strand surfaces can be achieved by influencing the initial solidification of the continuous shell in a region of the continuous casting mold comprising the pouring level by reducing the heat dissipation from the steel melt or the continuous shell.
  • This reduction in heat dissipation in the area of initial solidification is usually realized with the aid of continuous casting molds, which are equipped with a heat barrier on the steel-side surface of a longitudinal section of the mold cavity wall.
  • the heat barrier is dimensioned and the longitudinal section dimensioned so that the heat flow density on the one hand
  • the area of the initial solidification is reduced, but on the other hand is large enough in the longitudinal sections adjoining the heat barrier to achieve sufficient growth of the strand shell over the entire running distance of the strand in the mold cavity.
  • JOS 1-170 550 An alternative concept for the formation of a heat barrier is in JOS 1-170 550 using the example of one for the production of slabs from peritectic steel certain plate mold disclosed.
  • the surfaces of the mold cavities on the side of the mold cavity made of copper have bores in a region encompassing the pouring mirror position, which are optionally filled with nickel, stainless steel or a suitable ceramic material.
  • This alternative concept has the disadvantage that - apart from the susceptibility to wear of the fillings of the bores - it cannot be used on pipe molds for small strand formats, for example billet formats, for manufacturing reasons, since the inner sides of the mold pipes are only insufficiently accessible for suitable processing.
  • the invention has for its object to contribute to solving the problems mentioned and for this purpose a mold tube which is equipped with a heat barrier that can be produced using simplified manufacturing technology and is arranged at the mold level and has improved wear resistance, and a corresponding one provided with a mold tube To create continuous casting mold.
  • the mold tube according to the invention has a first longitudinal section including a predetermined pouring mirror position and a second longitudinal section adjoining the first, the first longitudinal section comprising a heat-insulating layer which is dimensioned such that the thermal resistance of the mold tube in the first longitudinal section has a greater value than in the second longitudinal section.
  • the mold is characterized in that the heat-insulating layer fills an area between the outer surface of the mold tube and a distance of at most 75% of the wall thickness of the mold tube, measured from the outer surface of the mold tube.
  • the heat-insulating layer of the mold tube according to the invention is arranged on or near the outside of the mold tube and does not extend to the inner surface of the tube.
  • the mold tube can therefore be produced from a tubular body that can be machined on the outside in order to provide it with the heat-insulating layer. Machining can be carried out using conventional methods, even for tubular bodies that are suitable for the manufacture of mold tubes with a small inner diameter and, due to their geometric dimensions, cannot be machined on the inside, or only at great expense.
  • the heat-insulating layer in the area of the first longitudinal section increases the temperature on the inside of the mold tube. Because the distance of the heat-insulating layer from the inner surface of the mold tube is at least 25% of the wall thickness of the mold tube, the wear of the mold tube during casting operation is due to the thermal and mechanical
  • Material stress in the area of the first longitudinal section is reduced compared to a mold tube which is equipped with a heat-insulating layer of the same thickness on the inside of the mold tube.
  • Temperature distribution which occurs in the casting operation on the inner surface of the mold tube, has to be defined in order to influence the growth of a strand shell in the region 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 optimize it with regard to the production of peritectic steel strands.
  • the temperature on the inner surface of the mold tube in the area of the first longitudinal section should be as high as possible during the casting operation.
  • the initial solidification of the molten steel sets in at a distance as far as possible from the pouring level, with the effect that the ferrostatic pressure of the melt increases with that Distance from the pouring level increases, counteracts a local detachment of the strand shell that is being stimulated by the peritectic phase transition from the inner surface of the mold tube and thus favors the formation of a smooth strand surface.
  • the temperature on the inner surface of the mold tube cannot be arbitrarily high during the casting operation, since the material properties of the mold tube have a limiting effect.
  • a mold tube made of copper is known to have an unacceptably short service life after it has been heated to a temperature above a critical temperature of 450 ° C., the so-called softening temperature.
  • 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 ⁇ .
  • the outer surface of the mold tube is of stepless design at the boundary between the longitudinal sections.
  • This embodiment is particularly suitable for use in molds with water jacket cooling on the outside of the mold tube. Since the water jacket in such molds is usually only a few mm thick and its thickness along the mold tube must be precisely controlled, a stepless design of the transition between the two longitudinal sections enables a particularly simple construction of the water jacket cooling.
  • the heat-insulating layer is embedded in a tubular body made of metal or a metal alloy.
  • a tubular body made of metal or a metal alloy.
  • the heat-insulating layer is made of a metal, for example nickel or chromium. These materials are good on each other in terms of their coefficient of expansion matched so that a nickel or. Chrome layer is characterized by good adhesion and high wear resistance.
  • Mold tube designed with a coolant in such a way that the temperature of the inner surface in the region of the first longitudinal section at most reaches a predetermined critical temperature and is approximately constant in at least one section of the first longitudinal section.
  • the initial solidification of the strand shell can be delayed up to a particularly large distance from the pouring mirror and a particularly smooth strand surface can be achieved after passing through the peritectic phase transition.
  • the thickness d of the heat-insulating layer must increase at least in a section between the pouring mirror position and the second longitudinal section in the direction of the second longitudinal section.
  • FIG. 1A an example of the mold tube according to the invention in side view
  • FIG. 1B a cross section along the line I-1 in FIG. 1A;
  • Fig. 1C a cross section along the line II-II in Fig. 1A;
  • FIG. 2B a longitudinal section as in FIG. 2A, but for a different thickness profile of the heat-insulating layer; 3: curves of the thickness d of a heat-insulating layer according to FIG. 2A as a function of the wall thickness d w of the mold tube for a predetermined wall temperature;
  • FIG. 1A shows an example of the mold tube 10 according to the invention, shown in side view, with a mold cavity 20, a pouring opening 12 and a pull-out opening 13 for a strand (not shown).
  • the direction of strand extraction provided in the casting operation is indicated by an arrow 14.
  • the mold tube 10 has a first longitudinal section 1 and a second longitudinal section 2, the longitudinal section 1 comprising a casting level position h provided in the casting operation and the longitudinal section 2 adjoining the longitudinal section 1 in the strand pull-out direction 14.
  • the mold tube 10 consists of a tube body 15 with a heat-insulating layer 16 in the region of the longitudinal section 1.
  • FIG. 1 B and 1 C show cross sections of the mold tube 10: FIG. 1 B shows a cross section in the plane II marked in FIG. 1A in the region of the longitudinal section 1, FIG. 1 C shows a cross section in the one marked in FIG. 1A Level II-II in the area of the longitudinal section 1.
  • the heat-insulating layer 16 is arranged on the outside 11 of the tubular body 15.
  • the mold cavity 20 has, for example, a square cross section with rounded corners. This selection is arbitrary.
  • the mold tube according to the invention can be equipped with any cross-sectional shapes customary in continuous casting practice.
  • 2A and 2B show longitudinal sections along the line III-III in FIGS.
  • FIG. 1B and 1C identify two different embodiments of the mold tube 10 according to the invention, which differ in the design of the thickness profile of the heat-insulating layer 16 in the longitudinal direction of the mold tube .
  • the heat-insulating layer 16 is embedded in a depression on the outside of the tubular body 15.
  • the outer surface 11 of the mold tube 10 is stepless at the edges of the longitudinal section 1.
  • the tubular body suitably consists of copper or a copper alloy.
  • Metals such as nickel or chromium, which can be applied to the tubular body 15 using conventional methods, for example plating or electrochemical processes, are expediently suitable as materials for the construction of the heat-insulating layer.
  • other materials for example ceramic materials, can also be used for the construction of the heat-insulating layer, provided that they have a lower thermal conductivity than the tubular body 15 and are suitable with regard to their adhesive properties and their wear resistance.
  • the embodiment of the mold tube 10 according to the invention shown in FIG. 2A is characterized in that the heat-insulating layer 16 has an essentially constant thickness in the region between the pouring mirror position h and its edge adjoining the longitudinal section 2, which is denoted by d in FIG. 2A. having.
  • the temperature on the inner surface of the mold tube 10 would be maximum from a point located at the mold level h
  • 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 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 so that the temperature profile at the
  • the inside 25 of the mold tube 10 is approximately constant in the strand pull-out direction 14 and reaches a predetermined value.
  • the detailed temperature profile is correlated with the strand shell growth on the surface 25.
  • the tubular body 15 is generally designed for use at a temperature below a maximum, critical temperature T ⁇ .
  • the mold tube 10 can be designed for continuous casting of steel in terms of heat technology, provided that the outer surface is cooled by the application of coolant. So that the temperature on the inner surface 25 of the mold tube 10 does not exceed a predetermined critical temperature T ⁇ , the thickness d of the heat-insulating layer 16 at the casting level position h should be according to
  • T s temperature of the steel on the inner surface 25 of the
  • T L temperature of the coolant.
  • ⁇ heat transfer coefficient for the transition between the
  • the ratio d M A ⁇ dw of the mold tube 10 decreases with increasing wall thickness d w .
  • the d MA ⁇ / dw is the greater the smaller f, ie the greater the thermal conductivity ⁇ j of the heat-insulating layer.
  • the parameter range f> 4 is therefore preferred in addition to the condition d M A d w ⁇ 75%.
  • the length of the mold tube 10 is typically 80-100 cm.
  • the length of the length section 1 is preferably in the range 10-15 cm, the pouring mirror position preferably being located in the upper quarter of the length section 1.
  • the 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 surfaces 11 and 25 of the mold tube according to the invention could also be provided with coatings made of suitable materials.

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Abstract

Ein Kokillenrohr für eine Stranggiesskokille zum Stranggiessen von Stählen, insbesondere peritektischen Stählen, weist einen ersten, eine vorbestimmte Giessspiegelposition (h) einschliessenden Längsabschnitt (1) und einen zweiten, an den ersten anschliessenden Längsabschnitt (2) auf, wobei der erste Längsabschnitt (1) eine wärmeisolierende Schicht (16) umfasst, die so dimensioniert ist, dass der Wärmewiderstand des Kokillenrohrs (10) im ersten Längsabschnitt (1) einen grösseren Wert hat als im zweiten Längsabschnitt (2). Die wärmeisolierende Schicht (16) füllt 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 Kokillenrohrs (10), aus. Durch eine geeignete Wahl des Dickenprofils der wärmeisolierenden Schicht in der Strangauszugsrichtung (14) kann im Giessbetrieb ein vorgegebenes Temperaturprofil auf der Innenseite des Kokillenrohrs eingestellt werden und das Wachstum einer Strangschale optimiert werden.

Description

Kokillenrohr für eine Stranggiesskokille zum Stranααiessen von Stählen, insbesondere peritektischen Stählen
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 Teilllänge, die die im Giessbetrieb realisierte Giessspiegelposition umfasst, an der den Formhohlraum begrenzenden Oberfläche mit einer Wärmebarriere zu versehen.
Aus JOS 1-224 142 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, deren Merkmale den Oberbegriff des Anspruchs 1 bilden, 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 JOS 1-170 550 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 Alternativkonzept 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.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zur Lösung der genannten Probleme beizutragen und zu diesem Zweck ein Kokillenrohr, das mit einer mit vereinfachten fertigungstechischen Mitteln herstellbaren, an der Giessspiegelposition angeordneten Wärmebarriere ausgestattet ist und eine verbesserte Verschleissfestigkeit aufweist, 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 Stranggiesskokille 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 Kokillenrohrs, 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 Tκ 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 Nickelbzw. 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 wärmeisoiierenden 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. 1 B: einen Querschnitt längs der Linie l-l in Fig. 1A;
Fig. 1C: einen Querschnitt längs der Linie ll-ll in Fig. 1A;
Fig. 2A: einen Längsschnitt entlang der Linie lll-lll in Fig. 1 C für ein bestimmtes Dickenprofii 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. 1 B und 1 C zeigen Querschnitte des Kokillenrohres 10: die Fig. 1 B einen Querschnitt in der in Fig. 1A gekennzeichneten Ebene l-l im Bereich des Längsabschnitts 1 , die Fig. 1 C einen Querschnitt in der in Fig. 1A gekennzeichneten Ebene ll-ll im Bereich des Längsabschnitts 1. Wie den Fig. 1 A-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. 1 C 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 Tκ. 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 Tκ nicht überschreitet, sollte die Dicke d der wärmeisolierenden Schicht 16 an der Giessspiegelposition h gemäss
dw λw [10 TL + Ts - - 11TK] d d < -f. = d MAX (D
[1-f] α [Ts-Tκ] [1-f] 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; Tκ : 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 = dMA gemäss Gleichung (1 ) graphisch dargestellt als Funktion der Wanddicke dw für die beiden Parameter f=4 bzw. f=10, wobei Tκ= 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 Tκ= 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 dMAχ dw mit wachsender Wanddicke dw des Kokillenrohres 10 ab. Je kleiner die Dicke d 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 Tκ, im gegebenen Beispiel Tκ = 450 °C, anzuheben. Weiterhin ist dMAχ/dw bei vorgegebener Wanddicke dw umso grösser, je kleiner f, d. h. je grösser die Wärmeleitfähigkeit λj 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 dMAχ dw ungefähr 75%. Für d Ax 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 d^xx./ 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 dMA 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/dwfür den Fall bestimmt werden, dass im Giessbetrieb längs des Dickenprofils die kritische Temperatur T« realisiert wird. Ein Vergleich mit Fig. 3 liefert die entsprechenden Werte für den Spezialfall Tκ= 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

Patentansprüche
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) eine wärmeisolierende Schicht (16) umfasst, die so dimensioniert ist, dass der Wärmewiderstand des Kokillenrohrs (10) im ersten Längsabschnitt (1) einen grösseren Wert aufweist als im zweiten Längsabschnitt (2), dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeisolierende
Schicht (16) 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 T« 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
JW λw [10 TL + Ts - 11Tκ] d <
[1-f] α [Ts-Tκ] [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; Tκ : kritische Temperatur;
Ts : Temperatur des Stahls an der inneren Oberfläche (25) des Kokillenrohrs (10);
T : 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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